基于现场总线的分布式闸门监控系统

    摘要：介绍了结合工程实际需要而研制的一种基于现场总线的分布式闸门监控系统，内容包括：监控系统的组成、各部分功能设计、可编程控制器（PLC）程序设计及闸门监控中心软件设计等。

    关键词：水利自动化系统 计算机监控系统 现场总线 PLC

近年来，随着计算机网络技术的飞速发展，现代过程控制系统已从集散控制系统（DCS）向现场控制系统（FCS）发展。现场总线技术使单个分散的现场设备通过总线连接成可以相互沟通信息、共同完成任务的网络系统和控制系统，形成控制功能彻底下放到现场的全分布网络集成式新型控制系统，实现了开放式的通信解决方案，使控制系统结构更趋于智能化、分布化，也使网络系统结构更为扁平化、集成化，顺应了技术发展的主流方向。

水利枢纽闸门监控系统实际上是一个集散控制系统。由于枢纽现场环境十分恶劣。如采用传统的4～20mA模拟信号与现地设备通信，雷电、噪声等干扰信号将不可避免地影响到模拟信号传输的质量；而现场总线系统的现地设备采用的传感器和二次仪表，具有A/D转换、输入输出等功能，可将现地采集的信息直接以数字量形式输出，而数字信号具有很强的抗干扰能力，因此大大提高了系统的可靠性和准确性。并且可以简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆，也减少了工程造价与维护费用。

本文介绍的闸门监控系统采用了现场总线与DCS网络集成的方法对多个闸门进行远方监控、集中监控与现地监控。

1 闸门监控系统的组成及功能

闸门监迭系统采用分层分布开放式结构，即由闸门监控中心（远方）、集中监控单元和现地监控单元（现地控制屏）组成。系统结构框图如图1所示。

1.1 闸门监控中心

闸门监控中心由主计算机、人机接口设备和外围设备组成。采用台湾研化PII233/32M/4G工控机作为主计算机，配有专用功能键盘和语音装置，实现对闸门的全面监控。闸门监控中心主要完成数据处理、安全监视、远方控制以及自动化管理等功能，具体为：

(1)定斯查询和收集集中监控单元上送的运行过程实时信息，生成现场实时数据库和历史记录图表。

（2）实时更新CRT显示的工况画面的参数；实时显示和闸门相关的事件；有故障时，系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。

（3）操作员可通过键盘和鼠标对闸门进行远方控制，即：闸门起闭控制；闸门预置开度设定。

（4）系统生成的运行日志、放水流量曲线、操作记录、运行状态等各种报表均可通过CRT显示或打印出来。

1.2 集中监控单元

集中监控单元采用集散控制方式，通过与闸门监控中心进行网络数据通信接受控制指令，对现地控制单元发出起闭信号；并通过安装在现地的闸门开度仪接受闸门再地信息，向闸门监控中心反馈现地运行工况、故障信号等信息。

集中监控单元采用德国SIEMENS公司的S7系列可编程控制器（PLC）。该可编程控制器具有体积小、高速、模块化、可靠性高、抗干扰能力强等特点，开关量24路输入，16路输出，串口的物理层是RS485接口标准。因系统控制每个闸门需要8入3出开关量，因此我们采用一个PLC外接5个输入模块和1个输出模块来控制7个闸门。PLC开关量输入为：闸门的升、降、全开、全关状态；电源状态；过热；过载等。开关量输出为闸门的升、降、停等。整个系统采用4个PLC组成总线型分布式控制系统，控制25个闸门，以主从方式工作。主PLC设计为1个，从PLC设计为3个，主从PLC之间通过屏蔽双绞线相连。主PLC控制4个闸门，与闸门监控中心之间通过RS485/232转换器相连。

1.3 现地监控单元

闸门监控系统的现地监控单元的设备有闸门开度传感器、水位传感器、闸门启闭机电气控制屏、现地闸门开度仪、水位仪等。

现地监控单元采用现场总线技术，将微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信能力，采用5芯屏蔽双绞线作为总线，将多个智能测控设备（即闸门开度仪、水位仪）连接在网络系统，按规范的通信协议，在位于现场的智能仪表之间以及现场仪表与集中监控单元之间实现数据传输与信息交换，在现场形成全分布式自动控制系统。

闸门监控系统可在现地通过闸门开度仪或水位仪完成预置闸门开度、报警、计算并显示闸门实际开度或上、下游水位高度等功能；直接通过现地控制屏上的控制按钮进行闸门起闭操作。

2 闸门监控中心应用软件设计

闸门监控中心计算机采用中文Windows98操作系统，Borland Delphi5为界面和数据库的编程工具，采用多线程编程方式。

应用软件设计功能框图见图2。

闸门监控中心计算机向PLC发发的信息有巡检、数据（预置值和上、下限）、命令、检错等。集中监控单元由4个PLC分别控制多个闸门，采用串行通信方式，发送的数据格式见表1。

表1 发送数据格式

PLC接收到数据帧后执行数据接收子程序，对标识符@前后的字符作出对照，校验无误后作出应答，并根据功能符进行相应的数据处理。应答的数据格式见表2。

表2 应答数据格式

由于PLC将闸门的状态、故障、开度等信息在巡检应答中给出，因此巡检应答数据格式与表2不同，应当分别处理。数据格式如表3所示。

表3 巡检应答数据格式

3 PLC程序设计

下面介绍PLC与闸门监控中心计算机串口通信程序。

PLC采用西门子的STEP7软件编程。首先要对PLC串口进行波特率、数据位等初始化设置。“主PLC”与闸门监控中心计算机以自由口方式通讯，“主PLC”与“从PLC”间以点对点方式通信。当主/从PLC的串口接收到数据时，进入接收中断子程序，首先判断是否是发给本PLC，然后执行。当“主PLC读到闸门监控中心计算机的数据是发给自己时，就进行数据处理，并发送应答信息给闸门监控中心计算机；当读到的数据是发给“从PLC”时，就通过网络读写指令（WNTR、NETW）发送给“从PLC”。“从PLC”接收到数据后就将后连接的闸门的开度和升、降、停及故障状态发送给“主PLC”，由它发送给闸门监控中心计算机。

现场总线技术已对传统的DCS形成了强大的冲击，在未来的控制领域发展中，现场总线及其FCS系统必将显示出强大生命力，广泛应用于许多工业过程控制中。本文所介绍的闸门监控系统是一种基于现场总线的分布式系统，是现场总线及其FCS系统在水利枢纽工程中的应用，目前已通过补步验收，现场运行状况良好。