基于現場(chǎng)總線(xiàn)的分布式閘門(mén)監控系統

       介紹了結合工程實(shí)際需要而研制的一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的分布式閘門(mén)監控系統,內容包括：監控系統的組成、各部分功能設計、可編程控制器（PLC）程序設計及閘門(mén)監控中心軟件設計等。

       近年來(lái),隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展,現代過(guò)程控制系統已從集散控制系統（DCS）向現場(chǎng)控制系統（FCS）發(fā)展?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)使單個(gè)分散的現場(chǎng)設備通過(guò)總線(xiàn)連接成可以相互溝通信息、共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )系統和控制系統,形成控制功能徹底下放到現場(chǎng)的全分布網(wǎng)絡(luò )集成式新型控制系統,實(shí)現了開(kāi)放式的通信解決方案,使控制系統結構更趨于智能化、分布化,也使網(wǎng)絡(luò )系統結構更為扁平化、集成化,順應了技術(shù)發(fā)展的主流方向。

        水利樞紐閘門(mén)監控系統實(shí)際上是一個(gè)集散控制系統。由于樞紐現場(chǎng)環(huán)境十分惡劣。如采用傳統的4～20mA模擬信號與現地設備通信,雷電、噪聲等干擾信號將不可避免地影響到模擬信號傳輸的質(zhì)量;而現場(chǎng)總線(xiàn)系統的現地設備采用的傳感器和二次儀表,具有A/D轉換、輸入輸出等功能,可將現地采集的信息直接以數字量形式輸出,而數字信號具有很強的抗干擾能力,因此大大提高了系統的可靠性和準確性。并且可以簡(jiǎn)化系統結構、節約硬件設備、節約連接電纜,也減少了工程造價(jià)與維護費用。

       本文介紹的閘門(mén)監控系統采用了現場(chǎng)總線(xiàn)與DCS網(wǎng)絡(luò )集成的方法對多個(gè)閘門(mén)進(jìn)行遠方監控、集中監控與現地監控。

      1 閘門(mén)監控系統的組成及功能

       閘門(mén)監迭系統采用分層分布開(kāi)放式結構,即由閘門(mén)監控中心（遠方）、集中監控單元和現地監控單元（現地控制屏）組成。系統結構框圖如圖1所示。

      1.1 閘門(mén)監控中心

       閘門(mén)監控中心由主計算機、人機接口設備和外圍設備組成。采用臺灣研化PII233/32M/4G工控機作為主計算機,配有專(zhuān)用功能鍵盤(pán)和語(yǔ)音裝置,實(shí)現對閘門(mén)的全面監控。閘門(mén)監控中心主要完成數據處理、安全監視、遠方控制以及自動(dòng)化管理等功能,具體為：

       (1)定斯查詢(xún)和收集集中監控單元上送的運行過(guò)程實(shí)時(shí)信息,生成現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據庫和歷史記錄圖表。

     （2）實(shí)時(shí)更新CRT顯示的工況畫(huà)面的參數;實(shí)時(shí)顯示和閘門(mén)相關(guān)的事件;有故障時(shí),系統通過(guò)電鈴、語(yǔ)音、畫(huà)面顯示報警,給出事故處理指示。

    （3）操作員可通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標對閘門(mén)進(jìn)行遠方控制,即：閘門(mén)起閉控制;閘門(mén)預置開(kāi)度設定。

    （4）系統生成的運行日志、放水流量曲線(xiàn)、操作記錄、運行狀態(tài)等各種報表均可通過(guò)CRT顯示或打印出來(lái)。

     1.2 集中監控單元

       集中監控單元采用集散控制方式,通過(guò)與閘門(mén)監控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據通信接受控制指令,對現地控制單元發(fā)出起閉信號;并通過(guò)安裝在現地的閘門(mén)開(kāi)度儀接受閘門(mén)再地信息,向閘門(mén)監控中心反饋現地運行工況、故障信號等信息。

         集中監控單元采用德國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(diǎn),開(kāi)關(guān)量24路輸入,16路輸出,串口的物理層是RS485接口標準。因系統控制每個(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)系統采用4個(gè)PLC組成總線(xiàn)型分布式控制系統,控制25個(gè)閘門(mén),以主從方式工作。主PLC設計為1個(gè),從PLC設計為3個(gè),主從PLC之間通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)相連。主PLC控制4個(gè)閘門(mén),與閘門(mén)監控中心之間通過(guò)RS485/232轉換器相連。

       1.3 現地監控單元

        閘門(mén)監控系統的現地監控單元的設備有閘門(mén)開(kāi)度傳感器、水位傳感器、閘門(mén)啟閉機電氣控制屏、現地閘門(mén)開(kāi)度儀、水位儀等。

        現地監控單元采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),將微處理器置入傳統的測量控制儀表,使其具有數字計算和數字通信能力,采用5芯屏蔽雙絞線(xiàn)作為總線(xiàn),將多個(gè)智能測控設備（即閘門(mén)開(kāi)度儀、水位儀）連接在網(wǎng)絡(luò )系統,按規范的通信協(xié)議,在位于現場(chǎng)的智能儀表之間以及現場(chǎng)儀表與集中監控單元之間實(shí)現數據傳輸與信息交換,在現場(chǎng)形成全分布式自動(dòng)控制系統。

       閘門(mén)監控系統可在現地通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度儀或水位儀完成預置閘門(mén)開(kāi)度、報警、計算并顯示閘門(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)監控中心應用軟件設計

       閘門(mén)監控中心計算機采用中文Windows98操作系統,Borland Delphi5為界面和數據庫的編程工具,采用多線(xiàn)程編程方式。

       應用軟件設計功能框圖見(jiàn)圖2。

       閘門(mén)監控中心計算機向PLC發(fā)發(fā)的信息有巡檢、數據（預置值和上、下限）、命令、檢錯等。集中監控單元由4個(gè)PLC分別控制多個(gè)閘門(mén),采用串行通信方式,發(fā)送的數據格式見(jiàn)表1。

       表1 發(fā)送數據格式

       表2 應答數據格式

      表3 巡檢應答數據格式

       下面介紹PLC與閘門(mén)監控中心計算機串口通信程序。

        PLC采用西門(mén)子的STEP7軟件編程。首先要對PLC串口進(jìn)行波特率、數據位等初始化設置。“主PLC”與閘門(mén)監控中心計算機以自由口方式通訊,“主PLC”與“從PLC”間以點(diǎn)對點(diǎn)方式通信。當主/從PLC的串口接收到數據時(shí),進(jìn)入接收中斷子程序,首先判斷是否是發(fā)給本PLC,然后執行。當“主PLC讀到閘門(mén)監控中心計算機的數據是發(fā)給自己時(shí),就進(jìn)行數據處理,并發(fā)送應答信息給閘門(mén)監控中心計算機;當讀到的數據是發(fā)給“從PLC”時(shí),就通過(guò)網(wǎng)絡(luò )讀寫(xiě)指令（WNTR、NETW）發(fā)送給“從PLC”。“從PLC”接收到數據后就將后連接的閘門(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)監控中心計算機。

        現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已對傳統的DCS形成了強大的沖擊,在未來(lái)的控制領(lǐng)域發(fā)展中,現場(chǎng)總線(xiàn)及其FCS系統必將顯示出強大生命力,廣泛應用于許多工業(yè)過(guò)程控制中。本文所介紹的閘門(mén)監控系統是一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的分布式系統,是現場(chǎng)總線(xiàn)及其FCS系統在水利樞紐工程中的應用,目前已通過(guò)補步驗收,現場(chǎng)運行狀況良好。