摘 要：為有效利用水資源，改善水利水電工程中閘門(mén)監(jiān)控的多種問(wèn)題，借助現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、可編程控制器技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、液壓技術(shù)等，研究了一種新型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)。閘門(mén)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)方監(jiān)控，有效地提高了監(jiān)控實(shí)時(shí)能力和工作效率。該系統(tǒng)具有可靠性和傳輸速度高、成本低、使用方便和維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);可編程控制器;監(jiān)控;分層分布式結(jié)構(gòu);閘門(mén) 引言 　　我國(guó)水資源豐富，水利工程發(fā)展迅速，閘門(mén)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水庫(kù)、泵站等水利水電工程，在防洪抗旱、水運(yùn)調(diào)度發(fā)揮重要作用，也直接經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。閘門(mén)不僅要求對(duì)單個(gè)現(xiàn)地控制，且由于分組多，須對(duì)多個(gè)閘門(mén)進(jìn)行室內(nèi)集中控制[1]。傳統(tǒng)的閘門(mén)控制系統(tǒng)中一般由集控和現(xiàn)場(chǎng)工作站構(gòu)成，由于各工作單元工作站與集中控制工作站相距甚遠(yuǎn)，而且它們之間需傳輸?shù)男畔⒘坑址浅４?，使系統(tǒng)成本高、接線(xiàn)多、可靠性低、維護(hù)和管理困難。隨著自動(dòng)控制、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，把遙測(cè)遙控、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于閘門(mén)是水閘監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容和方向?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)順應(yīng)了控制系統(tǒng)向分布化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。在水庫(kù)水利工程中，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，融合PLC技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，電力電子技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，儀表技術(shù)構(gòu)成一種新型全分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型閘門(mén)的現(xiàn)地手動(dòng)控制、現(xiàn)地自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制，保證水利工程安全有效運(yùn)行，發(fā)揮最大效益。 　　1 閘門(mén)監(jiān)控總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)、下位機(jī)模式，組建了遠(yuǎn)程集中控制與現(xiàn)地控制相結(jié)合的控制網(wǎng)絡(luò)。將系統(tǒng)分為中心管理控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)，由中心控制單元、現(xiàn)地控制單元、傳動(dòng)與執(zhí)行單元、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)總體如圖1所示。 [align=center] 圖1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)[/align] 　　系統(tǒng)由中心站計(jì)算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行管理，對(duì)現(xiàn)地控制級(jí)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄保存、狀態(tài)報(bào)告、下達(dá)控制指令及人機(jī)界面操作等，而閘門(mén)控制站則采用分布式控制，各站在本站主計(jì)算機(jī)管理下分別由各自獨(dú)立的CPU終端管理，獨(dú)立完成本號(hào)閘門(mén)的監(jiān)視、控制以及與主機(jī)的通訊等。中心控制級(jí)與現(xiàn)地控制級(jí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式連接，中心控制臺(tái)有時(shí)還具有通過(guò)以太網(wǎng)連接與遠(yuǎn)程控級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的通信功能，作為遠(yuǎn)程主控系統(tǒng)的I/O站。 2系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì) 　　2.1中心控制單元 　　中心控制層功能主要是對(duì)整個(gè)閘門(mén)設(shè)備的監(jiān)視、綜合分析、故障信息的分析處理，發(fā)布操作指令、設(shè)定及變更工作方式、記錄、報(bào)表、通信控制、系統(tǒng)診斷、修改定值、采用CAN總線(xiàn)與現(xiàn)地LCU通信等功能。CAN總線(xiàn)是一種適于控制領(lǐng)域的單片微機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)、使用CAN控制器的多機(jī)通訊系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)功能，系統(tǒng)無(wú)主、從機(jī)之分，通訊方式靈活、可靠性好、通信速率高、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。閘門(mén)中心控制單元由研華工控計(jì)算機(jī)、CAN卡PCL-841、急?？丶炔糠纸M成，接收所有現(xiàn)地控制單元的信息，并為遠(yuǎn)控中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)。集中控制工控機(jī)是中心控制單元的核心組成部分，由于計(jì)算機(jī)不能直接與CAN總線(xiàn)通訊，所以在計(jì)算機(jī)中必須要有CAN智能適配卡，只有這樣才能與CAN總線(xiàn)通訊。PCL-841卡是一塊專(zhuān)用的CAN通訊卡，能夠提供總線(xiàn)仲裁、錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)、以及數(shù)據(jù)自動(dòng)重發(fā)功能，并且可直接插在PC機(jī)的ISA插槽內(nèi)，由PCL-841卡負(fù)責(zé)上下位機(jī)的總線(xiàn)通訊。 　　2.2現(xiàn)地控制單元（LCU） 　　現(xiàn)地控制單元以高可靠性PLC為控制核心，它由PLC控制裝置、電器控制柜、旋轉(zhuǎn)編碼、顯示操作面板、工業(yè)檢測(cè)裝置以及其他的智能儀表等組成?，F(xiàn)地控制單元中的PLC的下端為繼電器等控制部件，而上端是由工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的監(jiān)控中心單元?，F(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2現(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　閘門(mén)現(xiàn)地控制單元完成對(duì)閘門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉邏輯控制、位置檢測(cè)反饋、電機(jī)分段開(kāi)關(guān)邏輯控制，節(jié)點(diǎn)之間的通信傳輸，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集、處理，以及對(duì)參數(shù)進(jìn)行報(bào)警和故障判斷等功能。每個(gè)PLC控制一定數(shù)量的閘門(mén)，各自獨(dú)立，功能相同，可以現(xiàn)地和手動(dòng)方式進(jìn)行操作完成閘門(mén)的控制任務(wù)。電氣控制柜主要采用了雙機(jī)熱備份，兩個(gè)電機(jī)互為備份，它們輪流啟動(dòng)，這樣充分利用設(shè)備，以確保在任何時(shí)刻都能用。這種冗余提高了系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性和適應(yīng)性。每套LCU都配備液晶顯示屏，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地自動(dòng)操作控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示?，F(xiàn)地LCU能夠?qū)㈤]機(jī)進(jìn)行控制與閘門(mén)開(kāi)度、壓力、油位等的自動(dòng)化監(jiān)視，并能夠通過(guò)PLC串行通信口與中心控制級(jí)通信。閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)可在現(xiàn)地通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)裝置或水位儀完成預(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)度等功能。 　　2.3工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。 　　建立視頻監(jiān)視系統(tǒng)，通過(guò)切換不同地點(diǎn)的視頻信號(hào)直觀監(jiān)視閘門(mén)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)情況、上下游水面和水流情況等，確保閘門(mén)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)安全[3]。視頻監(jiān)視系統(tǒng)由工業(yè)攝像設(shè)備、鏡頭、云臺(tái)、視頻矩陣切換器、工業(yè)監(jiān)視器、無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備等硬件設(shè)備配以多媒體軟件組成，完成對(duì)水位、閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程的重要工位進(jìn)行監(jiān)視管理。在中心控站端用圖形矩陣主機(jī)直接將光接收設(shè)備接受來(lái)的視頻信號(hào)傳輸?shù)綀D像監(jiān)視器上，控制信號(hào)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。它具有實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)、多畫(huà)面視頻顯示、云臺(tái)鏡頭控制、視頻報(bào)警處理、自動(dòng)錄像的時(shí)間表設(shè)置、報(bào)警記錄查詢(xún)等多種功能，并配有檢索回放軟件，可進(jìn)行全方位檢索。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括集中控制單元監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和現(xiàn)地控制單元PLC程序設(shè)計(jì)。PLC完成單臺(tái)啟閉機(jī)的控制、閘門(mén)開(kāi)度和運(yùn)行工況信息的采集以及和主站上位機(jī)的通信。集中控制單元監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)查詢(xún)和瀏覽、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)和圖形打印、多媒體報(bào)警功能以及系統(tǒng)維護(hù)等功能。 　　上位機(jī)監(jiān)控軟件軟件開(kāi)發(fā)采用組件（COM或DCOM）技術(shù)。上位機(jī)組態(tài)軟件采用北京昆侖的MCGS組態(tài)軟件。它具有操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大，動(dòng)態(tài)模擬逼真，通信穩(wěn)定可靠[4]。這樣可以縮短開(kāi)發(fā)周期。MCGS組態(tài)軟件，是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心來(lái)處理、分析數(shù)據(jù)，以及向下位機(jī)發(fā)送指令。同時(shí)利用它開(kāi)放性的特點(diǎn)，調(diào)用shell函數(shù)，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)間通訊程序，使整個(gè)系統(tǒng)能有效的運(yùn)行起來(lái)。軟件框圖如圖3所示。該軟件由三大部分用戶(hù)界面層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)源層構(gòu)成，而每部分又由多個(gè)組件組成。用戶(hù)界面層主要有四個(gè)組件程序和一個(gè)主程序，即系統(tǒng)管理組件、圖形監(jiān)控組件、數(shù)據(jù)管理組件、報(bào)警系統(tǒng)組件和用戶(hù)界面主控程序等。數(shù)據(jù)管理層通過(guò)組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)源層和用戶(hù)界面層之間雙向傳輸。數(shù)據(jù)源層主要由CAN協(xié)議接口組件和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)與訪(fǎng)問(wèn)組件組成,它們分別負(fù)責(zé)從外部智能單元和現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。 [align=center] 圖3綜合自動(dòng)化軟件框圖[/align] 　　PLC軟件設(shè)計(jì)主要是在監(jiān)控中心給出閘門(mén)的監(jiān)控量后，按照閘門(mén)控制的規(guī)程進(jìn)行閘門(mén)的操作。PLC與閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式通信。PLC首先進(jìn)行初始化設(shè)置，當(dāng)PLC的接收到數(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，并發(fā)送應(yīng)答信息給閘門(mén)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī);在閘門(mén)操作過(guò)程中，PLC監(jiān)測(cè)啟閉機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行電流，閘門(mén)運(yùn)動(dòng)速度、方向等，如發(fā)現(xiàn)異常，停止操作并報(bào)警。 4 結(jié)論 　　本系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用到水電站閘門(mén)控制中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)地和遠(yuǎn)方閘門(mén)控制、水位控制。系統(tǒng)具有接線(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，成本低、可維護(hù)性好、速率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備充分考慮易升級(jí)換代，兼容性和聯(lián)網(wǎng)功能，使系統(tǒng)在開(kāi)放性、互換性好與便于升級(jí)、擴(kuò)展和互聯(lián)。在國(guó)內(nèi)新建和老水電站的技術(shù)改造中，閘門(mén)工程建設(shè)管理更加合理，更加有效，更加可靠，提供了一種非常理想的解決方案。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 蔣元廣. 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究. 河海大學(xué)，2002.1 　　[2] 王紅雷. 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