基于現場總線的分布式閘門監控系統

       介紹了結合工程實際需要而研制的一種基于現場總線的分布式閘門監控系統,內容包括：監控系統的組成、各部分功能設計、可編程控制器（PLC）程序設計及閘門監控中心軟件設計等。

       近年來,隨著計算機網絡技術的飛速發展,現代過程控制系統已從集散控制系統（DCS）向現場控制系統（FCS）發展。現場總線技術使單個分散的現場設備通過總線連接成可以相互溝通信息、共同完成任務的網絡系統和控制系統,形成控制功能徹底下放到現場的全分布網絡集成式新型控制系統,實現了開放式的通信解決方案,使控制系統結構更趨于智能化、分布化,也使網絡系統結構更為扁平化、集成化,順應了技術發展的主流方向。

        水利樞紐閘門監控系統實際上是一個集散控制系統。由于樞紐現場環境十分惡劣。如采用傳統的4～20mA模擬信號與現地設備通信,雷電、噪聲等干擾信號將不可避免地影響到模擬信號傳輸的質量;而現場總線系統的現地設備采用的傳感器和二次儀表,具有A/D轉換、輸入輸出等功能,可將現地采集的信息直接以數字量形式輸出,而數字信號具有很強的抗干擾能力,因此大大提高了系統的可靠性和準確性。并且可以簡化系統結構、節約硬件設備、節約連接電纜,也減少了工程造價與維護費用。

       本文介紹的閘門監控系統采用了現場總線與DCS網絡集成的方法對多個閘門進行遠方監控、集中監控與現地監控。

      1 閘門監控系統的組成及功能

       閘門監迭系統采用分層分布開放式結構,即由閘門監控中心（遠方）、集中監控單元和現地監控單元（現地控制屏）組成。系統結構框圖如圖1所示。

      1.1 閘門監控中心

       閘門監控中心由主計算機、人機接口設備和外圍設備組成。采用臺灣研化PII233/32M/4G工控機作為主計算機,配有專用功能鍵盤和語音裝置,實現對閘門的全面監控。閘門監控中心主要完成數據處理、安全監視、遠方控制以及自動化管理等功能,具體為：

       (1)定斯查詢和收集集中監控單元上送的運行過程實時信息,生成現場實時數據庫和歷史記錄圖表。

     （2）實時更新CRT顯示的工況畫面的參數;實時顯示和閘門相關的事件;有故障時,系統通過電鈴、語音、畫面顯示報警,給出事故處理指示。

    （3）操作員可通過鍵盤和鼠標對閘門進行遠方控制,即：閘門起閉控制;閘門預置開度設定。

    （4）系統生成的運行日志、放水流量曲線、操作記錄、運行狀態等各種報表均可通過CRT顯示或打印出來。

     1.2 集中監控單元

       集中監控單元采用集散控制方式,通過與閘門監控中心進行網絡數據通信接受控制指令,對現地控制單元發出起閉信號;并通過安裝在現地的閘門開度儀接受閘門再地信息,向閘門監控中心反饋現地運行工況、故障信號等信息。

         集中監控單元采用德國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、抗干擾能力強等特點,開關量24路輸入,16路輸出,串口的物理層是RS485接口標準。因系統控制每個閘門需要8入3出開關量,因此我們采用一個PLC外接5個輸入模塊和1個輸出模塊來控制7個閘門。PLC開關量輸入為：閘門的升、降、全開、全關狀態;電源狀態;過熱;過載等。開關量輸出為閘門的升、降、停等。整個系統采用4個PLC組成總線型分布式控制系統,控制25個閘門,以主從方式工作。主PLC設計為1個,從PLC設計為3個,主從PLC之間通過屏蔽雙絞線相連。主PLC控制4個閘門,與閘門監控中心之間通過RS485/232轉換器相連。

       1.3 現地監控單元

        閘門監控系統的現地監控單元的設備有閘門開度傳感器、水位傳感器、閘門啟閉機電氣控制屏、現地閘門開度儀、水位儀等。

        現地監控單元采用現場總線技術,將微處理器置入傳統的測量控制儀表,使其具有數字計算和數字通信能力,采用5芯屏蔽雙絞線作為總線,將多個智能測控設備（即閘門開度儀、水位儀）連接在網絡系統,按規范的通信協議,在位于現場的智能儀表之間以及現場儀表與集中監控單元之間實現數據傳輸與信息交換,在現場形成全分布式自動控制系統。

       閘門監控系統可在現地通過閘門開度儀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或上、下游水位高度等功能;直接通過現地控制屏上的控制按鈕進行閘門起閉操作。

       2 閘門監控中心應用軟件設計

       閘門監控中心計算機采用中文Windows98操作系統,Borland Delphi5為界面和數據庫的編程工具,采用多線程編程方式。

       應用軟件設計功能框圖見圖2。

       閘門監控中心計算機向PLC發發的信息有巡檢、數據（預置值和上、下限）、命令、檢錯等。集中監控單元由4個PLC分別控制多個閘門,采用串行通信方式,發送的數據格式見表1。

       表1 發送數據格式

       表2 應答數據格式

      表3 巡檢應答數據格式

       下面介紹PLC與閘門監控中心計算機串口通信程序。

        PLC采用西門子的STEP7軟件編程。首先要對PLC串口進行波特率、數據位等初始化設置。“主PLC”與閘門監控中心計算機以自由口方式通訊,“主PLC”與“從PLC”間以點對點方式通信。當主/從PLC的串口接收到數據時,進入接收中斷子程序,首先判斷是否是發給本PLC,然后執行。當“主PLC讀到閘門監控中心計算機的數據是發給自己時,就進行數據處理,并發送應答信息給閘門監控中心計算機;當讀到的數據是發給“從PLC”時,就通過網絡讀寫指令（WNTR、NETW）發送給“從PLC”。“從PLC”接收到數據后就將后連接的閘門的開度和升、降、停及故障狀態發送給“主PLC”,由它發送給閘門監控中心計算機。

        現場總線技術已對傳統的DCS形成了強大的沖擊,在未來的控制領域發展中,現場總線及其FCS系統必將顯示出強大生命力,廣泛應用于許多工業過程控制中。本文所介紹的閘門監控系統是一種基于現場總線的分布式系統,是現場總線及其FCS系統在水利樞紐工程中的應用,目前已通過補步驗收,現場運行狀況良好。