南昌昌北閘門控制系統設計

葉建雄，劉萍先，李志彪

南昌昌北閘門控制系統設計

葉建雄，劉萍先，李志彪

（南昌工程學院機械與電氣工程學院，南昌 330099）

南昌市昌北閘門控制系統負責南昌市整個昌北地區的防洪排澇任務，以其中的前湖電排站為例，詳細介紹了基于工業以太網的閘門群組控制系統的組成結構、現場控制所用的PLC選型依據，結合程序流程圖給出了現場控制程序的編制原則和部分程序實例，介紹了基于工業以太網的WinCC組態軟件的設計方法，給出了部分控制界面。根據“數字昌北”的擴展性要求，系統在結構上具有良好的延展性，采取軟硬件結合的方式保證其響應速度，投入運行以來工作穩定可靠，降低了人工操作的危險性和不準確性，減輕了人員的勞動強度，實現了預期的目標，得到了用戶的高度肯定。

閘門群組控制；PLC；WinCC；以太網

1 研究背景

南昌市紅谷灘新區匯集了眾多政府部門和高校，包括機場公路、高速公路、國道和多條市區主干道穿過。隨著常住人口的急劇增加，該片區的防洪排澇壓力也在同步增長，原有控制系統難以滿足當前的要求，為此南昌市昌北防洪排澇管理處專門前往水利部太湖流域管理局、珠江水利委員會等處調研，在參考當前國內眾多先進可靠技術和工程實例的基礎上［1－3］，確定了系統改造的總體方案：以工業以太網為基礎、工業計算機為監控設備、可編程控制器為現場控制單元的分層的網絡化集中控制系統。

本文主要分成以下3個部分：首先介紹了工業以太網的拓樸結構、硬件構成及設置細節；然后以南昌市昌北管理處所轄電排站之一的前湖電排站為例，詳細介紹了現場PLC控制系統設計方法；最后介紹了基于WinCC組態軟件的設計過程。通過以上3個方面的闡述，系統全面地給出了整套系統的實現方法和過程，希望對同行能起到拋磚引玉的作用。

2 系統結構及以太網設計

前湖電排站是管理處較大的一個站，管理著4個閘門群組：進水閘、截制閘、防洪閘和前湖大壩閘。其中較遠的前湖大壩距控制中心約12 000 m，前期的閘門控制系統由不同的單位設計，控制設備與智能檢測設備種類多，設備間協議不統一，設備兼容性差、運行不穩定，使得系統維護很困難。由于以前的網絡技術落后，不但有較大的操作延時，而且在運行中會出現PLC與上位機通信中斷的現象，對安全生產帶來隱患。

在綜合國內外主流控制系統優點的前提下［4－9］，提出了以下設計方案：將整套控制系統按被控制對象層、PLC控制器層、網絡通訊層、組態監控層4層架構設計，分別定義各層的功能和相互之間的硬件及邏輯接口。其中工業以太網作為紐帶，在邏輯上將各層聯系在一起，要求有符合實時響應的通信速率和對工頻干擾、雷擊瞬間高壓干擾的有效抵制；PLC控制層完成對被控對象的控制功能，支持現場和遠程控制方式的切換，程序設計按模塊化方法進行，要求結構清晰且能接收上位機的指令，同時將現場信號上傳給組態軟件；組態監控軟件作為人機操作界面，要求畫面直觀友好，操作簡單并實現數據歸檔和報表生成。基于以上的任務分解，設計了圖1所示的系統結構。

由圖1可知，整個系統以工業以太網為支撐，底層現場設備通過交換機與分站點的主機相連，各分站點再通過有線或無線的路由器與分信息中心相連，分信息中心負責將各站點的信息傳往主信息中心。工業網絡不但技術成熟，可靠性高，速度快，而且擴展性好，只要確保后續的站點、網絡攝像機所用的IP地址與上位機所在的網段一致且不與已有設備的IP地址沖突，理論上在一個網段內增添253臺設備；光端機包括光發射機和光接收機，對于視頻信號，它的傳送是單向的，僅按前端設備——交換機——光發射機——光接收機的方向傳輸，又稱正向傳輸；而對攝像機云臺的控制，上位機與PLC之間的通信是雙向的，一對光端機可以實現8路正向視頻信號和2路高速異步數據信號，由于采用工業級SMT工藝，不但傳輸速率快，而且可達到演播級傳輸質量，線路上亦不再受到外部電波干擾的影響。

圖1 控制系統組成結構圖Fig.1 Structure of the control system

組網中各電排站與分信息中心之間的路由器還采用了VPN技術構建通信隧道，即通過標準的IPSec VPN構建私有專網，不但可以保證通信速度，而且可以提高通信的安全，工程中選用H3C ER3100企業級VPN寬帶路由器建立電排站與分信息中心之間的透明傳輸。各電排站內一般采用有線網絡連接方式，如前湖站內根據進水閘、節制閘、防洪閘等與分控制中心距離的不同，分別采用網線、光纖及光端機的硬件接線方式，其中網線采用交叉接法而不用平行線，以提高數據的驅動能力。光端機采用HTB－1100S高速轉換器，連接上位機與分支設備的中心交換機采用深圳Tenda公司的具有平行／交叉線自動識別、MAC地址自動學習的百兆級網絡交換機S108，計算機中也采用百兆級網卡，如此配置后整個網絡的通訊速率主要受限于PLC。

西門子S7－300系列PLC可以擴展速率達10／100 Mbps的工業以太網模塊CP343－1，它支持TCP／IP協議，并通過背板總路線與PLC主機進行高速通信，故經過比較，決定采用西門子S7－300系列PLC和成套的WinCC組態軟件進行控制系統的構建［10］。具體的PLC機型包括CPU314IFM，CPU315和CPU313C，通過對以太網模塊MAC地址和IP地址的設置，就可將對應的PLC接入控制網絡。

3 現場控制系統設計

現場控制是實現自動化的基礎，它必須完成控制方式的切換、閘門的上升、下降與和停止、閘位的計算和故障判斷、與上位機的通訊等功能，出現軟硬件異常時能夠立即停機報警［11－12］。結合進水口6扇閘門的控制進行如下說明。

3.1 PLC的硬件設計

對PLC而言，每扇閘門的輸入開關量包括上升、下降、停止狀態、緊急停機、切換開關的手動及自動、過流保護、上下限位共計8點；輸出開關量包括上升、下降、停止命令共計3點；模擬量為閘位計開度儀的4－20 mA直流輸出，選用了昆侖公司的拉繩式位移傳感器，它將機械位移量轉換成可計量的、成線性比例的電信號，其量程為10 m，線性精度最大0.01%，分辨率達1 mm，能夠在戶外直接使用。表1是進水口所需開關量和模擬量的匯總。

表1 開關量及模擬量表Table 1 Input／output and analog variables

綜合表1所示需求，在此選用西門子S314 IFM型高速CPU。它的性能指標為32 KB工作內存、0.3 ms／1 000條指令、20路DI和16路DO并集成有4路AI。訂貨號為6ES7314－5AE03－0AB0。在此基礎上再擴展2塊16路的DI模塊6ES7 321－1BH01－0AA0，1塊8路12位的AD采樣模塊6ES7 331－7KF02－0AB0以及1塊CP343－1工業以太網模塊6GK7 343－1EX00－OXE0。將各模塊插入到專用的背板后再通過SIMATIC軟件進行硬件組態就可使用。

3.2 PLC的軟件設計

為實現對現場設備的控制，首先需要確定資源分配，除PLC的內存資源外，最主要的是輸入／輸出量及模擬量的分配，只有確定了對應關系后才能將外部設備與控制器進行連接。表2是PLC的部分資源分配表。

表2 部分PLC資源分配表Table 2 A llocation of PLC resources

其次是進行程序的總體規劃，應采用模塊化設計方法。因為PLC是采用循環掃描方式進行工作的，所以在主控程序OB1中按需要調用所需的功能子程序，此方式不但可以加快控制速度，而且可以方便程序的設計和現場調試。圖2、圖3給出了基于模塊化設計方法的OB1流程圖和進行閘門運行狀態故障檢測的FC7的流程圖。

最后將功能模塊封裝為FC塊或FB塊。圖4為FC4編程的自動范圍檢測框圖。當控制方式為預設啟動時，自動地將當前閘門的實際位置與預設值進行比較，到達設定位置時自動停止，在調用之前只需將各閘門對應的上限位開度、下限位開度及當前閘位值對應的單元輸入即可完成各閘門的自動判斷。

圖2 OB1主控流程圖Fig.2 Procedures of OB1 master control program

4 組態軟件設計

WinCC是由西門子公司與微軟公司共同開發的基于Windows操作系統的HMI系統，可與屬于SIMATIC產品家族的自動化系統十分協調地進行工作，其主要特點為：

（1）通過標準化接口，WinCC可與其它IT解決方案交換數據，例如MES和ERP應用程序，或諸如Microsoft Excel以及SQL Server等程序。

（2）開放的WinCC編程接口允許用戶連接自己的程序，從而能夠控制過程和過程數據。

（3）可以優化定制WinCC，以滿足過程的需要。支持大范圍的組態可能性，從單用戶系統和客戶機－服務器系統一直到具有多臺服務器的冗余分布式系統。且組態方式在完成后也可隨時修改。

圖3 FC7閘門1故障處理流程圖Fig.3 Flow chart of fault treatment for FC7 gate 1＃

圖4 基于FC4編程的自動范圍檢測框圖Fig.4 Automatic range checking based on FC4 programm ing

（4）WinCC是一種與Internet兼容的HMI系統，這種系統容易實現基于Web的客戶機解決方案以及瘦客戶機解決方案。

為使用WinCC，首先安裝TCP／IP協議集，并在此協議下建立與各站點CP343的連接，成功之后再根據相應站點中PLC資源分配情況定義所用的全部變量，然后進行畫面設計，見圖5。主要包括：導航畫面、各閘門群組的顯示界面和操作界面、報表和打印界面。為了系統的安全起見，還要對用戶進行管理，主要包括：用戶名和對應的登錄密碼。為此還要有用戶管理界面，為使WinCC在使用中更加人性化，借助VBScript-Editor，C-Editor對于報警畫面、警示畫面進行動態調用和顯示，并和SQLSevere2005進行動態數據交換，進一步增強了系統的功能和人機交互的友好性。

圖5 操作畫面設計Fig.5 Screenshots of the configuration of PLC，data query，and sluice gate operation

5 結 論

利用光纖作為傳輸介質構建了高速工業以太網，基于西門子公司的S7－300 CPU 314IFM PLC、擴展模塊和WinCC組態軟件，完成了南昌市昌北前湖電排站的集中控制系統。本系統采用“自頂向下”的設計原則進行規劃，具有擴展性好、響應速度快、調試及檢修方便等優點。

系統投入運行以來工作穩定可靠，不但減少了運行和維護的工作量，而且顯著減輕了運行人員的勞動強度，降低了人工誤操作的可能性，得到了用戶的肯定。

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（編輯：姜小蘭）

Design of Control System for Sluice Gates in Changbei，Nanchang

YE Jian-xiong，LIU Ping-xian，LIZhi-biao
（Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

The control system of sluice gates in Changbei ismainly responsible for the flood control and drainage in the Changbeidistrictof Nanchang city.Taking the Qianhu Electric Drainage Station as a case study，we present the structure of the control system which is based on industrial Ethernet and is in linewith the criteria for choosing PLC（Programmable Logic Controller）.The principle of local control program and some of the program examples are also stated according to the programming flowchart.What’smore，we introduce the design method of the industrial-Ethernet-based WinCC configuration software，and give examples of the control interfaces.In linewith the requirements for developing“Digital Changbei”，the system iswell extensible.The combination of software and hardware ensures the response speed of the system.Since its operation，the system has been working reliably.Italso reduces the perils and inaccuracy of human operation and lessens human labor.This system accomplishes its goals and wins high reputation among clients.

sluice gates control；PLC；WinCC；Ethernet

TP183

A

1001－5485（2012）12－0109－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.022 2012，29（12）：109－112，118

2012－08－16

江西省教育廳科技項目（GJJ12627）；江西省自然科學基金項目（2010GZC0144）；中國博士后科學基金（20080441085）

葉建雄（1969－），男，江西樂平人，副教授，研究方向為水利自動化及控制工程，（電話）13870065016（電子信箱）xlpyjx＠163.com。