屈家店樞紐閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜偉+李守軍+于紅

[摘 ?要]提高水利工程自動(dòng)化水平對(duì)國(guó)家水利發(fā)展具有重要意義。針對(duì)海河下游管理局屈家店樞紐工程閘門控制急需提高自動(dòng)化水平的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的閘門監(jiān)視控制自動(dòng)化系統(tǒng)。提出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電氣驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，絕對(duì)值編碼器的譯碼原理以及監(jiān)視控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)變量建立方法，軟硬件通道連接方法及運(yùn)行策略的設(shè)計(jì)思路。全數(shù)字化的工業(yè)以太網(wǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與實(shí)效性。

[關(guān)鍵詞]PLC;編碼器;MCGS;閘門控制;工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP317 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）22-0008-02

1 工程背景

屈家店樞紐位于天津市北辰區(qū)屈家店?yáng)|北，由永定新河節(jié)制閘、北運(yùn)河節(jié)制閘、新引河進(jìn)洪閘組成，是控制永定河、北運(yùn)河洪水泄入海河，確保天津市區(qū)安全的國(guó)家一級(jí)水利工程[1]。其中，永定新河進(jìn)洪閘工作閘門11孔，墩厚1.2m，閘孔總寬119.8m。機(jī)架橋面上設(shè)輕型啟閉機(jī)房，閘室上游布置工作門及上下游檢修槽，閘墩和檢修橋面高程8.9m。下游為凈寬7.0m的交通橋，高程8.2m。

隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，屈家店閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備落后，智能化水平較低，信息不能快速集成，已不能滿足城市水利發(fā)展的需要[2]。因此，對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一套新的閘門監(jiān)視控制系統(tǒng)在國(guó)家水利工程建設(shè)中具有重要意義。閘門自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)較高，從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到控制器選擇、傳感器設(shè)計(jì)制造要堅(jiān)持高可靠性、穩(wěn)定性原則。

2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

屈家店閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)由11孔閘門的現(xiàn)地控制單元（LCU—Local Control Unit）組成。采用全網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化的工業(yè)以太網(wǎng)總線架構(gòu)。11孔閘門的開度由自已設(shè)計(jì)的采用格雷碼編碼方案的絕對(duì)值型編碼器采集，經(jīng)由現(xiàn)地閘門開度儀轉(zhuǎn)換成RS485數(shù)字信號(hào)送至現(xiàn)地控制單元PLC（Schneider Twido TWDLCAE40DRF）帶有以太網(wǎng)接口。最后由11個(gè)工業(yè)交換機(jī)互聯(lián)成網(wǎng)，并與監(jiān)控室的交換機(jī)互聯(lián)，進(jìn)一步與閘管處的計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成一體化的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)總線控制架構(gòu)。這種架構(gòu)穩(wěn)定、可靠、高效;是目前現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的最高形式。北京昆侖通態(tài)的MCGS 10.2英寸觸摸屏（TPC1061Ti）也帶有以太網(wǎng)RJ45接口，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡(jiǎn)單，效率較高，人機(jī)交互更加友好。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要要完成兩部分的設(shè)計(jì)：其一、手動(dòng)控制電氣原理圖設(shè)計(jì);其二、自動(dòng)控制原理圖設(shè)計(jì)[3]。手動(dòng)控制由LCU柜上的控制按鈕控制，自動(dòng)控制由Schneider Twido PLC控制。被控對(duì)象為交流電機(jī)，其安裝與規(guī)格不在此設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，在此主要考慮控制電路對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)。包括閘門控制回路與信號(hào)指示回路。閘門控制回路包括上升、下降的手動(dòng)與自動(dòng)控制。兩電路互鎖，以保證系統(tǒng)安全。KM11、KM12為交流接觸器，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。SGP11、SGP12為上限位與下限位機(jī)械開關(guān)，避免系統(tǒng)極限故障。SA1為系統(tǒng)權(quán)限開關(guān)，控制面板上的4個(gè)位置分別代表“切除”、“現(xiàn)地”、“控制室”、“管理處”4個(gè)狀態(tài)。權(quán)限開關(guān)打到不同的位置代表不同的控制權(quán)限。

信號(hào)回路用于閘門的狀態(tài)監(jiān)視。當(dāng)閘門處于上升、下降、停止等狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

3.2 絕對(duì)值型編碼器設(shè)計(jì)

合理精度的編碼器是閘門開度測(cè)量的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的編碼器采用絕對(duì)值方案，即編碼器具有掉電參數(shù)記憶功能[4]。另外，編碼采用格雷碼，相鄰碼位之間僅一位數(shù)字不同，誤碼率大大降低，倍數(shù)越多，效果越明顯。編碼器采用19線，第1～15線為有效數(shù)據(jù)位，第19線為公共端。采用19芯航空連接至開度儀表。

碼制轉(zhuǎn)換流程：

（1）將低位L8～L1轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制B8～B1（產(chǎn)生低位二進(jìn)制碼）。

方法：二進(jìn)制碼的最高位等于格雷碼的最高位，二進(jìn)制碼的其余位等于高位二進(jìn)制碼與本格雷碼按位進(jìn)行異或邏輯運(yùn)算。

（2）將高位H7～H1轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制B7/～B1/（產(chǎn)生高位二進(jìn)制碼）。

方法同（1）。

（3）把二進(jìn)制B7/～B1/與與由L8產(chǎn)生的7位二進(jìn)制碼（當(dāng)L8=0時(shí)，7位二進(jìn)制碼為000 0000，當(dāng)L8=1時(shí)，7位二進(jìn)制碼為111 1111）進(jìn)行二進(jìn)制相加運(yùn)算，結(jié)果表示B15～B9，去掉最末位B9，產(chǎn)生高位二進(jìn)制B15～B10。

（4）把高位二進(jìn)制B15～B10.與低位二進(jìn)制B8～B1拼接組成碼制轉(zhuǎn)換結(jié)果的14位二進(jìn)制數(shù)字量B15～B10 B8～B1。

測(cè)試案例：

在原碼顯示時(shí)，19芯插頭各腳信號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示值：

第1根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為1;第2根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為3;第3根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為7;第4根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為15;第5根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為31;第6根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為63;第7根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為127;第8根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為16383;第9根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為0;第10根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為256;第11根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為768;第12根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為1972;第13根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為3840;第14根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為7936;第15根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為16128。

4 MCGS監(jiān)視軟件設(shè)計(jì)

4.1 界面設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)11個(gè)LCU（Local Control Unit）通過(guò)西門子工業(yè)交換機(jī)與位于監(jiān)控室內(nèi)的上位監(jiān)控主機(jī)連接。實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)SCADA（Supervisory Control & Data Access）是閘門控制與水情測(cè)報(bào)的關(guān)鍵?；诖?，要求開發(fā)出既能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，又便于快速開發(fā)及系統(tǒng)后續(xù)升級(jí)維護(hù)的監(jiān)控軟件是必須的，而MCGS組態(tài)軟件很好的滿足這一要求。采用MCGS設(shè)計(jì)的軟件主界面如圖2所示。每孔閘門的狀態(tài)信息可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，形象而直觀，觸摸屏與上位機(jī)采用一致的設(shè)計(jì)風(fēng)格，簡(jiǎn)化操作人員的操作，友善的人機(jī)界面改善了自動(dòng)化的操控性能?？刂平缑娴脑O(shè)計(jì)與此類同。

根據(jù)系統(tǒng)要求，需要完成水情信息記錄，閘門動(dòng)作記錄，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸入庫(kù)管理，報(bào)表打印與記錄。而MCGS組態(tài)軟件的策略設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效與實(shí)時(shí)信息處理的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效管理數(shù)據(jù)的保證。論文重點(diǎn)從這兩點(diǎn)來(lái)論述策略的實(shí)現(xiàn)。

4.2 MCGS數(shù)據(jù)處理策略

高效的MCGS數(shù)據(jù)處理策略關(guān)系到系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[5]。本設(shè)計(jì)包括建立數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)變量，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)處理策略。

4.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)變量的建立

建立的數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)單而易于維護(hù)[6]。表1給出了MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表格變量，工程有效變量17個(gè)，包括操作權(quán)限、電機(jī)狀態(tài)、過(guò)載、遠(yuǎn)方、閘門狀態(tài)等;其余變量如data、test等為調(diào)試用的中間變量。由于每孔LCU電氣設(shè)計(jì)完全相同，所以對(duì)應(yīng)的變量設(shè)計(jì)也完全一樣。

4.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)變量與PLC變量的通道連接

要完成PLC開度與水情信息的采集或上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令下達(dá)，必須要編寫驅(qū)動(dòng)程序。由于驅(qū)動(dòng)程序可以采用MCGS自帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所以，只要完成數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)變量與PLC變量的通道連接工作即可。

打開MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)工具箱，將“通用TCP/IP父設(shè)備”選進(jìn)工具箱，然后設(shè)置通信參數(shù)，最小采集周期默認(rèn)值為1000ms，可以調(diào)整該參數(shù)，但不能太小，否則系統(tǒng)響應(yīng)速度跟不上，一般不能低于100ms。網(wǎng)絡(luò)類型要選擇：TCP。本機(jī)IP地址指的是觸摸屏或上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的IP地址，遠(yuǎn)方地址指的是所連接的PLC的IP地址。只有正確設(shè)備才能保證連接無(wú)誤。

然后，將“標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信子設(shè)備”選進(jìn)工具箱，并置于“通用TCP/IP父設(shè)備”之下。然后設(shè)置參數(shù)，并完成通道連接。如“手動(dòng)”對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)部的開關(guān)量地址%M0，“現(xiàn)地”對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)部的開關(guān)量地址%M1，即MCGS數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)際地址編號(hào)為PLC中M區(qū)位地址編號(hào)加1。100XX表示只讀開關(guān)量，000XX表示讀寫開關(guān)量，3DF00XX表示只讀模擬量，4DF00XX表示讀寫模擬量。

4.2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理策略

水文數(shù)據(jù)日?qǐng)?bào)表，水文數(shù)據(jù)月報(bào)表，閘門動(dòng)作報(bào)表等信息獲取，必須通過(guò)編寫策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4給出了本工程設(shè)計(jì)的5類策略，屬于MCGS循環(huán)策略，周而復(fù)始的執(zhí)行策略行。策略循環(huán)時(shí)間可任意設(shè)置，如設(shè)置成500ms，則每500ms執(zhí)行一次策略行。具體實(shí)現(xiàn)不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

屈家店閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用了全新的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高性能的法國(guó)Schneider Twido PLC，在MCGS組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)采集與閘門升降控制，完成了信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，報(bào)警報(bào)表?，F(xiàn)在系統(tǒng)已順利完成調(diào)試，投入運(yùn)用以來(lái)，穩(wěn)定，可靠，實(shí)時(shí)性能均有突出表現(xiàn)，對(duì)閘門控制與信息處理自動(dòng)化工程建設(shè)具有重要的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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