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，借助現場總線技術、以太網技術、可編程控制器技術、電氣控制技術、傳感器技術、液壓技術等，研究了一種新型分布式網絡結構閘門監(jiān)控系統(tǒng)。閘門可實現現地控制和遠方監(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。 關鍵詞：現場總線;可編程控制器;監(jiān)控;分層分布式結構;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)廣泛應用于水庫、泵站等水利水電工程，在防洪抗旱、水運調度發(fā)揮重要作用，也直接經濟效益密切相關。閘門不僅要求對單個現地控制，且由于分組多，須對多個閘門進行室內集中控制[1]。傳統(tǒng)的閘門控制系統(tǒng)中一般由集控和現場工作站構成，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的信息量又非常大，使系統(tǒng)成本高、接線多、可靠性低、維護和管理困難。隨著自動控制、通信及計算機技術的不斷發(fā)展，把遙測遙控、通信及計算機技術應用于閘門是水閘監(jiān)控系統(tǒng)的主要內容和方向?，F場總線控制系統(tǒng)順應了控制系統(tǒng)向分布化、網絡化、集成化和智能化的發(fā)展趨勢，現已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。在水庫水利工程中，采用現場總線技術，融合PLC技術，計算機技術，電力電子技術，自動控制技術，儀表技術構成一種新型全分布式網絡結構閘門監(jiān)控系統(tǒng)，可實現不同類型閘門的現地手動控制、現地自動控制、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地控制相結合的控制網絡。將系統(tǒng)分為中心管理控制級和現地控制級，由中心控制單元、現地控制單元、傳動與執(zhí)行單元、網絡通信設備和工業(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)的總體結構[/align] 　　系統(tǒng)由中心站計算機統(tǒng)一進行管理，對現地控制級進行自動監(jiān)視、數據記錄保存、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。中心控制級與現地控制級通過現場總線方式連接，中心控制臺有時還具有通過以太網連接與遠程控級監(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總線與現地LCU通信等功能。CAN總線是一種適于控制領域的單片微機局部網絡、使用CAN控制器的多機通訊系統(tǒng)具有可實現全分布式多機功能，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、急停控件等部分組成，接收所有現地控制單元的信息，并為遠控中心提供數據服務。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、以及數據自動重發(fā)功能，并且可直接插在PC機的ISA插槽內，由PCL-841卡負責上下位機的總線通訊。 　　2.2現地控制單元（LCU） 　　現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。現地控制單元中的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。現地控制單元結構圖如圖2所示。 [align=center] 圖2現地控制單元結構圖[/align] 　　閘門現地控制單元完成對閘門開啟與關閉邏輯控制、位置檢測反饋、電機分段開關邏輯控制，節(jié)點之間的通信傳輸，現地數據實時的采集、處理，以及對參數進行報警和故障判斷等功能。每個PLC控制一定數量的閘門，各自獨立，功能相同，可以現地和手動方式進行操作完成閘門的控制任務。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、擴展性和適應性。每套LCU都配備液晶顯示屏，可實現現地自動操作控制和數據實時顯示?，F地LCU能夠對啟閉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)可在現地通過閘門開度檢測裝置或水位儀完成預置閘門開度、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)視閘門運行現場情況、上下游水面和水流情況等，確保閘門運行現場安全[3]。視頻監(jiān)視系統(tǒng)由工業(yè)攝像設備、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業(yè)監(jiān)視器、無線通訊設備等硬件設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備接受來的視頻信號傳輸到圖像監(jiān)視器上，控制信號傳輸到控制計算機上，實現和上位機的數據交換。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)軟件設計 　　系統(tǒng)軟件設計包括集中控制單元監(jiān)控軟件設計和現地控制單元PLC程序設計。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)控軟件完成數據查詢和瀏覽、數據曲線顯示、數據和圖形打印、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。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，是以實時數據庫為中心來處理、分析數據，以及向下位機發(fā)送指令。同時利用它開放性的特點，調用shell函數，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、數據管理層和數據源層構成，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、數據管理組件、報警系統(tǒng)組件和用戶界面主控程序等。數據管理層通過組件實現數據信息在數據源層和用戶界面層之間雙向傳輸。數據源層主要由CAN協議接口組件和數據庫維護與訪問組件組成,它們分別負責從外部智能單元和現地數據庫獲取或發(fā)送數據的功能。 [align=center] 圖3綜合自動化軟件框圖[/align] 　　PLC軟件設計主要是在監(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首先進行初始化設置，當PLC的接收到數據時，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)現異常，停止操作并報警。 4 結論 　　本系統(tǒng)將現場總線應用到水電站閘門控制中，實現了實時監(jiān)測、現地和遠方閘門控制、水位控制。系統(tǒng)具有接線結構的簡化，成本低、可維護性好、速率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，而且采用模塊化設計，設備充分考慮易升級換代，兼容性和聯網功能，使系統(tǒng)在開放性、互換性好與便于升級、擴展和互聯。在國內新建和老水電站的技術改造中，閘門工程建設管理更加合理，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)的設計與研究. 河海大學，2002.1 　　[2] 王紅雷. CAN總線技術在控制系統(tǒng)中的應用與實現. 貴州工業(yè)大學，2003.6 　　[3] 顧燕，徐立中，孫保平等.給予現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)平臺的集散式數據采集系統(tǒng). 大連理工大學，2002.3