摘 要：為有效利用水資源，改善水利水電工程中閘門監(jiān)控的多種問題，借助現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、可編程控制器技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、液壓技術(shù)等，研究了一種新型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)閘門監(jiān)控系統(tǒng)。閘門可實現(xiàn)現(xiàn)地控制和遠方監(jiān)控，有效地提高了監(jiān)控實時能力和工作效率。該系統(tǒng)具有可靠性和傳輸速度高、成本低、使用方便和維護性好等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;可編程控制器;監(jiān)控;分層分布式結(jié)構(gòu);閘門 引言 　　我國水資源豐富，水利工程發(fā)展迅速，閘門控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水庫、泵站等水利水電工程，在防洪抗旱、水運調(diào)度發(fā)揮重要作用，也直接經(jīng)濟效益密切相關(guān)。閘門不僅要求對單個現(xiàn)地控制，且由于分組多，須對多個閘門進行室內(nèi)集中控制[1]。傳統(tǒng)的閘門控制系統(tǒng)中一般由集控和現(xiàn)場工作站構(gòu)成，由于各工作單元工作站與集中控制工作站相距甚遠，而且它們之間需傳輸?shù)男畔⒘坑址浅４螅瓜到y(tǒng)成本高、接線多、可靠性低、維護和管理困難。隨著自動控制、通信及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，把遙測遙控、通信及計算機技術(shù)應(yīng)用于閘門是水閘監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容和方向?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)順應(yīng)了控制系統(tǒng)向分布化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化的發(fā)展趨勢，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。在水庫水利工程中，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，融合PLC技術(shù)，計算機技術(shù)，電力電子技術(shù)，自動控制技術(shù)，儀表技術(shù)構(gòu)成一種新型全分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)閘門監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同類型閘門的現(xiàn)地手動控制、現(xiàn)地自動控制、遠程控制，保證水利工程安全有效運行，發(fā)揮最大效益。 　　1 閘門監(jiān)控總體系統(tǒng)設(shè)計 　　整個監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機、下位機模式，組建了遠程集中控制與現(xiàn)地控制相結(jié)合的控制網(wǎng)絡(luò)。將系統(tǒng)分為中心管理控制級和現(xiàn)地控制級，由中心控制單元、現(xiàn)地控制單元、傳動與執(zhí)行單元、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)總體如圖1所示。 [align=center] 圖1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)[/align] 　　系統(tǒng)由中心站計算機統(tǒng)一進行管理，對現(xiàn)地控制級進行自動監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄保存、狀態(tài)報告、下達控制指令及人機界面操作等，而閘門控制站則采用分布式控制，各站在本站主計算機管理下分別由各自獨立的CPU終端管理，獨立完成本號閘門的監(jiān)視、控制以及與主機的通訊等。中心控制級與現(xiàn)地控制級通過現(xiàn)場總線方式連接，中心控制臺有時還具有通過以太網(wǎng)連接與遠程控級監(jiān)控系統(tǒng)的通信功能，作為遠程主控系統(tǒng)的I/O站。 2系統(tǒng)主要模塊設(shè)計 　　2.1中心控制單元 　　中心控制層功能主要是對整個閘門設(shè)備的監(jiān)視、綜合分析、故障信息的分析處理，發(fā)布操作指令、設(shè)定及變更工作方式、記錄、報表、通信控制、系統(tǒng)診斷、修改定值、采用CAN總線與現(xiàn)地LCU通信等功能。CAN總線是一種適于控制領(lǐng)域的單片微機局部網(wǎng)絡(luò)、使用CAN控制器的多機通訊系統(tǒng)具有可實現(xiàn)全分布式多機功能，系統(tǒng)無主、從機之分，通訊方式靈活、可靠性好、通信速率高、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點[2]。閘門中心控制單元由研華工控計算機、CAN卡PCL-841、急?？丶炔糠纸M成，接收所有現(xiàn)地控制單元的信息，并為遠控中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)。集中控制工控機是中心控制單元的核心組成部分，由于計算機不能直接與CAN總線通訊，所以在計算機中必須要有CAN智能適配卡，只有這樣才能與CAN總線通訊。PCL-841卡是一塊專用的CAN通訊卡，能夠提供總線仲裁、錯誤監(jiān)測、以及數(shù)據(jù)自動重發(fā)功能，并且可直接插在PC機的ISA插槽內(nèi)，由PCL-841卡負責(zé)上下位機的總線通訊。 　　2.2現(xiàn)地控制單元（LCU） 　　現(xiàn)地控制單元以高可靠性PLC為控制核心，它由PLC控制裝置、電器控制柜、旋轉(zhuǎn)編碼、顯示操作面板、工業(yè)檢測裝置以及其他的智能儀表等組成?，F(xiàn)地控制單元中的PLC的下端為繼電器等控制部件，而上端是由工業(yè)計算機組成的監(jiān)控中心單元?，F(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2現(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　閘門現(xiàn)地控制單元完成對閘門開啟與關(guān)閉邏輯控制、位置檢測反饋、電機分段開關(guān)邏輯控制，節(jié)點之間的通信傳輸，現(xiàn)地數(shù)據(jù)實時的采集、處理，以及對參數(shù)進行報警和故障判斷等功能。每個PLC控制一定數(shù)量的閘門，各自獨立，功能相同，可以現(xiàn)地和手動方式進行操作完成閘門的控制任務(wù)。電氣控制柜主要采用了雙機熱備份，兩個電機互為備份，它們輪流啟動，這樣充分利用設(shè)備，以確保在任何時刻都能用。這種冗余提高了系統(tǒng)的可靠性、擴展性和適應(yīng)性。每套LCU都配備液晶顯示屏，可實現(xiàn)現(xiàn)地自動操作控制和數(shù)據(jù)實時顯示?，F(xiàn)地LCU能夠?qū)㈤]機進行控制與閘門開度、壓力、油位等的自動化監(jiān)視，并能夠通過PLC串行通信口與中心控制級通信。閘門監(jiān)控系統(tǒng)可在現(xiàn)地通過閘門開度檢測裝置或水位儀完成預(yù)置閘門開度、報警、計算并顯示閘門實際開度等功能。 　　2.3工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。 　　建立視頻監(jiān)視系統(tǒng)，通過切換不同地點的視頻信號直觀監(jiān)視閘門運行現(xiàn)場情況、上下游水面和水流情況等，確保閘門運行現(xiàn)場安全[3]。視頻監(jiān)視系統(tǒng)由工業(yè)攝像設(shè)備、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業(yè)監(jiān)視器、無線通訊設(shè)備等硬件設(shè)備配以多媒體軟件組成，完成對水位、閘門運行過程的重要工位進行監(jiān)視管理。在中心控站端用圖形矩陣主機直接將光接收設(shè)備接受來的視頻信號傳輸?shù)綀D像監(jiān)視器上，控制信號傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C上，實現(xiàn)和上位機的數(shù)據(jù)交換。它具有實時監(jiān)聽、多畫面視頻顯示、云臺鏡頭控制、視頻報警處理、自動錄像的時間表設(shè)置、報警記錄查詢等多種功能，并配有檢索回放軟件，可進行全方位檢索。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括集中控制單元監(jiān)控軟件設(shè)計和現(xiàn)地控制單元PLC程序設(shè)計。PLC完成單臺啟閉機的控制、閘門開度和運行工況信息的采集以及和主站上位機的通信。集中控制單元監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)查詢和瀏覽、數(shù)據(jù)曲線顯示、數(shù)據(jù)和圖形打印、多媒體報警功能以及系統(tǒng)維護等功能。 　　上位機監(jiān)控軟件軟件開發(fā)采用組件（COM或DCOM）技術(shù)。上位機組態(tài)軟件采用北京昆侖的MCGS組態(tài)軟件。它具有操作簡便，功能強大，動態(tài)模擬逼真，通信穩(wěn)定可靠[4]。這樣可以縮短開發(fā)周期。MCGS組態(tài)軟件，是以實時數(shù)據(jù)庫為中心來處理、分析數(shù)據(jù)，以及向下位機發(fā)送指令。同時利用它開放性的特點，調(diào)用shell函數(shù)，執(zhí)行節(jié)點間通訊程序，使整個系統(tǒng)能有效的運行起來。軟件框圖如圖3所示。該軟件由三大部分用戶界面層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)源層構(gòu)成，而每部分又由多個組件組成。用戶界面層主要有四個組件程序和一個主程序，即系統(tǒng)管理組件、圖形監(jiān)控組件、數(shù)據(jù)管理組件、報警系統(tǒng)組件和用戶界面主控程序等。數(shù)據(jù)管理層通過組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)源層和用戶界面層之間雙向傳輸。數(shù)據(jù)源層主要由CAN協(xié)議接口組件和數(shù)據(jù)庫維護與訪問組件組成,它們分別負責(zé)從外部智能單元和現(xiàn)地數(shù)據(jù)庫獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。 [align=center] 圖3綜合自動化軟件框圖[/align] 　　PLC軟件設(shè)計主要是在監(jiān)控中心給出閘門的監(jiān)控量后，按照閘門控制的規(guī)程進行閘門的操作。PLC與閘門監(jiān)控中心計算機以點對點方式通信。PLC首先進行初始化設(shè)置，當(dāng)PLC的接收到數(shù)據(jù)時，進入接收中斷子程序，首先判斷是否是發(fā)給本PLC，然后執(zhí)行，并發(fā)送應(yīng)答信息給閘門監(jiān)控中心計算機;在閘門操作過程中，PLC監(jiān)測啟閉機啟動和運行電流，閘門運動速度、方向等，如發(fā)現(xiàn)異常，停止操作并報警。 4 結(jié)論 　　本系統(tǒng)將現(xiàn)場總線應(yīng)用到水電站閘門控制中，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、現(xiàn)地和遠方閘門控制、水位控制。系統(tǒng)具有接線結(jié)構(gòu)的簡化，成本低、可維護性好、速率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，而且采用模塊化設(shè)計，設(shè)備充分考慮易升級換代，兼容性和聯(lián)網(wǎng)功能，使系統(tǒng)在開放性、互換性好與便于升級、擴展和互聯(lián)。在國內(nèi)新建和老水電站的技術(shù)改造中，閘門工程建設(shè)管理更加合理，更加有效，更加可靠，提供了一種非常理想的解決方案。 參考文獻 　　[1] 蔣元廣. 水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究. 河海大學(xué)，2002.1 　　[2] 王紅雷. CAN總線技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與實現(xiàn). 貴州工業(yè)大學(xué)，2003.6 　　[3] 顧燕，徐立中，孫保平等.給予現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng). 自動化與儀器儀表，2000.5 　　[4] 陳明客. 基于MCGS軟件開發(fā)平臺的集散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 大連理工大學(xué)，2002.3