水庫閘門集中控制系統的優化改造分析

范靖

〔三門峽黃河明珠（集團）有限公司，河南 三門峽 472000〕

1 引言

傳統閘門啟閉控制器，通常采取繼電器—接觸器方法，因為有接點的受控設備，動作狀態簡單直觀，便于故障發現與消除。因為這種傳統的測控方法構造簡易、廉價，所以在相當范圍內也適應了對簡單自動控制的要求。但是隨著測控科學技術的發展，這種傳統的測控方法在安全性、靈敏度和排除故障等方面的不足正在日益明顯，目前正逐漸遭到淘汰。此外，在閘門的自動監測控制體系中也逐漸使用了一系列更現代化的信息技術，如集散管理、分布式網絡信息技術、現場總線網絡信息技術、以太網信息技術、可編程控制器等。

2 閘門自動控制系統總體設計方案

2.1 系統集成

系統集成是從滿足用戶的實際使用需要以及所投放流動資金的一定數量規模為基本出發點，通過綜合運用各類電腦與計算機網絡的有關科學技術，并合理地選用各類軟硬件設施，進行對有關人員和設備的綜合工程設計、裝配設計調試和使用研究等專業性管理工作，以及有關的信息管理性和設備管理工作。整套系統要確保整合后的信息系統能夠適應實際需求，不僅具有良好的性價比，也要可以實現網絡系統科學化建設和實際操作性。而信息系統整合則涉及了計算機系統軟件、硬件、操作系統設計工藝技術、數據庫與管理系統工藝技術、通信工藝技術、數據采集系統等。實際上，這類集控系統和各種技術都是由各個不同的廠家來提供的，所使用的也是各種不同的協議和技術標準，并且是面對著各種不同的使用單位具體設計的，所以整個網絡系統整合的過程中不但要把各個廠商所提供的各種產品都整合到了一起，而且還要使它們之間可以互相互連、互操作、不產生矛盾。而更為重要的是，整個網絡系統必須實現系統性能最優化，即各種元件和成分合在一起后不但可以管理工作，并且整個網絡系統還是廉價的、高效的、系統性能勻稱的、可擴展的和可保護的。

2.2 整體方案設計

在閘門自動控制系統方案設計時，首先綜合考察了閘門自動控制系統的技術發展趨勢，再根據自身工作和管理的實際狀況，最后判斷成本。控制系統的方案設計時應當堅持以下準則：前瞻性、成熟性、可靠性、可利用率、實時性、安全性、開放性、合理性、與環境的相容性、便利性和經濟效益。

2.2.1 系統的技術先進性與成熟性

在控制系統設計中主要加強了前瞻性和成熟性的融合，結合已應用案例，運用成熟的自動控制、計算機技術、安全保護科技和計算機網絡科學技術，并緊緊追蹤國外的前沿科技，力圖設計出科技領先的閘門自動控制系統，以做到設計上到達全球或發達國家的一流水準，且方案具備確實可行性并易于實施。遵守國際標準，以及與國內外市場相關的標準要求，以適應計算機技術、網絡通信技術以及工業自動控制技術的更新發展潮流。

2.2.2 系統的可靠性

在整個控制系統的總體設計中，重點考慮了兩個層次：一是整個控制系統的運行可靠性和安全，采取較高可靠度的計算機網絡結構，還包括選用合理的計算機網絡設備設施；二是系統裝置的安全與可靠程度，重點是通過選擇高可靠性的電子感應器、控制裝置等，通過設置系統的用戶表等級和口令控制等手段實現管理水平技術化提升。同時保證閘門自動集控系統具備高度抗干擾的能力，能長時間安全可靠地正常工作。

2.2.3 系統的開放性、合理性

整個系統的設計采用了開放式的網絡體系、規范的消息收集和管理系統等，以便于系統后期的更新、擴充與互聯。同時，在選用系統裝置、信息處理、數據傳輸裝置等時，注重于企業產品技術支持的規范發展，所選用的系統裝置充分考慮了易更新換代性，同時在企業產品更新時能夠最大限度地保證自身的硬件設施提升與軟件升級投資降低。控制系統采用了高速的工業控制器，而工業控制系統的技術參數選擇少，調整少，智能水平程度高，應用簡單，控制簡單，合理應用，極大地提高了工業控制系統輸入、輸出速率。其CPU負載率在一般狀況下不大于25%，即使在主裝置發生重大事故時也不大于50%。

2.2.4 系統的經濟性

綜合考慮系統的特性和價值，其性能價格比在同等系統標準和要求下達到最佳；經濟性因素主要應包含以下幾個方面：系統本身的價格（包括系統軟硬件、技術服務和培訓）；系統運行后經濟效應估計的最大可能收益；對系統進行現場設備的特定條件改造及專利技術所需要的經費；對系統集成所需要的相關軟件和硬件等的后期升級和研究費用。

3 控制單元硬件設計與實現

3.1 控制單元功能設計

閘門集中自動測控系統必須能夠及時、精確、高效地實現對所有受控對象的安全監測與控制管理，并且能夠對所控機電設備的工作狀況實施全方位監控。為了可靠實現閘門的啟閉動作，閘門集中自動測控控制應具有下列功能。

3.1.1 閘門控制功能

閘門控制系統功能包含調節閘門的打開或關閉，到設定開高（包含單孔啟閉與群控啟閉）、在事故狀況下的緊急停車以及自動報警。

3.1.2 閘門運行參數和狀態信息的采集與處理

一是水位水情信息的采集與處理，控制系統中應該可以收集壩前和壩后進出庫流量、水位、入庫流速等的數值。二是閘門狀態信息采集與管理控制器中，也應可以收集到閘門的實際開高和荷重數據、運行設備電壓電流等數值，并可以準確地在現場設備與上位機之間或遠控平臺上顯示，以便于讓運行人員、管理者和上級的調節機關進行管理與決策。

3.1.3 現場設備異常狀態的采集和處理

現地采集單元應可以正確收集到現場裝置的所有告警狀況，包括上升設備故障、啟閉之間的卡滯等，并經過網絡系統快速傳送至現地控制和上位機系統，及時提示運行人員和管理者進行適當的處置，減少事故擴大化。

3.1.4 方便的人機交互

控制器應當具有豐富的人機交互系統功用。閘門上位機集中控制系統，應當具有各類信息系統的屏幕顯示功用、報告自動打印功用和數據信息錄入功用。人機界面系統包括了單孔操控畫面、群控操縱畫面、單位級作業畫面、告警圖像畫面和現場運行設備信息指示圖像畫面等。控制人員能夠利用這些圖像畫面，來掌握閘門的工作狀況信息，并利用這些圖像畫面，通過按鍵或鼠標等輸入的方法完成對所有閘門的管理。控制系統還應具有完整的工作報告制作和打印功能，可以形成一個完備的資料信息數據庫系統，以方便運行人員和管理者隨時檢索和制作打印技術報告。

3.2 開高與荷重測控裝置選型

通過對國內外眾多產品閘門荷重和開度儀表的廠家的產品咨詢、對比，我們選用了適應現地設備設施改造的高度荷重綜合監測控制儀，用以進行閘位和荷重監測。

該儀器具有如下特點：每個閘門集中監測閘門開高程度、荷重于一身，數值表示直接、清晰。儀器通過微機集成處理系統，提高了系統的安全性、強抗干擾技術能力和可維護性。儀器操控方式簡單。只需要利用控制面板上的按鍵設定好開度、荷重90%、110%、偏移和欠載告警等技術參數后，系統即可進行自動監測狀態。儀器標定操作也十分簡便，既無須外接編程設備也無須調節所有元件，僅須通過控制面板上的按鍵設定，即可實現參數標定。且任何設置及標準的技術參數，均具備停電后永久性記憶功能。控制功能強，可設置多組繼電器操作接點，并可依據要求添加控制接點。

3.3 可編程控制器硬件設計與實現

設計完成的PLC控制系統必須要將PLC功能充分發揮出來，以最大限度地滿足被控對象的控制要求，進一步提高控制系統的經濟性和簡便性，為后續維護工作提供便利。設計與實現可編程控制器硬件時，要對工藝進行改進，全面發展生產，在選擇可編程控制器型號、I/O點數和存儲器容量等內容的時候，要按照實際情況適當性地留有容量，為調整和擴充系統提供方便。硬件配置既確定了模塊系統的運行的主要特點，同時也形成了各模塊系統所需要的程序基準表。VersaMax CPU模塊同時支持手動設置和從編程器中來選擇的兩種方法。

3.3.1 自編程器向PLC存儲配置

編程程序器也可以使用CPU的通訊口向PLC內存儲配置，而內存的設置則無法為手動分配模式。當程序器清除了PLC內部的設置后，將生成一個手動設置獨立運行。此自動配置狀況始終生效，直到從編程器中保存新的分配狀況到PLC后方才變化。

3.3.2 自動配置

如果操作系統自動設置有效而無先前的自動設置狀態存在，那么當上了電源之后，CPU就將自動讀取操作系統中安裝的I/O模塊的設置，從而提供了一種完美的操作系統組態。若控制系統在上電后，發現系統中有一條缺省設置的存在，則控制系統將自動進行配置部分診斷，并進行檢查工作。若模塊在手動設置狀況下，其軟件組態的特性也將用于缺省設定。

3.3.3 槽位

每一I/O模組以及可選模組都將占據操作系統的一塊槽位，緊挨CPU的模組則為一槽。而輔助供電模組則不占據槽位。操作系統上電后，CPU將由槽位一啟動，并按照每個模板的物理地址自動產生一種缺省狀態分配。該缺省配置過程中如出現了第一個空槽，或識別有錯誤的模板之后將中斷。

當所有硬件系統模組都合理地分配在同一機架上后，上電后CPU就將自行讀出系統中設置的所有I/O模組的分配，從而提供了一個完美的系統組態。既然這樣的設置已滿足了我們的需求，我們就完全不必再進行設置了。不過若想完成整個系統的網絡管理功能，為使上位機可以找到這些PLC就不得不給現場上的多套PLC分配IP地址，這就要求人力的手動控制操作設置分配。

4 控制單元軟件設計與實現

4.1 編程軟件選擇

隨著個人計算機技術的日益發達以及微軟Windows桌面圖形化技術的越來越流行，許多使用者在選擇使用時也更加偏向于選用一些頁面直觀清晰、使用簡單、易學易用的應用系統軟件。如VersaPro程序設計系統軟件，便是一款能夠在Windows繪圖頁面下正常工作的應用。它是GE Fanuc公司為了配合新型控制產品VersaMax PLC的推廣而研制的最新產品。除了VersaMax PLC之外，在GE Fanuc系列所有機型的PLC也都能夠使用VersaPro來實現程序設計功能與組態。正是出于上述考慮，課題研究選用了VersaPro作為程序設計應用軟件。

4.2 程序設計

根據主程序的流程順序，以下分別說明了閘門控制系統主程序的具體編制細節。由于作為開高和荷重的測量數據，開高荷重測控設備所進行的是格雷碼傳遞，因此，為了確保上位機系統能夠準確接收，就需要適當的設備實現格雷碼和二進制數據之間的切換。

格雷碼，是用來克服傳統二進制數的不足，而形成的二進制代碼方式。在二進制數據中，在從某一個數到下一個數變化時，很可能會有兩個以上的數據位變化，而因為在讀取時間上的不同，也很有可能導致讀出出錯。為克服這一問題，人們專門設計了這么一種代碼，在其從任一數到其下某個數發生變化時，有一種數據位就會改變，以最大化的效果防止讀取時出錯，這便是格雷碼。采用格雷碼編碼的測控設備時，可按下述方式完成格雷碼和二進制數的切換運算。

控制系統使用兩個工業監控計算機和一個服務器作為上位機系統，兩個工業監控計算機系統實現相互熱備份。二臺工業監控電腦上均配置有組態化管理軟件InTouch 8.0和通信接口I/O Server，并利用光纖環網完成與現場PLC系統的通信，工業監控電腦可以圖像和動畫形式表示控制系統工作狀況，發出控制指令并完成錄入、保存和打印等消息處理。現地控制單元通過PLC向上位機傳送設備的真實狀況，并接受和運行上位機的實時控制命令。

5 結語

隨著中國水利工程現代化建設的進展，近幾年閘門自動監控系統也被廣泛應用。現在普遍采用的可程序化控制器，具有安全性高、組態靈活等優點。而操作站和管理電腦有的采用普通微機，有的則使用工控機，實現處理水平優化升級。未來將逐步向無人值守全自動化遠程集中控制方向發展。