基于現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng)

       介紹了結(jié)合工程實(shí)際需要而研制的一種基于現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng),內(nèi)容包括：監(jiān)控系統(tǒng)的組成、各部分功能設(shè)計(jì)、可編程控制器（PLC）程序設(shè)計(jì)及閘門監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)等。

       近年來,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)已從集散控制系統(tǒng)（DCS）向現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)使單個(gè)分散的現(xiàn)場設(shè)備通過總線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(tǒng)和控制系統(tǒng),形成控制功能徹底下放到現(xiàn)場的全分布網(wǎng)絡(luò)集成式新型控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了開放式的通信解決方案,使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨于智能化、分布化,也使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為扁平化、集成化,順應(yīng)了技術(shù)發(fā)展的主流方向。

        水利樞紐閘門監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)集散控制系統(tǒng)。由于樞紐現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣。如采用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)與現(xiàn)地設(shè)備通信,雷電、噪聲等干擾信號(hào)將不可避免地影響到模擬信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量;而現(xiàn)場總線系統(tǒng)的現(xiàn)地設(shè)備采用的傳感器和二次儀表,具有A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出等功能,可將現(xiàn)地采集的信息直接以數(shù)字量形式輸出,而數(shù)字信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能力,因此大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。并且可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜,也減少了工程造價(jià)與維護(hù)費(fèi)用。

       本文介紹的閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線與DCS網(wǎng)絡(luò)集成的方法對(duì)多個(gè)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控、集中監(jiān)控與現(xiàn)地監(jiān)控。

      1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)的組成及功能

       閘門監(jiān)迭系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu),即由閘門監(jiān)控中心（遠(yuǎn)方）、集中監(jiān)控單元和現(xiàn)地監(jiān)控單元（現(xiàn)地控制屏）組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

      1.1 閘門監(jiān)控中心

       閘門監(jiān)控中心由主計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口設(shè)備和外圍設(shè)備組成。采用臺(tái)灣研化PII233/32M/4G工控機(jī)作為主計(jì)算機(jī),配有專用功能鍵盤和語音裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的全面監(jiān)控。閘門監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)視、遠(yuǎn)方控制以及自動(dòng)化管理等功能,具體為：

       (1)定斯查詢和收集集中監(jiān)控單元上送的運(yùn)行過程實(shí)時(shí)信息,生成現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史記錄圖表。

     （2）實(shí)時(shí)更新CRT顯示的工況畫面的參數(shù);實(shí)時(shí)顯示和閘門相關(guān)的事件;有故障時(shí),系統(tǒng)通過電鈴、語音、畫面顯示報(bào)警,給出事故處理指示。

    （3）操作員可通過鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)方控制,即：閘門起閉控制;閘門預(yù)置開度設(shè)定。

    （4）系統(tǒng)生成的運(yùn)行日志、放水流量曲線、操作記錄、運(yùn)行狀態(tài)等各種報(bào)表均可通過CRT顯示或打印出來。

     1.2 集中監(jiān)控單元

       集中監(jiān)控單元采用集散控制方式,通過與閘門監(jiān)控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接受控制指令,對(duì)現(xiàn)地控制單元發(fā)出起閉信號(hào);并通過安裝在現(xiàn)地的閘門開度儀接受閘門再地信息,向閘門監(jiān)控中心反饋現(xiàn)地運(yùn)行工況、故障信號(hào)等信息。

         集中監(jiān)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(qiáng)等特點(diǎn),開關(guān)量24路輸入,16路輸出,串口的物理層是RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。因系統(tǒng)控制每個(gè)閘門需要8入3出開關(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)輸出模塊來控制7個(gè)閘門。PLC開關(guān)量輸入為：閘門的升、降、全開、全關(guān)狀態(tài);電源狀態(tài);過熱;過載等。開關(guān)量輸出為閘門的升、降、停等。整個(gè)系統(tǒng)采用4個(gè)PLC組成總線型分布式控制系統(tǒng),控制25個(gè)閘門,以主從方式工作。主PLC設(shè)計(jì)為1個(gè),從PLC設(shè)計(jì)為3個(gè),主從PLC之間通過屏蔽雙絞線相連。主PLC控制4個(gè)閘門,與閘門監(jiān)控中心之間通過RS485/232轉(zhuǎn)換器相連。

       1.3 現(xiàn)地監(jiān)控單元

        閘門監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地監(jiān)控單元的設(shè)備有閘門開度傳感器、水位傳感器、閘門啟閉機(jī)電氣控制屏、現(xiàn)地閘門開度儀、水位儀等。

        現(xiàn)地監(jiān)控單元采用現(xiàn)場總線技術(shù),將微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表,使其具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力,采用5芯屏蔽雙絞線作為總線,將多個(gè)智能測(cè)控設(shè)備（即閘門開度儀、水位儀）連接在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),按規(guī)范的通信協(xié)議,在位于現(xiàn)場的智能儀表之間以及現(xiàn)場儀表與集中監(jiān)控單元之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換,在現(xiàn)場形成全分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)。

       閘門監(jiān)控系統(tǒng)可在現(xiàn)地通過閘門開度儀或水位儀完成預(yù)置閘門開度、報(bào)警、計(jì)算并顯示閘門實(shí)際開度或上、下游水位高度等功能;直接通過現(xiàn)地控制屏上的控制按鈕進(jìn)行閘門起閉操作。

       2 閘門監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

       閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)采用中文Windows98操作系統(tǒng),Borland Delphi5為界面和數(shù)據(jù)庫的編程工具,采用多線程編程方式。

       應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)功能框圖見圖2。

       閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)發(fā)的信息有巡檢、數(shù)據(jù)（預(yù)置值和上、下限）、命令、檢錯(cuò)等。集中監(jiān)控單元由4個(gè)PLC分別控制多個(gè)閘門,采用串行通信方式,發(fā)送的數(shù)據(jù)格式見表1。

       表1 發(fā)送數(shù)據(jù)格式

       表2 應(yīng)答數(shù)據(jù)格式

      表3 巡檢應(yīng)答數(shù)據(jù)格式

       下面介紹PLC與閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)串口通信程序。

        PLC采用西門子的STEP7軟件編程。首先要對(duì)PLC串口進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位等初始化設(shè)置。“主PLC”與閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)以自由口方式通訊,“主PLC”與“從PLC”間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式通信。當(dāng)主/從PLC的串口接收到數(shù)據(jù)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(zhí)行。當(dāng)“主PLC讀到閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是發(fā)給自己時(shí),就進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并發(fā)送應(yīng)答信息給閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī);當(dāng)讀到的數(shù)據(jù)是發(fā)給“從PLC”時(shí),就通過網(wǎng)絡(luò)讀寫指令（WNTR、NETW）發(fā)送給“從PLC”。“從PLC”接收到數(shù)據(jù)后就將后連接的閘門的開度和升、降、停及故障狀態(tài)發(fā)送給“主PLC”,由它發(fā)送給閘門監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

        現(xiàn)場總線技術(shù)已對(duì)傳統(tǒng)的DCS形成了強(qiáng)大的沖擊,在未來的控制領(lǐng)域發(fā)展中,現(xiàn)場總線及其FCS系統(tǒng)必將顯示出強(qiáng)大生命力,廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)過程控制中。本文所介紹的閘門監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)場總線的分布式系統(tǒng),是現(xiàn)場總線及其FCS系統(tǒng)在水利樞紐工程中的應(yīng)用,目前已通過補(bǔ)步驗(yàn)收,現(xiàn)場運(yùn)行狀況良好。