傳統(tǒng)的閘門(mén)控制方式需要人員到現(xiàn)場(chǎng)操作閘門(mén)啟閉機(jī)或者使用一般工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的控制方式不能適應(yīng)閘門(mén)孔數(shù)多，控制中心距離閘房較遠(yuǎn)的控制需求。工控機(jī)對(duì)閘門(mén)集中控制的方式在閘門(mén)孔數(shù)較多時(shí)，不能夠避免鋪設(shè)線(xiàn)路過(guò)多過(guò)雜的狀況，也無(wú)法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。并且對(duì)于遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)存在著線(xiàn)路故障的風(fēng)險(xiǎn)。
本文針對(duì)通濟(jì)堰取水樞紐工程中的閘群控制提出解決方案，該系統(tǒng)閘門(mén)數(shù)量為17孔，加上需改造的舊閘門(mén)5孔，總數(shù)達(dá)到22孔。而控制中心距離最遠(yuǎn)的一孔閘門(mén)為500米。實(shí)現(xiàn)這么大數(shù)量的閘門(mén)的遠(yuǎn)程控制，工控機(jī)顯然無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定、工程難度低、施工費(fèi)用少的要求。
在該工程設(shè)計(jì)中，利用ProfiBus 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將PLC組網(wǎng)，由上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)的遠(yuǎn)程控制。并將閘門(mén)開(kāi)度、壩前和壩后水位、閘門(mén)荷重情況傳送至上位機(jī)。由上位機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)PLC提供的信息對(duì)閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并在故障發(fā)生時(shí)提供故障信息。
本系統(tǒng)的核心控制器件采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200，通訊總站采用S7-300。未采用中繼站的情況下，通訊能力最遠(yuǎn)達(dá)到1200米，完全能夠該工程的遠(yuǎn)程控制需求。
1 結(jié)構(gòu)及功能
該系統(tǒng)采用的是三層通訊組網(wǎng)方式，最底層的是由22臺(tái)S7-200組成的相互獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制單元，中間層是由一臺(tái)S7-300構(gòu)成的通訊主站，上層是由上位機(jī)及服務(wù)器組成用戶(hù)層。
除通訊功能外，該系統(tǒng)還具有以下功能：
控制功能：系統(tǒng)采用兩種控制方式，即自動(dòng)（即遠(yuǎn)方集中控制）和手動(dòng)控制。
監(jiān)測(cè)功能：系統(tǒng)自動(dòng)采集閘門(mén)位置、閘門(mén)荷重、上下游水位及電氣器件運(yùn)行狀態(tài)的信息。
保護(hù)功能：判斷電機(jī)過(guò)載、閘門(mén)上下越限、電源供電異常、閘門(mén)失速/卡滯等，并對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)
在通濟(jì)堰的22孔閘門(mén)中，每孔閘門(mén)用一個(gè)S7-200（CPU224）作為智能控制單元，構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)地控制柜。每個(gè)PLC 通過(guò)ProfiBus總線(xiàn)與一臺(tái)S7-300（CPU315-DP）通訊，通訊由每個(gè)PLC所帶的通訊模塊（EM277）來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC-300作為系統(tǒng)的主站，負(fù)責(zé)收集從站（S7-200）上傳的信息和下達(dá)命令。PLC-300與一臺(tái)上位機(jī)通過(guò)CP6511卡相連，上位機(jī)作為遠(yuǎn)程操作平臺(tái)。
2.11 ProfiBus-DP總線(xiàn)
DP總線(xiàn)電纜是西門(mén)子公司提供的專(zhuān)用總線(xiàn)電纜，其技術(shù)參數(shù)如表一所示。DP總線(xiàn)連接器選用9針D型RS485適用的連接器。
DP總線(xiàn)安裝布線(xiàn)采用的是總線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于方案中只存在22個(gè)從站，因此可將22孔閘門(mén)的PLC從站掛在同一段中，而無(wú)須加載中繼器。注：DP總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)中每個(gè)網(wǎng)段最大可掛載32個(gè)從站，且在無(wú)中繼器的情況下每個(gè)網(wǎng)段最長(zhǎng)距離為1900米。電纜最大長(zhǎng)度取決于傳輸速率。
以DP總線(xiàn)方式連接各個(gè)從站，需要在第一個(gè)和最后一個(gè)站加裝終端電阻，而中間的各個(gè)從站則只需將A、B數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到總線(xiàn)上即可。
DP總線(xiàn)采用西門(mén)子專(zhuān)用的線(xiàn)纜和接頭，通訊總線(xiàn)電纜入柜時(shí)屏蔽層與柜體連接接地。在線(xiàn)路鋪設(shè)時(shí)，將通訊總線(xiàn)與17控制線(xiàn)一起布設(shè)，至于同一個(gè)電纜槽中。通訊總線(xiàn)在室外段通過(guò)地線(xiàn)鋪設(shè)。
2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
在上位機(jī)對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)施行控制的時(shí)候，需要實(shí)時(shí)地將閘門(mén)的閘位信息上傳至微機(jī)。還要將閘前和閘后的水位信息同時(shí)上傳。同時(shí)，還需要不間斷地將閘門(mén)啟閉機(jī)的荷重告知上位機(jī)，以便監(jiān)控閘門(mén)是否出現(xiàn)卡滯。
在這個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)閘位的監(jiān)測(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)是16位的數(shù)字信號(hào)，所以必須增加一個(gè)PLC的16位數(shù)字量模塊（EM221-16DI）。
水位信息由投入式壓力水位傳感器測(cè)量閘前閘后水位，S7-200自帶有模擬量模塊，水位傳感器可直接接入，無(wú)須另加信號(hào)模塊。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上位機(jī)的用戶(hù)層解決方案采用西門(mén)子的WinCC作為組態(tài)軟件編制用戶(hù)操作界面，并且實(shí)現(xiàn)與S7-300的通訊接口的銜接。操作界面采用人性化的圖形界面。用戶(hù)在利用組態(tài)軟件下達(dá)對(duì)閘門(mén)的控制命令，同時(shí)能夠在界面上看到閘門(mén)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括：閘門(mén)位置、閘門(mén)荷重、上下游水位、以及9類(lèi)故障信息。
而S7-200與S7-300的內(nèi)部程序編制則采用西門(mén)子的Step7來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確控制閘門(mén)啟閉高度的技術(shù)要求，所以程序設(shè)計(jì)考慮用戶(hù)可以自行選擇采用開(kāi)環(huán)控制或者是閉環(huán)控制的控制方式。
4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)作為PLC在另一種領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于PLC的功能作了進(jìn)一步的嘗試。系統(tǒng)所采用的三層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在保證通信過(guò)程暢通的前提下，確保了各個(gè)控制單元的安全。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足工程現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)500米的控制距離的需求，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)已經(jīng)在通濟(jì)堰渠首取水改造工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)中投入使用，并且性能穩(wěn)定，取得了預(yù)先的效果。
