1. 引言
隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,在我國(guó)的水利事業(yè)中計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于泵站監(jiān)控、船閘監(jiān)控、閘門監(jiān)控、變電站監(jiān)控等方面。在船閘自動(dòng)化監(jiān)控方面，可編程控制器（PLC）技術(shù)較為成熟地應(yīng)用使得船閘監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸趨于完善。PLC具有可靠性高，開發(fā)周期短，使用操作方便、便于現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試等特點(diǎn)。船閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)能根據(jù)控制要求手動(dòng)或自動(dòng)啟閉閘門、監(jiān)測(cè)閘室上下游水位及閘室內(nèi)水位、監(jiān)測(cè)各閘門閘位、定開高啟閉閘門、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)。
本文根據(jù)中山東河水利船閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行實(shí)踐，提出船閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法。經(jīng)工程的運(yùn)行檢驗(yàn)證明是可行的。
2. 船閘閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 系統(tǒng)的組成
中山東河水利船閘監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控中心建在水利樞紐監(jiān)控中心室內(nèi)。系統(tǒng)由一臺(tái)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)(操作員站)、一臺(tái)上位機(jī)(工程師站)、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警打印機(jī)、兩套由PLC可編程控制器組成的現(xiàn)地監(jiān)控單元、現(xiàn)地操作單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上下游水位傳感器及閘位傳感器等設(shè)備組成。見系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1：
圖1：東河船閘控制系統(tǒng)方案
2.2 系統(tǒng)的監(jiān)控范圍
◆ 船閘上、下閘首閘門自動(dòng)監(jiān)控；
◆ 上、下游及閘室內(nèi)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)；
◆ 閘門位置及狀態(tài)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；
◆ 啟閉機(jī)房設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；
◆ 通航燈的自動(dòng)控制；
3. 船閘閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與要求
（1） 實(shí)用性與先進(jìn)性。在方案設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的實(shí)用性與先進(jìn)性相結(jié)合。在確保實(shí)用效益的基礎(chǔ)上，采用成熟的自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全防范技術(shù)。
（2） 可靠性與安全性。根據(jù)《水閘技術(shù)管理規(guī)程》SL75-94、《水閘工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》SL170-96等規(guī)范要求，選用合理設(shè)備，設(shè)計(jì)高可靠性的軟、硬件控制系統(tǒng)，使船閘的控制更安全可靠。
（3） 經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性。在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，選用性價(jià)比高的傳感器設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備及通信設(shè)備。所采用的設(shè)備要充分考慮易升級(jí)換代，并且在升級(jí)時(shí)可以最大限度地保護(hù)原有的硬件設(shè)備和軟件投資。
3.2 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型
（1） 主回路供電采用帶電分勵(lì)的空氣開關(guān)，可用于現(xiàn)場(chǎng)無人職守的遠(yuǎn)程操作方式。該裝置動(dòng)作可靠并有過載、欠壓、短路保護(hù)功能，且可以通過控制回路分勵(lì)控制，增加系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的保護(hù)措施。在現(xiàn)場(chǎng)無人職守情況下，起到在電機(jī)停機(jī)后接觸器異常觸點(diǎn)粘連情況下，自動(dòng)分?jǐn)嚯姍C(jī)主回路，保護(hù)電機(jī)的作用。
（2） 閘門啟閉機(jī)主回路的電源通斷采用交流接觸器控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。
（3） 控制回路采用PLC控制。本系統(tǒng)采用的PLC為德國(guó)西門子公司的S7-200系列。具體配置如下。CPU：CPU226(24點(diǎn)DI，16點(diǎn)DO)；DI：EM221(8點(diǎn)) ；DO：EM222(8點(diǎn))；AI：EM231(4路)；以太網(wǎng)模塊：CP243-1；中文文本顯示器：TD200；編程軟件：STEP 7-Micro/WIN。該型號(hào)CPU具有2個(gè)RS-485串行通信口。一個(gè)串口采用Profibus總線協(xié)議與TD200顯示器通信，另一個(gè)串口用來編程，系統(tǒng)通過CP243-1的以太網(wǎng)口，采用TCP/IP協(xié)議與系統(tǒng)上位機(jī)通信，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控。
（4） 船閘閘門現(xiàn)地監(jiān)控單元的操作面板上有手動(dòng)、自動(dòng)、檢修三檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，用來設(shè)置閘門的控制狀態(tài)；手動(dòng)狀態(tài)時(shí)閘門的上升、下降、停止由面板上的按鈕控制；可以通過面板上的中文顯示器查看各閘門的當(dāng)前開啟高度及上下游和閘室內(nèi)的水位值。
（5） 閘門開度傳感器和船閘上、下游水位傳感器均選用格雷碼機(jī)械編碼式傳感器，該傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、誤差小、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)。
（6） 船閘內(nèi)水位采用康宇測(cè)控儀表KYB900壓力式水位傳感器。上下游水位考慮到進(jìn)出船只造成的影響，采用的是德國(guó)VEGA的超聲波液位計(jì)。輸出4-20mA模擬量信號(hào)。
3.3 主回路與控制回路設(shè)計(jì)
船閘分上閘首和下閘首二個(gè)啟閉機(jī)房，各配備一臺(tái)閘門現(xiàn)地監(jiān)控單元。由于上下閘首監(jiān)控單元工作原理相似，本文僅對(duì)上游監(jiān)控單元做介紹。
該系統(tǒng)可采用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制二種工作方式，其控制原理說明如下
（1） 手動(dòng)控制。將控制機(jī)柜面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動(dòng)位置,當(dāng)按下上升按鈕時(shí)，交流接觸器1得電，其觸點(diǎn)閉合，啟閉機(jī)電路接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，閘門上升。當(dāng)按下停止按鈕或閘門到上限位時(shí)控制回路斷開，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)按下下降按鈕，交流接觸器2得電，其觸點(diǎn)閉合，閘門啟閉機(jī)電路接通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，閘門下降。當(dāng)按下停止按鈕或閘門到下限位時(shí)控制回路斷開，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
（2） 自動(dòng)控制。先將控制機(jī)柜面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動(dòng)位置，當(dāng)中心控制室需要控制閘門運(yùn)行時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送命令，當(dāng)命令為上升控制時(shí)，PLC控制相應(yīng)中間繼電器觸點(diǎn)閉合，使交流接觸器1得電，其觸點(diǎn)閉合，閘門啟閉機(jī)電路接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，閘門上升。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送停止命令或閘門到上限位時(shí)控制回路斷開，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)送下降命令時(shí)，PLC控制相應(yīng)中間繼電器觸點(diǎn)閉合，交流接觸器2得電，其觸點(diǎn)閉合，閘門啟閉機(jī)電路接通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，閘門下降。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送停止命令或閘門到下限位時(shí)控制回路斷開，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.4 系統(tǒng)功能：
3．4．1現(xiàn)地監(jiān)控單元功能：
① 接收上位機(jī)調(diào)度運(yùn)行命令，發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)采集的各類設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)與狀態(tài)信號(hào)。
② 根據(jù)上位機(jī)指令可進(jìn)行上、下扉門、通航燈的控制。具有安全連鎖功能。
③ 船閘閘門控制范圍為從全關(guān)到全開、或從全開到全關(guān)。在中間任何位置可允許進(jìn)行緊急停止操作。
④ 系統(tǒng)具有多重聯(lián)鎖功能，具有開、關(guān)、停故障報(bào)警等功能。有效地保障了系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。
⑤ 根據(jù)上下游水位及通航要求，對(duì)上下游水位及閘室內(nèi)水位進(jìn)行水位平信號(hào)的檢測(cè)，并將該信號(hào)與上下閘首及扉門的控制進(jìn)行聯(lián)鎖，以防誤動(dòng)作。自動(dòng)控制船閘的上行、下行的自動(dòng)操作。同時(shí)自動(dòng)控制通航紅綠燈，確保通航安全。
船閘監(jiān)控系統(tǒng)中從上游經(jīng)過船閘駛往下游時(shí)上閘首的整體控制流程如圖2所示。上閘首動(dòng)作完成后，下閘首開始動(dòng)作，其過程與上閘首相似。當(dāng)船從下游經(jīng)過船閘駛往上游時(shí)整體控制流程與圖2相似，此處不再贅述。
圖2：船閘閘門啟閉流程
3．4．2 上位機(jī)功能：
① 采集現(xiàn)地監(jiān)控單元設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采集上下游、船閘內(nèi)水位信號(hào)，船閘上、下閘首和上下扉門開度信號(hào)。
② 動(dòng)態(tài)顯示船閘的操作過程。
③ 顯示水位動(dòng)態(tài)曲線。
④ 具有船閘啟、閉運(yùn)行自動(dòng)記錄功能。
⑤ 編制打印運(yùn)行日志、月志、年統(tǒng)計(jì)表。
⑥ 保留系統(tǒng)原手動(dòng)操作功能。
⑦ 建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫。
⑧ 具有查詢，報(bào)警功能。
⑨ 具有良好的中文人機(jī)界面。
4. 結(jié)束語
西門子S7-200在東河船閘監(jiān)控系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，其重要功能發(fā)揮體現(xiàn)在：
1、 充分利用西門子S7-200的高可靠性和開放性，在通訊上發(fā)揮S7-200以太網(wǎng)OPCSERVER方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，使得監(jiān)控在數(shù)據(jù)交換上有了快而穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)。
2、 TD200和S7200CPU可在同一平臺(tái)上進(jìn)行組態(tài)，減化工程師編程維護(hù)的工作量。且TD200無論是菜單屏還是報(bào)警消息，都可以嵌入CPU數(shù)據(jù)變量，并且數(shù)據(jù)是作為地址單元間接訪問，因此數(shù)據(jù)地址不會(huì)隨消息的修改（甚至翻譯）而改變。
3、 充分利用S7-200可為每一路模擬量輸入選擇軟件濾波器。且選用的S7-200的模擬量濾波功能不必再另行編制用戶的濾波程序。方便有效地解決了現(xiàn)場(chǎng)河水的水位和咸度數(shù)據(jù)采集波動(dòng)帶來的影響。
該系統(tǒng)自2004年7月投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況良好，在中心控制室可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)上下閘首的閘門全程控制，并能在計(jì)算機(jī)上監(jiān)測(cè)到閘門設(shè)備狀態(tài)，故障情況以及上下游水位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從而使工作人員對(duì)閘門的運(yùn)行控制及時(shí)準(zhǔn)確，也改善了工作環(huán)境和工作強(qiáng)度。是一個(gè)運(yùn)行可靠的船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。
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西門子SIMATIC S7-200首頁
