基于PLC的橡膠壩遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：根據(jù)某橡膠壩的地理位置分散的特點(diǎn)和控制要求，本文設(shè)計(jì)了基于MCGS、工業(yè)以太網(wǎng)和PLC的橡膠壩遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)七座橡膠壩的自動(dòng)化控制；詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的組成、硬件和軟件設(shè)計(jì)；該系統(tǒng)集中現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控于一體，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、通信速度快等特點(diǎn)；經(jīng)實(shí)踐證明，能滿足監(jiān)控和管理調(diào)度的要求。

關(guān)鍵詞：MCGS； 觸摸屏； PLC； 橡膠壩

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2012）07-125-001

為妥善解決日常蓄水與汛期行洪之間的矛盾，改善生態(tài)環(huán)境，某市于2009年實(shí)施攔河蓄水工程，在十五公里河道范圍內(nèi)新建七座梯級(jí)橡膠壩，形成七個(gè)梯級(jí)蓄水湖面。七座橡膠壩的建成需要很多工作人員值守，同時(shí)也需要管理人員巡視，這給水利部門管理處帶來了不小的麻煩，因此，研究和設(shè)計(jì)橡膠壩的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

與此同時(shí)，隨著信息化在水利方面的大力推廣，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也日益受到重視。運(yùn)用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)與通信技術(shù)來建立橡膠壩遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不但能夠在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提高信息采集的準(zhǔn)確性、靈活性和快速性，而且可以加強(qiáng)其運(yùn)行的可靠性和安全性，供有關(guān)部門監(jiān)督和統(tǒng)計(jì)，為上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門做出決策提供科學(xué)的依據(jù)。

一、系統(tǒng)組成

1.系統(tǒng)的基本構(gòu)成

本文以七座橡膠壩為研究對(duì)象，主要任務(wù)是控制系統(tǒng)排水。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以“無人值班、少人值守”為原則，以可編程控制器（PLC）為核心，采用分層、分布的方式組網(wǎng)，并且綜合運(yùn)用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)自動(dòng)采集現(xiàn)場的狀況，通過工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控室，以便上位機(jī)監(jiān)視現(xiàn)場情況，從而實(shí)現(xiàn)了橡膠壩的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.系統(tǒng)逐級(jí)控制

此系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三個(gè)等級(jí)，分別為現(xiàn)地級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)。

2.1現(xiàn)地級(jí)：處于網(wǎng)絡(luò)的最底層。PLC以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式掛靠在工業(yè)以太網(wǎng)上。液位儀的數(shù)據(jù)、水泵、閥門和空壓機(jī)的狀態(tài)都由PLC的模塊采集，然后這些數(shù)據(jù)送入觸摸屏中顯示出來，同時(shí)通過工業(yè)以太網(wǎng)送入上層網(wǎng)絡(luò)。

2.2監(jiān)控級(jí)：主要包含局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器等。通過以太網(wǎng)交換機(jī)將PLC、操作員站和工程師站聯(lián)系起來，使用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為10/100Mbps，抗干擾能力較強(qiáng)，采用星型結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，對(duì)其他工作的節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生影響。

2.3管理級(jí)：也稱遠(yuǎn)程監(jiān)控層。此局域網(wǎng)與管理處的內(nèi)網(wǎng)相連通，用瀏覽器的方式即可觀察橡膠壩的設(shè)備和周圍環(huán)境的信息，真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)、控、管、調(diào)一體化。

二、硬件設(shè)計(jì)

此監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由以下幾部分組成：現(xiàn)場控制單元、PLC控制單元、上位機(jī)控制單元、傳感器單元、視頻設(shè)備單元等。

1.現(xiàn)場控制單元

主要由主回路和控制回路組成。使用的器件主要有斷路器、接觸器、熔斷器、繼電器、指示燈和按鈕等。

2.PLC控制單元

本系統(tǒng)選用了施耐德莫迪康系列Micro PLC作為主控制器，選用一個(gè)電源模塊、一個(gè)CPU模塊TSX3721、三個(gè)數(shù)字量輸入模塊DEZ32D2，兩個(gè)數(shù)字量輸出模塊DSZ08R5和兩個(gè)模擬量輸入模塊AEZ802。電源模塊用于給PLC各個(gè)模塊供電，CPU模塊用于存儲(chǔ)信息、運(yùn)算數(shù)據(jù)和控制命令，數(shù)字量輸入模塊用于采集開關(guān)量的信息，數(shù)字量輸出模塊用于直接控制電氣回路，模擬量輸入模塊用于采集傳感器信息、電參數(shù)模塊信息。

3.上位機(jī)控制單元

包括觸摸屏和工控機(jī)兩部分。觸摸屏選用的是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司生產(chǎn)的TPC1063E，該產(chǎn)品是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化工控機(jī)，采用了10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024）。通過RJ45以太網(wǎng)接口與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連在一起，接收PLC傳送過來的數(shù)據(jù)同時(shí)顯示出來。工控機(jī)選用的是研華IPC-610/AIMB-763VG/E5300 2.6G/1G/160G作為主機(jī)，另外配置19寸液晶顯示器、UPS電源、打印機(jī)等。工控機(jī)和觸摸屏中都裝有昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的MCGS軟件。

4.傳感器單元

此監(jiān)控系統(tǒng)用到的傳感器主要包括壓力變送器和水位傳感器。壓力變送器選用的是HM20通用型壓力變送器，用于采集橡膠壩袋的水壓力，輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流。水位傳感器選用的是HM21投入式液位變送器，用于采集深水井、集水井和壩袋高度的水位，輸出也是4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流。它們都是把信號(hào)傳送到PLC的模擬量輸入模塊中，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序處理后在觸摸屏和上位機(jī)組態(tài)軟件中顯示出來。

5.視頻設(shè)備單元

視頻設(shè)備單元包括3臺(tái)攝像機(jī)和1臺(tái)硬盤錄像機(jī)。攝像機(jī)分別拍攝泵房、控制室內(nèi)和控制室外三個(gè)部分；1臺(tái)硬盤錄像機(jī)負(fù)責(zé)記錄采集到的信息。視頻攝像機(jī)采集到現(xiàn)場畫面后存入硬盤錄像機(jī)，同時(shí)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和百兆單模光纖將此信息傳送到管理處，管理處可以實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)壩周圍的情況，提高了安全性。

三、系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。由于上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與觸摸屏類似，所以這里僅介紹上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

1.上位機(jī)組態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用了C/S（Client/Server客戶端/服務(wù)器）和B/S（Browser/Server瀏覽器/服務(wù)器）的集成的方式。工程師和操作員站通過每一個(gè)獨(dú)立的IP地址來采集各個(gè)PLC的信息，并存儲(chǔ)于服務(wù)器中。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)，使用B/S的方式將有用的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，管理處可以通過瀏覽網(wǎng)頁的方式監(jiān)視運(yùn)行狀況。

四、結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于工業(yè)以太網(wǎng)、組態(tài)軟件和PLC的橡膠壩遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用了組態(tài)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、畫面動(dòng)態(tài)顯示及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，同時(shí)也利用了光纖和PLC的抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)等，具有可操作性強(qiáng)、易維護(hù)等特點(diǎn)，解決了管理人員不能實(shí)時(shí)監(jiān)測橡膠壩狀況的問題。該系統(tǒng)還有效地減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有益的探索，具有很好的推廣和使用價(jià)值。