摘? 要: 介紹了結(jié)合工程實際需要而研制的一種基于現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng)，內(nèi)容包括:監(jiān)控系統(tǒng)的組成、各部分功能設計、可編程控制器(PLC)程序設計及閘門監(jiān)控中心軟件設計等。
關(guān)鍵詞: 水利自動化系統(tǒng)? 計算機監(jiān)控系統(tǒng)? 現(xiàn)場總線? PLC
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近年來，隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)已從集散控制系統(tǒng)(DCS)向現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS)發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)使單個分散的現(xiàn)場設備通過總線連接成可以相互溝通信息、共同完成任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，形成控制功能徹底下放到現(xiàn)場的全分布網(wǎng)絡集成式新型控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了開放式的通信解決方案，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨于智能化、分布化，也使網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為扁平化、集成化，順應了技術(shù)發(fā)展的主流方向。
水利樞紐閘門監(jiān)控系統(tǒng)實際上是一個集散控制系統(tǒng)。由于樞紐現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，如采用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號與現(xiàn)地設備通信，雷電、噪聲等干擾信號將不可避免地影響到模擬信號傳輸?shù)馁|(zhì)量;而現(xiàn)場總線系統(tǒng)的現(xiàn)地設備采用的傳感器和二次儀表，具有A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出等功能，可將現(xiàn)地采集的信息直接以數(shù)字量形式輸出，而數(shù)字信號具有很強的抗干擾能力，因此大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準確性。并且可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設備、節(jié)約連接電纜，也減少了工程造價與維護費用。
本文介紹的閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線與DCS網(wǎng)絡集成的方法對多個閘門進行遠方監(jiān)控、集中監(jiān)控與現(xiàn)地監(jiān)控。
1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)的組成及功能
閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，即由閘門監(jiān)控中心(遠方)、集中監(jiān)控單元和現(xiàn)地監(jiān)控單元(現(xiàn)地控制屏)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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1.1 閘門監(jiān)控中心
閘門監(jiān)控中心由主計算機、人機接口設備和外圍設備組成。采用臺灣研華PII233/32M/4G工控機作為主計算機，配有專用功能鍵盤和語音裝置，實現(xiàn)對閘門的全面監(jiān)控。閘門監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)視、遠方控制以及自動化管理等功能，具體為:
(1)定期查詢和收集集中監(jiān)控單元上送的運行過程實時信息，生成現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)庫和歷史記錄圖表。
(2)實時更新CRT顯示的工況畫面的參數(shù);實時顯示和閘門相關(guān)的事件;有故障時，系統(tǒng)通過電鈴、語音、畫面顯示報警，給出事故處理指示。
(3)操作員可通過鍵盤和鼠標對閘門進行遠方控制，即:閘門起閉控制;閘門預置開度設定。
(4)系統(tǒng)生成的運行日志、放水流量曲線、操作記錄、運行狀態(tài)等各種報表均可通過CRT顯示或打印出來。
1.2 集中監(jiān)控單元
集中監(jiān)控單元采用集散控制方式，通過與閘門監(jiān)控中心進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信接受控制指令，對現(xiàn)地控制單元發(fā)出起閉信號;并通過安裝在現(xiàn)地的閘門開度儀接受閘門現(xiàn)地信息，向閘門監(jiān)控中心反饋現(xiàn)地運行工況、故障信號等信息。
集中監(jiān)控單元采用德國SIEMENS公司的S7系列可編程控制器(PLC)。該可編程控制器具有體積小、高速、模塊化、可靠性高、抗干擾能力強等特點，開關(guān)量24路輸入，16路輸出，串口的物理層是RS485接口標準。因系統(tǒng)控制每個閘門需要8入3出開關(guān)量，因此我們采用一個PLC外接5個輸入模塊和1個輸出模塊來控制7個閘門。PLC開關(guān)量輸入為:閘門的升、降、全開、全關(guān)狀態(tài);電源狀態(tài);過熱;過載等。開關(guān)量輸出為閘門的升、降、停等。整個系統(tǒng)采用4個PLC組成總線型分布式控制系統(tǒng)，控制25個閘門，以主從方式工作。主PLC設計為1個，從PLC設計為3個，主從PLC之間通過屏蔽雙絞線相連。主PLC控制4個閘門，與閘門監(jiān)控中心之間通過RS485/232轉(zhuǎn)換器相連。
1.3 現(xiàn)地監(jiān)控單元
閘門監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地監(jiān)控單元的設備有閘門開度傳感器、水位傳感器、閘門啟閉機電氣控制屏、現(xiàn)地閘門開度儀、水位儀等。
現(xiàn)地監(jiān)控單元采用現(xiàn)場總線技術(shù)，將微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用5芯屏蔽雙絞線作為總線，將多個智能測控設備(即閘門開度儀、水位儀)連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，按規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的智能儀表之間以及現(xiàn)場儀表與集中監(jiān)控單元之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，在現(xiàn)場形成全分布式自動控制系統(tǒng)。
閘門監(jiān)控系統(tǒng)可在現(xiàn)地通過閘門開度儀或水位儀完成預置閘門開度、報警、計算并顯示閘門實際開度或上、下游水位高度等功能;直接通過現(xiàn)地控制屏上的控制按鈕進行閘門起閉操作。
2 閘門監(jiān)控中心應用軟件設計
閘門監(jiān)控中心計算機采用中文Windows98操作系統(tǒng)，Borland Delphi5為界面和數(shù)據(jù)庫的編程工具，采用多線程編程方式。
應用軟件設計功能框圖見圖2。
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閘門監(jiān)控中心計算機向PLC發(fā)出的信息有巡檢、數(shù)據(jù)(預置值和上、下限)、命令、檢錯等。集中監(jiān)控單元由4個PLC分別控制多個閘門，采用串行通信方式，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式見表1。
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PLC接收到數(shù)據(jù)幀后執(zhí)行數(shù)據(jù)接收子程序，對標識符@前后的字符作出對照，校驗無誤后作出應答，并根據(jù)功能符進行相應的數(shù)據(jù)處理。應答的數(shù)據(jù)格式見表2。
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由于PLC將閘門的狀態(tài)、故障、開度等信息在巡檢應答中給出，因此巡檢應答數(shù)據(jù)格式與表2不同，應當分別處理。數(shù)據(jù)格式如表3所示。
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3 PLC程序設計
下面介紹PLC與閘門監(jiān)控中心計算機串口通信程序。
PLC采用西門子的STEP7軟件編程。首先要對PLC串口進行波特率、數(shù)據(jù)位等初始化設置?！爸鱌LC”與閘門監(jiān)控中心計算機以自由口方式通訊，“主PLC”與“從PLC”間以點對點方式通信。當主/從PLC的串口接收到數(shù)據(jù)時，進入接收中斷子程序，首先判斷是否是發(fā)給本PLC，然后執(zhí)行。當“主PLC”讀到閘門監(jiān)控中心計算機的數(shù)據(jù)是發(fā)給自己時，就進行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)送應答信息給閘門監(jiān)控中心計算機;當讀到的數(shù)據(jù)是發(fā)給“從PLC”時，就通過網(wǎng)絡讀寫指令(NETR、NETW)發(fā)送給“從PLC”?！皬腜LC”接收到數(shù)據(jù)后就將所連接的閘門的開度和升、降、停及故障狀態(tài)發(fā)送給“主PLC”，由它發(fā)送給閘門監(jiān)控中心計算機。
現(xiàn)場總線技術(shù)已對傳統(tǒng)的DCS形成了強大的沖擊，在未來的控制領(lǐng)域發(fā)展中，現(xiàn)場總線及其FCS系統(tǒng)必將顯示出強大生命力，廣泛應用于許多工業(yè)過程控制中。本文所介紹的閘門監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)場總線的分布式系統(tǒng)，是現(xiàn)場總線及其FCS系統(tǒng)在水利樞紐工程中的應用，目前已通過初步驗收，現(xiàn)場運行狀況良好。
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參考文獻
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