南昌昌北闸门控制系统设计

叶建雄，刘萍先，李志彪

南昌昌北闸门控制系统设计

叶建雄，刘萍先，李志彪

（南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌 330099）

南昌市昌北闸门控制系统负责南昌市整个昌北地区的防洪排涝任务，以其中的前湖电排站为例，详细介绍了基于工业以太网的闸门群组控制系统的组成结构、现场控制所用的PLC选型依据，结合程序流程图给出了现场控制程序的编制原则和部分程序实例，介绍了基于工业以太网的WinCC组态软件的设计方法，给出了部分控制界面。根据“数字昌北”的扩展性要求，系统在结构上具有良好的延展性，采取软硬件结合的方式保证其响应速度，投入运行以来工作稳定可靠，降低了人工操作的危险性和不准确性，减轻了人员的劳动强度，实现了预期的目标，得到了用户的高度肯定。

闸门群组控制；PLC；WinCC；以太网

1 研究背景

南昌市红谷滩新区汇集了众多政府部门和高校，包括机场公路、高速公路、国道和多条市区主干道穿过。随着常住人口的急剧增加，该片区的防洪排涝压力也在同步增长，原有控制系统难以满足当前的要求，为此南昌市昌北防洪排涝管理处专门前往水利部太湖流域管理局、珠江水利委员会等处调研，在参考当前国内众多先进可靠技术和工程实例的基础上［1－3］，确定了系统改造的总体方案：以工业以太网为基础、工业计算机为监控设备、可编程控制器为现场控制单元的分层的网络化集中控制系统。

本文主要分成以下3个部分：首先介绍了工业以太网的拓朴结构、硬件构成及设置细节；然后以南昌市昌北管理处所辖电排站之一的前湖电排站为例，详细介绍了现场PLC控制系统设计方法；最后介绍了基于WinCC组态软件的设计过程。通过以上3个方面的阐述，系统全面地给出了整套系统的实现方法和过程，希望对同行能起到抛砖引玉的作用。

2 系统结构及以太网设计

前湖电排站是管理处较大的一个站，管理着4个闸门群组：进水闸、截制闸、防洪闸和前湖大坝闸。其中较远的前湖大坝距控制中心约12 000 m，前期的闸门控制系统由不同的单位设计，控制设备与智能检测设备种类多，设备间协议不统一，设备兼容性差、运行不稳定，使得系统维护很困难。由于以前的网络技术落后，不但有较大的操作延时，而且在运行中会出现PLC与上位机通信中断的现象，对安全生产带来隐患。

在综合国内外主流控制系统优点的前提下［4－9］，提出了以下设计方案：将整套控制系统按被控制对象层、PLC控制器层、网络通讯层、组态监控层4层架构设计，分别定义各层的功能和相互之间的硬件及逻辑接口。其中工业以太网作为纽带，在逻辑上将各层联系在一起，要求有符合实时响应的通信速率和对工频干扰、雷击瞬间高压干扰的有效抵制；PLC控制层完成对被控对象的控制功能，支持现场和远程控制方式的切换，程序设计按模块化方法进行，要求结构清晰且能接收上位机的指令，同时将现场信号上传给组态软件；组态监控软件作为人机操作界面，要求画面直观友好，操作简单并实现数据归档和报表生成。基于以上的任务分解，设计了图1所示的系统结构。

由图1可知，整个系统以工业以太网为支撑，底层现场设备通过交换机与分站点的主机相连，各分站点再通过有线或无线的路由器与分信息中心相连，分信息中心负责将各站点的信息传往主信息中心。工业网络不但技术成熟，可靠性高，速度快，而且扩展性好，只要确保后续的站点、网络摄像机所用的IP地址与上位机所在的网段一致且不与已有设备的IP地址冲突，理论上在一个网段内增添253台设备；光端机包括光发射机和光接收机，对于视频信号，它的传送是单向的，仅按前端设备——交换机——光发射机——光接收机的方向传输，又称正向传输；而对摄像机云台的控制，上位机与PLC之间的通信是双向的，一对光端机可以实现8路正向视频信号和2路高速异步数据信号，由于采用工业级SMT工艺，不但传输速率快，而且可达到演播级传输质量，线路上亦不再受到外部电波干扰的影响。

图1 控制系统组成结构图Fig.1 Structure of the control system

组网中各电排站与分信息中心之间的路由器还采用了VPN技术构建通信隧道，即通过标准的IPSec VPN构建私有专网，不但可以保证通信速度，而且可以提高通信的安全，工程中选用H3C ER3100企业级VPN宽带路由器建立电排站与分信息中心之间的透明传输。各电排站内一般采用有线网络连接方式，如前湖站内根据进水闸、节制闸、防洪闸等与分控制中心距离的不同，分别采用网线、光纤及光端机的硬件接线方式，其中网线采用交叉接法而不用平行线，以提高数据的驱动能力。光端机采用HTB－1100S高速转换器，连接上位机与分支设备的中心交换机采用深圳Tenda公司的具有平行／交叉线自动识别、MAC地址自动学习的百兆级网络交换机S108，计算机中也采用百兆级网卡，如此配置后整个网络的通讯速率主要受限于PLC。

西门子S7－300系列PLC可以扩展速率达10／100 Mbps的工业以太网模块CP343－1，它支持TCP／IP协议，并通过背板总路线与PLC主机进行高速通信，故经过比较，决定采用西门子S7－300系列PLC和成套的WinCC组态软件进行控制系统的构建［10］。具体的PLC机型包括CPU314IFM，CPU315和CPU313C，通过对以太网模块MAC地址和IP地址的设置，就可将对应的PLC接入控制网络。

3 现场控制系统设计

现场控制是实现自动化的基础，它必须完成控制方式的切换、闸门的上升、下降与和停止、闸位的计算和故障判断、与上位机的通讯等功能，出现软硬件异常时能够立即停机报警［11－12］。结合进水口6扇闸门的控制进行如下说明。

3.1 PLC的硬件设计

对PLC而言，每扇闸门的输入开关量包括上升、下降、停止状态、紧急停机、切换开关的手动及自动、过流保护、上下限位共计8点；输出开关量包括上升、下降、停止命令共计3点；模拟量为闸位计开度仪的4－20 mA直流输出，选用了昆仑公司的拉绳式位移传感器，它将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号，其量程为10 m，线性精度最大0.01%，分辨率达1 mm，能够在户外直接使用。表1是进水口所需开关量和模拟量的汇总。

表1 开关量及模拟量表Table 1 Input／output and analog variables

综合表1所示需求，在此选用西门子S314 IFM型高速CPU。它的性能指标为32 KB工作内存、0.3 ms／1 000条指令、20路DI和16路DO并集成有4路AI。订货号为6ES7314－5AE03－0AB0。在此基础上再扩展2块16路的DI模块6ES7 321－1BH01－0AA0，1块8路12位的AD采样模块6ES7 331－7KF02－0AB0以及1块CP343－1工业以太网模块6GK7 343－1EX00－OXE0。将各模块插入到专用的背板后再通过SIMATIC软件进行硬件组态就可使用。

3.2 PLC的软件设计

为实现对现场设备的控制，首先需要确定资源分配，除PLC的内存资源外，最主要的是输入／输出量及模拟量的分配，只有确定了对应关系后才能将外部设备与控制器进行连接。表2是PLC的部分资源分配表。

表2 部分PLC资源分配表Table 2 A llocation of PLC resources

其次是进行程序的总体规划，应采用模块化设计方法。因为PLC是采用循环扫描方式进行工作的，所以在主控程序OB1中按需要调用所需的功能子程序，此方式不但可以加快控制速度，而且可以方便程序的设计和现场调试。图2、图3给出了基于模块化设计方法的OB1流程图和进行闸门运行状态故障检测的FC7的流程图。

最后将功能模块封装为FC块或FB块。图4为FC4编程的自动范围检测框图。当控制方式为预设启动时，自动地将当前闸门的实际位置与预设值进行比较，到达设定位置时自动停止，在调用之前只需将各闸门对应的上限位开度、下限位开度及当前闸位值对应的单元输入即可完成各闸门的自动判断。

图2 OB1主控流程图Fig.2 Procedures of OB1 master control program

4 组态软件设计

WinCC是由西门子公司与微软公司共同开发的基于Windows操作系统的HMI系统，可与属于SIMATIC产品家族的自动化系统十分协调地进行工作，其主要特点为：

（1）通过标准化接口，WinCC可与其它IT解决方案交换数据，例如MES和ERP应用程序，或诸如Microsoft Excel以及SQL Server等程序。

（2）开放的WinCC编程接口允许用户连接自己的程序，从而能够控制过程和过程数据。

（3）可以优化定制WinCC，以满足过程的需要。支持大范围的组态可能性，从单用户系统和客户机－服务器系统一直到具有多台服务器的冗余分布式系统。且组态方式在完成后也可随时修改。

图3 FC7闸门1故障处理流程图Fig.3 Flow chart of fault treatment for FC7 gate 1＃

图4 基于FC4编程的自动范围检测框图Fig.4 Automatic range checking based on FC4 programm ing

（4）WinCC是一种与Internet兼容的HMI系统，这种系统容易实现基于Web的客户机解决方案以及瘦客户机解决方案。

为使用WinCC，首先安装TCP／IP协议集，并在此协议下建立与各站点CP343的连接，成功之后再根据相应站点中PLC资源分配情况定义所用的全部变量，然后进行画面设计，见图5。主要包括：导航画面、各闸门群组的显示界面和操作界面、报表和打印界面。为了系统的安全起见，还要对用户进行管理，主要包括：用户名和对应的登录密码。为此还要有用户管理界面，为使WinCC在使用中更加人性化，借助VBScript-Editor，C-Editor对于报警画面、警示画面进行动态调用和显示，并和SQLSevere2005进行动态数据交换，进一步增强了系统的功能和人机交互的友好性。

图5 操作画面设计Fig.5 Screenshots of the configuration of PLC，data query，and sluice gate operation

5 结 论

利用光纤作为传输介质构建了高速工业以太网，基于西门子公司的S7－300 CPU 314IFM PLC、扩展模块和WinCC组态软件，完成了南昌市昌北前湖电排站的集中控制系统。本系统采用“自顶向下”的设计原则进行规划，具有扩展性好、响应速度快、调试及检修方便等优点。

系统投入运行以来工作稳定可靠，不但减少了运行和维护的工作量，而且显著减轻了运行人员的劳动强度，降低了人工误操作的可能性，得到了用户的肯定。

［1］ 叶 健.深入贯彻省委一号文件精神，扎实推进江苏水利现代化建设［J］.江苏水利，2011，（6）：7－8，11.（YE Jian.To Better Implement Provincial Spirit of the Documents，To Boost Jiangsu Water Modernization［J］.Journal of Jiangsu Water Resources，2011，（6）：7－8，11.（in Chinese））

［2］ 蔡 阳.水利信息化发展“十二五”规划编制应着力把握的几个问题［J］.水利信息化，2010，（2）：1－3.（CAIYang.Key Points in Working out the Twelfth Fiveyear Plan ofWater Resources Informatization Development［J］.Water Resources Informatization，2010，（2）：1－3.（in Chinese））

［3］ 孙 书.“十二五”广东水利信息化建设基本思路［J］.广东水利水电，2011，（8）：108－110，114.（SUN Shu.Basic Ideas of ConstructingWater Informatization in Guangdong Province for the Twelfth Five-Year Plan［J］.Journal of Guangdong Water Resources and Hydropower，2011，（8）：108－110，114.（in Chinese））

［4］ 刘 青.基于Profibus DP总线技术的闸门控制系统［J］.PLC＆FA，2007，（4）：55－56，76.（LIU Qing.Sluice Gate Control System Based on PLC［J］.Journal of PLC＆FA，2007，（4）：55－56，76.（in Chinese））

［5］ 牛广文，边玉国.PLC与组态软件在闸门监控系统中的应用［J］.低压电器，2007，（13）：24－26，42.（NIU Guang-wen，BIAN Yu-guo.Realization of the Sluice Supervisory and Control System Based on PLC and Configuration Software［J］.Low Voltage Apparatus，2007，（13）：24－26，42.（in Chinese））

［6］ 刘小力，高 祥.嵌入式系统在闸门控制中的应用［J］.水电自动化与大坝监测，2009，33（1）：76－78.（LIU Xiao-li，GAO Xiang.Design of Embedded Linux in Gate Control System［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2009，33（1）：76－78.（in Chinese））

［7］ 蒋从军，金平夹.基于以太网的水利闸门数据采集和系统监控［J］.水利水电施工，2009，（3）：82－84.（JIANG Cong-jun，JIN Ping-jia.Data Acquisition and System Monitoring for Sluice Gate Based on Ethernet［J］.Journal of Water Hydropower Construction，2009，（3）：82－84.（in Chinese））

［8］ 陈 敏，吴荣斌.某城区排涝泵站工程给排水设计［J］.有色冶金设计与研究，2009，30（3）：72－75.（CHEN Min，WU Rong-bin.Water Supply and Drainage Design for an Urban Pump Station［J］.Nonferrous Metals Engineering＆Research，2009，30（3）：72－75.（in Chinese））

［9］ 闫 琦，刘 榕，马程程.万安水利枢纽泄洪闸门群控功能的实现［J］.水电自动化与大坝监测，2010，34（1）：84－86.（YAN Qi，LIU Rong，MA Cheng-cheng.Implementation of Flood Discharge Strobe Group Control Function for Wan’an Hydro-junction［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（1）：84－86.（in Chinese））

［10］叶建雄，刘萍先.南昌昌北分布式排涝控制系统设计［J］.人民黄河，2011，33（10）：108－109，112.（YE Jian-xiong，LIU Ping-xian.Design of Distributed Control System forWaterlog-Discharge Stations in North Nanchang［J］.Yellow River，2011，33（10）：108－109，112.（in Chinese））

［11］贾振国.灌区闸门模糊控制器设计与应用［J］.中国农村水利水电，2011，（3）：106－108，112.（JIA Zhenguo.Design and Application of Fuzzy Controller to Irrigation Gate Control［J］.China RuralWater and Hydropower，2011，（3）：106－108，112.（in Chinese））

［12］粟 恺.老龙口水电厂启闭机和闸门自动监控系统应用［J］.水电能源科学，2011，29（3）：145－146，88.（SU Kai.Application of Hoist and Gate Automatic Monitoring System for Laolongkou Hydropower Plant［J］.Water Resources and Power，2011，29（3）：145－146，88.（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Design of Control System for Sluice Gates in Changbei，Nanchang

YE Jian-xiong，LIU Ping-xian，LIZhi-biao
（Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

The control system of sluice gates in Changbei ismainly responsible for the flood control and drainage in the Changbeidistrictof Nanchang city.Taking the Qianhu Electric Drainage Station as a case study，we present the structure of the control system which is based on industrial Ethernet and is in linewith the criteria for choosing PLC（Programmable Logic Controller）.The principle of local control program and some of the program examples are also stated according to the programming flowchart.What’smore，we introduce the design method of the industrial-Ethernet-based WinCC configuration software，and give examples of the control interfaces.In linewith the requirements for developing“Digital Changbei”，the system iswell extensible.The combination of software and hardware ensures the response speed of the system.Since its operation，the system has been working reliably.Italso reduces the perils and inaccuracy of human operation and lessens human labor.This system accomplishes its goals and wins high reputation among clients.

sluice gates control；PLC；WinCC；Ethernet

TP183

A

1001－5485（2012）12－0109－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.022 2012，29（12）：109－112，118

2012－08－16

江西省教育厅科技项目（GJJ12627）；江西省自然科学基金项目（2010GZC0144）；中国博士后科学基金（20080441085）

叶建雄（1969－），男，江西乐平人，副教授，研究方向为水利自动化及控制工程，（电话）13870065016（电子信箱）xlpyjx＠163.com。