姜偉+李守軍+于紅

[摘 ?要]提高水利工程自動化水平對國家水利發(fā)展具有重要意義。針對海河下游管理局屈家店樞紐工程閘門控制急需提高自動化水平的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的閘門監(jiān)視控制自動化系統(tǒng)。提出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電氣驅(qū)動設(shè)計(jì)方案，絕對值編碼器的譯碼原理以及監(jiān)視控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)庫變量建立方法，軟硬件通道連接方法及運(yùn)行策略的設(shè)計(jì)思路。全數(shù)字化的工業(yè)以太網(wǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與實(shí)效性。

[關(guān)鍵詞]PLC;編碼器;MCGS;閘門控制;工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類號：TP317 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0008-02

1 工程背景

屈家店樞紐位于天津市北辰區(qū)屈家店東北，由永定新河節(jié)制閘、北運(yùn)河節(jié)制閘、新引河進(jìn)洪閘組成，是控制永定河、北運(yùn)河洪水泄入海河，確保天津市區(qū)安全的國家一級水利工程[1]。其中，永定新河進(jìn)洪閘工作閘門11孔，墩厚1.2m，閘孔總寬119.8m。機(jī)架橋面上設(shè)輕型啟閉機(jī)房，閘室上游布置工作門及上下游檢修槽，閘墩和檢修橋面高程8.9m。下游為凈寬7.0m的交通橋，高程8.2m。

隨著科技發(fā)展和社會進(jìn)步，屈家店閘門自動化控制系統(tǒng)設(shè)備落后，智能化水平較低，信息不能快速集成，已不能滿足城市水利發(fā)展的需要[2]。因此，對老舊設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一套新的閘門監(jiān)視控制系統(tǒng)在國家水利工程建設(shè)中具有重要意義。閘門自動化工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)較高，從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到控制器選擇、傳感器設(shè)計(jì)制造要堅(jiān)持高可靠性、穩(wěn)定性原則。

2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

屈家店閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)由11孔閘門的現(xiàn)地控制單元（LCU—Local Control Unit）組成。采用全網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化的工業(yè)以太網(wǎng)總線架構(gòu)。11孔閘門的開度由自已設(shè)計(jì)的采用格雷碼編碼方案的絕對值型編碼器采集，經(jīng)由現(xiàn)地閘門開度儀轉(zhuǎn)換成RS485數(shù)字信號送至現(xiàn)地控制單元PLC（Schneider Twido TWDLCAE40DRF）帶有以太網(wǎng)接口。最后由11個工業(yè)交換機(jī)互聯(lián)成網(wǎng)，并與監(jiān)控室的交換機(jī)互聯(lián)，進(jìn)一步與閘管處的計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成一體化的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)總線控制架構(gòu)。這種架構(gòu)穩(wěn)定、可靠、高效;是目前現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的最高形式。北京昆侖通態(tài)的MCGS 10.2英寸觸摸屏（TPC1061Ti）也帶有以太網(wǎng)RJ45接口，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡單，效率較高，人機(jī)交互更加友好。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)電氣驅(qū)動設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要要完成兩部分的設(shè)計(jì)：其一、手動控制電氣原理圖設(shè)計(jì);其二、自動控制原理圖設(shè)計(jì)[3]。手動控制由LCU柜上的控制按鈕控制，自動控制由Schneider Twido PLC控制。被控對象為交流電機(jī)，其安裝與規(guī)格不在此設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，在此主要考慮控制電路對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)。包括閘門控制回路與信號指示回路。閘門控制回路包括上升、下降的手動與自動控制。兩電路互鎖，以保證系統(tǒng)安全。KM11、KM12為交流接觸器，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。SGP11、SGP12為上限位與下限位機(jī)械開關(guān)，避免系統(tǒng)極限故障。SA1為系統(tǒng)權(quán)限開關(guān)，控制面板上的4個位置分別代表“切除”、“現(xiàn)地”、“控制室”、“管理處”4個狀態(tài)。權(quán)限開關(guān)打到不同的位置代表不同的控制權(quán)限。

信號回路用于閘門的狀態(tài)監(jiān)視。當(dāng)閘門處于上升、下降、停止等狀態(tài)時，對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

3.2 絕對值型編碼器設(shè)計(jì)

合理精度的編碼器是閘門開度測量的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的編碼器采用絕對值方案，即編碼器具有掉電參數(shù)記憶功能[4]。另外，編碼采用格雷碼，相鄰碼位之間僅一位數(shù)字不同，誤碼率大大降低，倍數(shù)越多，效果越明顯。編碼器采用19線，第1～15線為有效數(shù)據(jù)位，第19線為公共端。采用19芯航空連接至開度儀表。

碼制轉(zhuǎn)換流程：

（1）將低位L8～L1轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制B8～B1（產(chǎn)生低位二進(jìn)制碼）。

方法：二進(jìn)制碼的最高位等于格雷碼的最高位，二進(jìn)制碼的其余位等于高位二進(jìn)制碼與本格雷碼按位進(jìn)行異或邏輯運(yùn)算。

（2）將高位H7～H1轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制B7/～B1/（產(chǎn)生高位二進(jìn)制碼）。

方法同（1）。

（3）把二進(jìn)制B7/～B1/與與由L8產(chǎn)生的7位二進(jìn)制碼（當(dāng)L8=0時，7位二進(jìn)制碼為000 0000，當(dāng)L8=1時，7位二進(jìn)制碼為111 1111）進(jìn)行二進(jìn)制相加運(yùn)算，結(jié)果表示B15～B9，去掉最末位B9，產(chǎn)生高位二進(jìn)制B15～B10。

（4）把高位二進(jìn)制B15～B10.與低位二進(jìn)制B8～B1拼接組成碼制轉(zhuǎn)換結(jié)果的14位二進(jìn)制數(shù)字量B15～B10 B8～B1。

測試案例：

在原碼顯示時，19芯插頭各腳信號對應(yīng)數(shù)據(jù)顯示值：

第1根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為1;第2根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為3;第3根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為7;第4根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為15;第5根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為31;第6根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為63;第7根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為127;第8根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為16383;第9根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為0;第10根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為256;第11根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為768;第12根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為1972;第13根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為3840;第14根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為7936;第15根數(shù)據(jù)線與公共點(diǎn)短接輸出為16128。

4 MCGS監(jiān)視軟件設(shè)計(jì)

4.1 界面設(shè)計(jì)

現(xiàn)場11個LCU（Local Control Unit）通過西門子工業(yè)交換機(jī)與位于監(jiān)控室內(nèi)的上位監(jiān)控主機(jī)連接。實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)SCADA（Supervisory Control & Data Access）是閘門控制與水情測報(bào)的關(guān)鍵?；诖?，要求開發(fā)出既能實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，又便于快速開發(fā)及系統(tǒng)后續(xù)升級維護(hù)的監(jiān)控軟件是必須的，而MCGS組態(tài)軟件很好的滿足這一要求。采用MCGS設(shè)計(jì)的軟件主界面如圖2所示。每孔閘門的狀態(tài)信息可以實(shí)時監(jiān)測顯示，形象而直觀，觸摸屏與上位機(jī)采用一致的設(shè)計(jì)風(fēng)格，簡化操作人員的操作，友善的人機(jī)界面改善了自動化的操控性能?？刂平缑娴脑O(shè)計(jì)與此類同。

根據(jù)系統(tǒng)要求，需要完成水情信息記錄，閘門動作記錄，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸入庫管理，報(bào)表打印與記錄。而MCGS組態(tài)軟件的策略設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效與實(shí)時信息處理的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效管理數(shù)據(jù)的保證。論文重點(diǎn)從這兩點(diǎn)來論述策略的實(shí)現(xiàn)。

4.2 MCGS數(shù)據(jù)處理策略

高效的MCGS數(shù)據(jù)處理策略關(guān)系到系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[5]。本設(shè)計(jì)包括建立數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變量，系統(tǒng)運(yùn)行時數(shù)據(jù)處理策略。

4.2.1 數(shù)據(jù)庫變量的建立

建立的數(shù)據(jù)庫為Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫簡單而易于維護(hù)[6]。表1給出了MCGS實(shí)時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表格變量，工程有效變量17個，包括操作權(quán)限、電機(jī)狀態(tài)、過載、遠(yuǎn)方、閘門狀態(tài)等;其余變量如data、test等為調(diào)試用的中間變量。由于每孔LCU電氣設(shè)計(jì)完全相同，所以對應(yīng)的變量設(shè)計(jì)也完全一樣。

4.2.2 數(shù)據(jù)庫變量與PLC變量的通道連接

要完成PLC開度與水情信息的采集或上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令下達(dá)，必須要編寫驅(qū)動程序。由于驅(qū)動程序可以采用MCGS自帶的設(shè)備驅(qū)動，所以，只要完成數(shù)據(jù)庫實(shí)時變量與PLC變量的通道連接工作即可。

打開MCGS設(shè)備驅(qū)動工具箱，將“通用TCP/IP父設(shè)備”選進(jìn)工具箱，然后設(shè)置通信參數(shù)，最小采集周期默認(rèn)值為1000ms，可以調(diào)整該參數(shù)，但不能太小，否則系統(tǒng)響應(yīng)速度跟不上，一般不能低于100ms。網(wǎng)絡(luò)類型要選擇：TCP。本機(jī)IP地址指的是觸摸屏或上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的IP地址，遠(yuǎn)方地址指的是所連接的PLC的IP地址。只有正確設(shè)備才能保證連接無誤。

然后，將“標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信子設(shè)備”選進(jìn)工具箱，并置于“通用TCP/IP父設(shè)備”之下。然后設(shè)置參數(shù)，并完成通道連接。如“手動”對應(yīng)PLC內(nèi)部的開關(guān)量地址%M0，“現(xiàn)地”對應(yīng)PLC內(nèi)部的開關(guān)量地址%M1，即MCGS數(shù)據(jù)庫中的實(shí)際地址編號為PLC中M區(qū)位地址編號加1。100XX表示只讀開關(guān)量，000XX表示讀寫開關(guān)量，3DF00XX表示只讀模擬量，4DF00XX表示讀寫模擬量。

4.2.3 實(shí)時數(shù)據(jù)處理策略

水文數(shù)據(jù)日報(bào)表，水文數(shù)據(jù)月報(bào)表，閘門動作報(bào)表等信息獲取，必須通過編寫策略來實(shí)現(xiàn)。圖4給出了本工程設(shè)計(jì)的5類策略，屬于MCGS循環(huán)策略，周而復(fù)始的執(zhí)行策略行。策略循環(huán)時間可任意設(shè)置，如設(shè)置成500ms，則每500ms執(zhí)行一次策略行。具體實(shí)現(xiàn)不再贅述。

5 結(jié)語

屈家店閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用了全新的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高性能的法國Schneider Twido PLC，在MCGS組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時水文數(shù)據(jù)采集與閘門升降控制，完成了信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，報(bào)警報(bào)表。現(xiàn)在系統(tǒng)已順利完成調(diào)試，投入運(yùn)用以來，穩(wěn)定，可靠，實(shí)時性能均有突出表現(xiàn)，對閘門控制與信息處理自動化工程建設(shè)具有重要的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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