褒河水库闸门控制系统的设计与实现

王刚

1 引言

褒河水库闸门监控系统包括十三扇闸门启闭机，分为三种类型：固定式卷扬启闭机、液压启闭机和螺杆启闭机。闸门自动控制系统主要通过启闭控制褒河水库的八处十三闸门，与水情调度系统交换信息，对闸门的工作状态及各参数进行监视[1～3]。现地控制、集中监控控制都通过控制柜面板上的旋转开关实现，其中，控制优先级中的远方操作低于现地操作。

安装于各闸门闸室内的现地控制单元实时采集各闸门的开度、运行方式、运行状态和闸前水位等数据，一方面向集中监控计算机传送实时数据，同时接收来自集中监控计算机的控制命令，以完成闸门升、降、停等控制及参数采集；另一方面直接操作现地控制单元，完成对闸门升、降、停等控制及闸门参数采集[4,5]。

2 闸门控制系统组网方案

设置网络结构时考虑工业电视监视系统，以对库区及闸门运行过程等重要工位实行监视管理。通过了解褒河水库闸门分布情况、各闸室与中心站相对位置，系统组网方式采用星型结构。在中心站，利用图形矩阵主机光接收设备接受视频信号，并传输到图像监视器上，通过遥视监督，在控制计算机上接收控制信号，从而实现现场与上位机交换数据功能[6]。考虑到闸室和中心站距离较远、水库库区属雷电多发区、视频信号清晰可靠等因素，选用光缆作为本系统的通信介质。

图 1为控制系统组网结构图。采用西门子的S7-200PLC作为现地控制单元PLC，其中， SIMATIC S7-200 系列作为小型可编程序控制器，具有极强通信功能，可应用于大型网络控制系统中。它的编程包括梯形图、功能块图、语句表3种，并有可靠性好、指令丰富、易于掌握、方便操作等特点。内置模块包括高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信、编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由通信方式等。I/O端子排易于拆卸，点数字量I/O最大可扩展到248，模拟量I/O为35路, 程序和、据存储空间最多有26kB[7,8]。

图1 闸门控制系统组网结构图

西门子S7－200 PLC与上位PC机建立通讯，是通过直接连接 PC/PPI电缆方式完成。S7－200 PLC与MCGS通讯需开发驱动程序，以解决PPI协议（西门子公司未公开）这一问题。利用可编程自由口通信模式，在PLC上通过编程转换为类似Mod bus的协议，建立S7－200 PLC与MCGS之间的通讯。自由端口模式用户定义的通信协议可实现连接多种智能设备的功能。自由端口通信与否取决于 CPU所处的状态，其中，CPU处于STOP模式将停止自由端口通信，但是通信口将被强制转换成其它协议模式，以保证可编程控制器的编程和控制的功能可实现。CPU处于RUN模式时自由端口模式使能，通过置1SMB30或SMB130的协议位，则通信端口为自由端口模式。

用SM0.7来控制自由端口模式，设置SM0.7为1时方式开关为RUN，可以选择自由端口模式；SM0.7设置0时方式开关为TERM，此时应选PC/PPI协议模式。自由端口模式下，通常采用主从方式以避免通信中争用通信线的问题，主机为计算机，从机为可编程控制器。可利用 MCGS组态软件提供的开发包作为上位机，通过定义设备的类型、类别、I/O基地址、I/O地址个数和通道个数五个属性，可以完成S7-200 PLC和MCGS之间通信设备的驱动。

3 闸门控制系统程序设计方案

闸门控制方式包括现地手动控制和远方自动控制两种。过转矩和热继电器保护，全开、全关和电源失压报警贯穿闸门启门、闭门和停止的过程。当故障发生后将会发出故障复位信号，以便重新控制闸门。

3.1 闸门继电器控制电路

图2为闸门继电器控制的原理图。闸门具有以下三方面的控制要求：1).可选用远方自动控制或现地手动控制；2).一旦控制过程发生故障，系统必须立即停止工作；3).排除故障之后，若要重新控制闸门，则必须按故障恢复按钮。

图2 闸门继电器控制原理图

3.2 MCGS的组态软件设计

使用 MCGS完成一个实际的应用系统，必须在MCGS的组态环境下进行系统组态生成工作，然后将系统放在MCGS的运行环境下运行。图3为新工程的一般组态过程，水库闸门控制系统主要完成和现场PLC进行实时数据交换，实现对闸门的监视和控制。

系统具体组态包括六个方面：实时显示闸门高度、动态显示水位高度、控制闸门的启、闭、停功能、闸门控制系统警报显示及报表输出、显示闸门控制系统输出曲线、普通用户的权限管理。

图3 MCGS一般组态过程图

3.3 界面组态及对象连接

用户若在系统界面窗口中建立相应的动画连接，主要是通过设置图形对象的组态，来获得反映工业控制过程的实时画面。水库闸门控制系统主控窗口分为状态选择窗口、地点选择窗口两个界面。

图4为系统地点选择窗口图，控制地点选择窗口实现对控制地点的选择监控，系统共分三个地点，退出时各个地点的主控窗口可以选择返回到控制地点选择窗口界面。

图4 地点控制选择窗口图

图5为系统状态选择窗口界面图，状态选择窗口包括以下四个方面的功能：闸门状态显示用以动态显示闸门与实时显示高度；基本控制功能包括闸门的启门、闭门、停止，故障复位控制，还有高度设定和当前高度显示等；基本数据处理的故障报警显示、数据实时报表、实时曲线、历史报表、历史曲线等等功能；安全管理功能及菜单功能等。

图5 退水监控画面图

3.4 对象连接方案及系统控制策略

闸门的状态显示主要由闸门动画构件和百分比构件两个部分构成。在构件库中可添加百分比构件，同时自己制作动画构件完成闸门动画构件并保存于构件库中。生成闸门动画构件包括三个步骤：①调用MCGS中的图元和图符，搭建起具体的闸门模型；②设置图元、图符的属性，可以在对话框中显示按钮动作方式、动画运动方式等；③利用 MCGS中的组合图符命令最终生成需要的闸门动画构件。闸门远程启、闭、停和故障复位控制通过控制台实现，远程操作按钮功能则通过数据对象进行操作，下位机的PLC控制方式决定相应的操作数据，其中按1为设，按0为松。调用相应的用户策略实现上升、下降作用，因此，在属性设置时按钮功能需要设定为执行运行策略块，并且，在下拉菜单中选择对应策略。闸门控制系统应用包括以下三个方面：⑴.需要观察、分析实时数据和历史数据，并最终对数据描绘出变化曲线、总结规律，实时记录、显示故障产生的时间、地点以及消除时间等；⑵.水库闸门控制系统在工程应用中要对来自设备中的采集数据进行存盘、统计、分析，并最终打印出数据报表，将数据报表作为闸门控制系统的最终输出；⑶.利用闸门数据浏览策略完成数据存盘功能，通过在闸门数据浏览策略窗口中添加策略行，并且在策略工具箱中添加存盘数据浏览策略来完成存盘功能。

4 结论

⑴、将本系统应用于褒河水库，通过实际调试和运行测试，系统可以正常、稳定运行，系统运行过程表现出才好的安全性、稳定性和可靠性。

⑵、闸门控制系统在操作方面具有快速性、便捷性，保证向上级部门提供正确决策；同时，闸门控制系统运行可靠性和科学性，体现了水库较高的现代化管理水平、较良好的工作效率。

⑶、闸门控制系统的成功应用为全国建设水利信息化系统打下了牢固的基础，可以发挥较好的社会效益。

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