摘? 要: 介紹了結(jié)合工程實(shí)際需要而研制的一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式閘門(mén)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(shè)計(jì)、可編程控制器(PLC)程序設(shè)計(jì)及閘門(mén)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)等。
關(guān)鍵詞: 水利自動(dòng)化系統(tǒng)? 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)? 現(xiàn)場(chǎng)總線? PLC
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近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代過(guò)程控制系統(tǒng)已從集散控制系統(tǒng)(DCS)向現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(FCS)發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使單個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線連接成可以相互溝通信息、共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，形成控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)的全分布網(wǎng)絡(luò)集成式新型控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)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(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為扁平化、集成化，順應(yīng)了技術(shù)發(fā)展的主流方向。
水利樞紐閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)集散控制系統(tǒng)。由于樞紐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，如采用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)與現(xiàn)地設(shè)備通信，雷電、噪聲等干擾信號(hào)將不可避免地影響到模擬信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量;而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的現(xiàn)地設(shè)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(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。并且可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜，也減少了工程造價(jià)與維護(hù)費(fèi)用。
本文介紹的閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS網(wǎng)絡(luò)集成的方法對(duì)多個(gè)閘門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控、集中監(jiān)控與現(xiàn)地監(jiān)控。
1 閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的組成及功能
閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，即由閘門(mén)監(jiān)控中心(遠(yuǎn)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(mén)監(jiān)控中心
閘門(mén)監(jiān)控中心由主計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口設(shè)備和外圍設(shè)備組成。采用臺(tái)灣研華PII233/32M/4G工控機(jī)作為主計(jì)算機(jī)，配有專用功能鍵盤(pán)和語(yǔ)音裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的全面監(jiān)控。閘門(mén)監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)視、遠(yuǎn)方控制以及自動(dòng)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(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)信息，生成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史記錄圖表。
(2)實(shí)時(shí)更新CRT顯示的工況畫(huà)面的參數(shù);實(shí)時(shí)顯示和閘門(mén)相關(guān)的事件;有故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電鈴、語(yǔ)音、畫(huà)面顯示報(bào)警，給出事故處理指示。
(3)操作員可通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)閘門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，即:閘門(mén)起閉控制;閘門(mén)預(yù)置開(kāi)度設(shè)定。
(4)系統(tǒng)生成的運(yùn)行日志、放水流量曲線、操作記錄、運(yùn)行狀態(tài)等各種報(bào)表均可通過(guò)CRT顯示或打印出來(lái)。
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(guò)與閘門(mén)監(jiān)控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接受控制指令，對(duì)現(xiàn)地控制單元發(fā)出起閉信號(hào);并通過(guò)安裝在現(xiàn)地的閘門(mén)開(kāi)度儀接受閘門(mén)現(xiàn)地信息，向閘門(mén)監(jiān)控中心反饋現(xiàn)地運(yùn)行工況、故障信號(hào)等信息。
集中監(jiān)控單元采用德國(guó)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(qiáng)等特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量24路輸入，16路輸出，串口的物理層是RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。因系統(tǒng)控制每個(gè)閘門(mén)需要8入3出開(kāi)關(guān)量，因此我們采用一個(gè)PLC外接5個(gè)輸入模塊和1個(gè)輸出模塊來(lái)控制7個(gè)閘門(mén)。PLC開(kāi)關(guān)量輸入為:閘門(mén)的升、降、全開(kāi)、全關(guān)狀態(tài);電源狀態(tài);過(guò)熱;過(guò)載等。開(kāi)關(guān)量輸出為閘門(mén)的升、降、停等。整個(gè)系統(tǒng)采用4個(gè)PLC組成總線型分布式控制系統(tǒng)，控制25個(gè)閘門(mén)，以主從方式工作。主PLC設(shè)計(jì)為1個(gè)，從PLC設(shè)計(jì)為3個(gè)，主從PLC之間通過(guò)屏蔽雙絞線相連。主PLC控制4個(gè)閘門(mén)，與閘門(mén)監(jiān)控中心之間通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器相連。
1.3 現(xiàn)地監(jiān)控單元
閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地監(jiān)控單元的設(shè)備有閘門(mén)開(kāi)度傳感器、水位傳感器、閘門(mén)啟閉機(jī)電氣控制屏、現(xiàn)地閘門(mén)開(kāi)度儀、水位儀等。
現(xiàn)地監(jiān)控單元采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使其具有數(shù)字計(jì)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(gè)智能測(cè)控設(shè)備(即閘門(mén)開(kāi)度儀、水位儀)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與集中監(jiān)控單元之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，在現(xiàn)場(chǎng)形成全分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)。
閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)可在現(xiàn)地通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度儀或水位儀完成預(yù)置閘門(mén)開(kāi)度、報(bào)警、計(jì)算并顯示閘門(mén)實(shí)際開(kāi)度或上、下游水位高度等功能;直接通過(guò)現(xiàn)地控制屏上的控制按鈕進(jìn)行閘門(mén)起閉操作。
2 閘門(mén)監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)采用中文Windows98操作系統(tǒng)，Borland Delphi5為界面和數(shù)據(jù)庫(kù)的編程工具，采用多線程編程方式。
應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)功能框圖見(jiàn)圖2。
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閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)出的信息有巡檢、數(shù)據(jù)(預(yù)置值和上、下限)、命令、檢錯(cuò)等。集中監(jiān)控單元由4個(gè)PLC分別控制多個(gè)閘門(mén)，采用串行通信方式，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式見(jiàn)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(duì)標(biāo)識(shí)符@前后的字符作出對(duì)照，校驗(yàn)無(wú)誤后作出應(yīng)答，并根據(jù)功能符進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。應(yīng)答的數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表2。
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由于PLC將閘門(mén)的狀態(tài)、故障、開(kāi)度等信息在巡檢應(yīng)答中給出，因此巡檢應(yīng)答數(shù)據(jù)格式與表2不同，應(yīng)當(dāng)分別處理。數(shù)據(jù)格式如表3所示。
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3 PLC程序設(shè)計(jì)
下面介紹PLC與閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)串口通信程序。
PLC采用西門(mén)子的STEP7軟件編程。首先要對(duì)PLC串口進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位等初始化設(shè)置?！爸鱌LC”與閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)以自由口方式通訊，“主PLC”與“從PLC”間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式通信。當(dāng)主/從PLC的串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)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(dāng)“主PLC”讀到閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是發(fā)給自己時(shí)，就進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)送應(yīng)答信息給閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī);當(dāng)讀到的數(shù)據(jù)是發(fā)給“從PLC”時(shí)，就通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令(NETR、NETW)發(fā)送給“從PLC”。“從PLC”接收到數(shù)據(jù)后就將所連接的閘門(mén)的開(kāi)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(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已對(duì)傳統(tǒng)的DCS形成了強(qiáng)大的沖擊，在未來(lái)的控制領(lǐng)域發(fā)展中，現(xiàn)場(chǎng)總線及其FCS系統(tǒng)必將顯示出強(qiáng)大生命力，廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)過(guò)程控制中。本文所介紹的閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式系統(tǒng)，是現(xiàn)場(chǎng)總線及其FCS系統(tǒng)在水利樞紐工程中的應(yīng)用，目前已通過(guò)初步驗(yàn)收，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況良好。
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參考文獻(xiàn)
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