（控制理论与控制工程专业论文）基于plc和组态软件的分布式闸门控制系统设计.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：杨黾卅豇指导教师签名： 日期：乙力f 。单箩舻。日期加秽j 矿 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：孙岛啦指导教师签名： 日期： 沙i l 取黯7 日期z 。ii 第多分 水是生命之源， 定性的意义。水推动 为了充分合理利用水 源管理和调度的重要 的积极作用。因此， 有重要的经济意义， 都江堰人民渠灌区是四川省重要的农业灌溉区之一，而人民渠渠首闸群在下游水量 的调节和沿岸的防洪中起着关键的作用。但在5 1 2 地震中，人民渠渠首闸群遭到了严 重的毁坏，给灌区内的农业生产带来很大的损失。为了减少损失，需要尽快建成人民渠 渠首闸门监控系统。 本文通过对都江堰人民渠渠首闸门监控项目的需求分析，遵循一定的设计原则，结 合分布式控制系统的思想，进行系统的集成设计。并在考虑系统的可靠性、经济性、易 操作维护性的情况下，确定了闸门监控系统的分布式结构。现场监控站的设计以p l c ( 可 编程控制器) 为核心，实现对现场闸门设备的控制及水资源相关数据的采集；系统网络 设计采用标准化、开放化且抗干扰能力强、经济性高的光纤以太网，并根据项目的实际 情况，采用星型与树型的混合跫网络拓扑结构，构成多个闸门现场测量控制站和干渠水 质现场测量控制站的分布式网络。远程监控站的设计以计算机及k i n g v i e w 工业组态软 件作为平台，构成主要监控站；为了保障系统可靠性，设计了一个基于p l c 及触摸屏 的备用监控站与计算机监控站组成双机热备系统；为了进行有效的远程干预，设计了远 程集中手动操作站，作为远程监控站的补充和备用设备。本文不仅自下而上重点讨论了 各监控站的设计，还对系统网络的结构和监控站的通信功能做了详细的介绍。 通过对整个系统的综合调试，实现了系统的正常运行，达到了系统设计要求。从移 交给用户使用以来，系统运行稳定，取得了良好的社会效益和经济效益。 关键词：闸门监控；分布式控制系统；k i n g v i e w ；p l c ；光纤以太网；远程监控 p e o p l ec a n a li r r i g a t i o nd i s t r i c to fd u j i a n g y a ni so n eo ft h ei m p o r t a n ta r e a so f a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o ni ns i c h u a np r o v i n c e ，a n dt h eg r o u po fg a t eh e a do fp e o p l ec a n a lp l a y sa k e yr o l ei nt h ed o w n s t r e a mw a t e rr e g u l a t i o na n df l o o dc o n t r o la l o n gt h ec o a s t h o w e v e r , a t t h e5 1 2e a r t h q u a k e ，t h eg r o u po fg a t eh e a do fp e o p l ec a n a lh a sb e e ns os e r i o u s l yd a m a g e d t h a tc a u s e dg r e a tl o s s e st oa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni ni r r i g a t e da r e a i no r d e rt or e d u c el o s s e s b u i l d i n gm o n i t o r i n gs y s t e ma ss o o na sp o s s i b l ef o rt h eg r o u po fg a t eh e a do fp e o p l ec a n a li s n e c e s s a r y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h en e e d so fm o n i t o t i n ga n dc o n t r o lp r o j e c tf o rt h eg r o u po f g a t eh e a do fp e o p l ec a n a lo fd u j i a n g y a n ，f o l l o w i n gc e r t a i nd e s i g np r i n c i p l e s ，c o m b i n e dw i t h t h ei d e ao fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m , t h es y s t e mi n t e g r a t i o ni sd e s i g n e d a n di nc o n s i d e r i n g s y s t e mr e l i a b i l i t y ，e c o n o m y , e a s yo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h ec i r c u m s t a n c e s ，t h eg a t e c o n t r o ls y s t e mt od e t e r m i n et h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r e s i t em o n i t o r i n gs t a t i o nd e s i g n e dt op l c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 硒t h ec o r e ，t oa c h i e v eo n s i t eg a t ec o n t r o la n dw a t e r - r e l a t e d e q m p m e n t ，d a t aa c q u l s m o n ；s y s t e mn e t w o r kd e s i g nu s e ss t a n d a r d ，o p e nt e c h n o l o g ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h i g h - f i b e re c o n o m ye t h e r n e t ，a n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ep r o j e c t ， t h eu s eo fs t a ra n dt r e et o p o l o g yf o rh y b r i dn e t w o r k s ，c o n s t i t u t et h em a n yg a t e sa n dc a n a l w a t e rq u a l i t yf i e l dm e a s u r e m e n tf i e l dm e a s u r e m e n t sc o n t r o l l e r sd i s t r i b u t e dn e t w o r ko f c o n t r o l l e r s 。r 刀够d e s i g no fr e m o t em o n i t o r i n gs t a t i o nt ot h ec o m p u t e ra n dk i n g v i e wi n d u s t r i a l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea sap l a t f o r m ，c o n s t i t u t e st h em a i nm o n i t o r i n gs t a t i o n ；i no r d e rt o p r o t e c ts y s t e mr e l i a b i l i t y , d e s i g n e db a s e do np l ca n dt o u c hs c r e e nc o m p u t e rm o n i t o rs t a n d b y m o n i t o r i n gs t a t i o n sa n ds t a t i o n sh o ts t a n d b ys y s t e m ；t oe f f e c t i v er e m o t ei n t e r v e n t i o n ，m a n u a l f o c u so nt h ed e s i g no ft h er e m o t es t a t i o n , r e m o t em o n i t o t i n gs t a t i o na sac o m p l e m e n ta n d b a c k u pe q u i p m e n t n l i sp a p e rn o to n l yf o c u s e do nb o t t o m 一叩d e s i g no ft h em o n i t o r i n gs t a t i o n ， b u ta l s ot h es t r u c t u r ea n dm o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns t a t i o nm a d ead e t a i l e d i n t r o d u c t i o n u g hd e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e m a c h i e v et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e r na n d t h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s h a sb e e nh a n d e do v e rt ot h eu s e r sf r o mt h es y s t e mi ss t a b l e ， a n da c h i e v e dg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：g a t ec o n t r o l ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ；k i n g v i e w ；p l c ；o p t i c a le t h e m e t ； r e m o t em o n i t o r i n g 2 都江堰人民渠渠首分布式自动化监控系统的集成设计【1 - 9 】6 2 1 系统设计原则6 2 2 系统结构设计一6 2 3 系统功能分析8 2 4 本章小结9 3 现场测量控制站的设计1 0 3 1 闸门现场测量控制站的设计f 1 9 - 2 4 j 1 0 3 1 1 闸门测量控制站的控制要求1 0 3 1 2 闸门测量控制站的硬件电路设计1 1 3 1 3 闸门测量控制站的软件设计1 7 3 1 4 闸门测量控制站的现场上位设计1 9 3 2 干渠水质现场测量控制站的设计【1 0 12 1 2 1 3 2 1 干渠水质检测系统一2 l 3 2 2 水质现场测量控制站的控制要求2 2 3 2 3水质测量控制站的硬件电路设计2 2 3 2 4 水质测量控制站的软件设计2 5 3 3 本章小结2 9 4 基于光纤以太网的分布式通信网络设计 6 - 9 3 0 4 1 光纤以太网特点3 0 4 2 光纤以太网的系统网络的结构设计【1 3 - 1 6 1 一3 1 4 2 1 光纤以太网的网络硬件连接设计3 l 3 2 3 4 4 0 4 3 4 4 4 4 4 5 设计5 8 6 3 6 4 6 8 7 l 7 2 7 3 7 3 6 2 闸门远程监控站的调试7 5 6 3 水质监测现场测量控制站的调试7 7 6 4 水质监测远程监控站的调试7 7 6 6 本章总结7 9 7 结论与展望8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间发表学术论文情况一8 2 致 谢8 3 i v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源及意义 课题来源：企业项目 。 该课题来自四川晨光信息自动化工程有限公司 项目名称：都江堰人民渠渠首自动化控制改造工程 课题意义： 我国的水资源十分丰富而且囝家非常重视水利建设，大力兴建水利工程和设施， 例如大型水电站，南水北调工程等等。冈此，水资源在我国生产和生活的很多方面部发 挥着重要的作用，例如水力发电、农田灌溉、工业生产用水以及人的饮水等。但是，我 国的水资源具有地区性和季节性的特点。大鼍水资源主要集中在西南和雨水充沛的南方 地区，而且在夏秋季节水量大，易洪涝；在春冬季节水量小，易干旱。因此，为了充分 合理利用我国水资源，水资源的统一调度、统一配置、统一管理是非常必要的。 作为水利基层工程之一的闸门是现实中水资源管理和调度的重要手段，而且在防 洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面发挥着巨大的积极作 用。因此，建设闸门自动化监控系统不仅具有重要性，而且具有现实性。- 一 随着计算机技术、数字控制技术和网络通讯技术的不断发展，工业自动控制系统也 进入一个全新的时代，正向着开放化、智能化、网络化、彻底集散化的方向发展。采用 新技术、新设备对闸门控制系统进行现代化改造是水利工程建设发展的必然趋势，并且 对水利建设有着深远的意义。 此外，本课题项日是5 1 2 地震灾后重建的重点项目之一。都江堰人民渠灌区是四 川省_ 霞要的农业灌溉区之一，而人民渠渠首闸群对下游水量的调节和人民渠沿岸的防洪 起着关键的作用，但在5 1 2 地震中，人民渠渠首闸群遭到了严重的毁坏，给人民渠灌 区内的农业生产带来很大的损失，为了减少损失，需要尽快建成人民渠渠首闸群监控系 统。通过这次现代化改造，不单是恢复被地震破坏的人民渠渠首枢纽系统的正常功能， 更重的是要将人民渠渠首枢纽系统建成一个高层次的综合自动化监控系统，达到提高管 理水平，增大水的利用率，方便系统的维护和操作，使系统更安全可靠。 1 2 项目需求分析 ( 1 ) 实现分散监控和集中监控 项目中监控点的分布图如图1 1 所示，从图中可知，这次改造的项目有多个闸房， 在闸房内被控设备闸门启闭机分布在多个区域，要求系统不仅能够在现场进行闸门的监 制特点， 易发生 ( 3 ) 系统操作要简单，维护要方便 操作及维护人员的能力和熟练程度参差不齐，要尽量做到即使是新手的操作人及维 护人员，经过简单培训就能正确完成必要的操作。 ( 4 ) 系统的经济效益要高 综合考虑一次投入的建设成本和系统建成后的运行成本，尽量做到使有限的投资， 能产生大的效益。 ( 5 ) 系统要有安全保护 当系统出现故障时，为了减少对设备的损害和人员的安全，系统必须有较完善的安 全保护功能。 1 3 分布式控制系统在闸门监控中应用概况h 】 1 3 1 分布式控制系统的概况 ( 1 ) 分布式控制系统发展历史 分布式控制系统足以微处理器为基础的、实行集中管理、分散控制的计算机控制系 统。它实现了地理上和功能上的分散控制，并且将分散的信息集中起来，进行集中的监 视和管理。分布式控制系统自问世以来，其自身的发展与更新也非常迅速，技术性能也 2 西华大学硕士学位论文 不断的得到完善。它的发展历史经历了四个时期：1 9 7 5 年到1 9 8 0 年为初创期，技术上 主要实现了分散控制；1 9 8 0 年到1 9 8 5 年为成熟期，技术上主要增强了局部网络技术， 实现全系统信息的综合管理；1 9 8 5 年到1 9 9 0 年为开放期，技术上主要实现了通信网络 采用了标准化的通信协议。2 0 世纪9 0 年代初到2 0 世纪9 0 年代中期为新的发展期，由 于计算机技术、通信技术、控制技术特别是网络技术的快速发展，出现了以管控一体化 为特点的新型分布式控制系统。 ( 2 ) 分布式控制系统的发展趋势 进入2 l 世纪后，受网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线 技术、数据库技术以及各种组态软件技术发展的影响，形成了以信息化和集成化为特点 的新一代分布式控制系统。信息化体现在它不再只以控制功能为主，而且还是一个信息 管理的综合平台，它可以提供从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到 企业集团的整个全面的信息通道。集成化体现在功能的集成和产品的集成。功能集成是 指除了保留其过程控制功能外，还集成了p l c 的逻辑控制功能、智能采集控制单元、 各种多回路调节器等。产品集成是指其各个组成部分采用第三方产品或通用性的产品。 这种发展趋势使得分布式控制系统成为混合型控制系统。 与现场总线技术相融合，将现场总线技术集成于分布式控制系统中，发挥现场总线 一 技术的先进性，使得控制功能彻底分散化。 与p l c 控制技术相融合，用p l c 构建或改造分布式控制系统，一方面可以充分发t 挥p l c 控制系统的优势，保证可靠性、稳定性、实时性。另一方面可以根据系统的规 模灵活配置，大幅度降低成本。此外，分布式控制系统每一层的网络类型和通信速度都 有所不同，而在工业控制中，大量的数据只需在较低层网络中传输，仅有少部分数据需 跨网传输。针对这一特点，采用以p l c 为控制器，网络采用标准工业以太网及其协议 构建分布式控制系统，可以更方便更快速的传输信息。本次课题的设计采用的就是此种 系统结构。 1 3 2 国内外分布式控制系统在闸门控制中的应用 闸门在水资源的调度中起着非常重要的作用，但由于闸门在地理位置上的分散性， 使得闸门监控系统本质上属于分布式控制系统，因此，分布式控制系统在闸门监控中得 到了厂泛的应用，并且随着分布式控制系统的发展，闸门监控系统也在不断的完善。 在国内，最初闸门的分布式监控系统是从国外引进的，系统网络结构简单，系统主 要实现闸门的集中控制，对系统运行的监视较少，自动化程度不高；并且由于其现地控 制单元l c u 、上位监控设备及系统通信网络的专用性较强，因此系统的建设成本和运行 成本很高。随着计算机技术、控制技术、网络通信技术的发展，标准化、开放化的现场 总线的广泛应用，于是基于现场总线的分层分布式闸门监控的研究和应用开始盛行起 3 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 ，同时p l c 控制系统的模拟量处理能力和通信网络能力的提高，使用p l c 替代了原 的l c u 。系统网络出现了两层或两层以上的结构，系统对数据的采集和设备的监控比 全面，可以实现闸门的组控或群控，自动化程度有了很大的提高，并具备了较强的数 管理能力。近年来，随着水利现代化的建设，智能化和信息化的分布式闸门监控系统 发展的趋势，目前国内大部分灌区的闸门监控系统已基本实现水情数据的自动采集和 测，并把数据传输到管理部门，但是在根据有关数据进行远程自动监测和控制方面成 的经验还不多。 在欧美发达国家，闸门的分布式监控系统应用比我国要早，系统的自动化水平比我 的要高。很多地区都建立了区域性的闸门监控系统，实现了闸门监控的信息化和智能 。如美国的s r p 灌区自动化灌溉系统，可以同时采集1 0 0 多点的水位、闸门开度和其 信息，通过计算机处理后，控制几百座闸f - j 、1 5 0 多处泵站的运行。 4 课题研究的主要内容及系统组成 本项目主要通过采用西门子公司的s 7 2 0 0 型p l c 及其i o 模块、以太网总线模块、 控科技有限公司的“组态王”监控软件、研华工业p c 机等硬件，构建一个闸门分布 控制系统，包括控制系统的综合集成设计、现场控制站系统的设计、控制层通信网络 设计、上位监控设计及远程监控设计。课题研究的主要内容如下： 1 ) 完成系统的集成设计 系统设计原则的制定 系统的结构设计 系统功能的设计 2 ) 完成现场控制站的系统设计 完成闸门现场测黾控制站的软硬件系统设计 完成千渠水质现场测量控制站的软硬件系统设计 3 ) 控制层的分布式通信网络设计 配置网络拓扑结构及硬件连接 $ 7 - 2 0 0 与$ 7 - 2 0 0 之间的以太网通信实现 监控计算机与$ 7 - 2 0 0 之间的以太网通信实现 4 ) 远程监控系统设计和信息的管理及存储 基丁二计算机及组态软件的远程监控站设计 基于p l c 及触摸屏的备用监控站设计 远程集中手动系统设计 4 西华大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题的课题来源及意义，国内外分布式控制系统的发展历史及现 状，提出了本课题需要完成的主要内容及系统组成。 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 2 都江堰人民渠渠首分布式自动化监控系统的集成设计1 9 1 2 1 系统设计原则 根据本文1 2 节项目的需求分析，本次设计遵循一下几个原则： ( 1 ) 采用成熟先进的技术组建稳定可靠的控制系统。 ( 2 ) 采取多方面的措施保障系统的可靠性：从系统的产品质量方面，采用 西门子的p l c 控制器和操作面板和施耐德的低压电器产品；从系统的通信网络 方面，采j j 抗干扰的光纤网络；从控制设计方面，系统具有多种控制方式和控制 模式，尽可能全面监测设备故障并实现报警和控制程序互锁。 ( 3 ) 系统结构设计尽可能要简单清晰，硬件设计要多采用组件式、模块化 的元件，易于维护。人机交互界面设计要尽量做到人性化，便于用户理解和操作。 ( 4 ) 由于此次项目系统规模不大，控制量的类型多为离散性变量，控制算 法并不复杂，而现成的d c s 系统产品擅长连续量的过程控制和复杂算法控制， 虽然也能实现离散过程控制，但是与p l c 加计算机的混合系统相比，成本太昂 贵，其优势也得不到发挥。因此，此次项目的控制系统并没有选用现成的d c s 系统产品，工程师站和操作员站采用通用工业计算机和组态软件，控制站采用 p l c ，通信网络采用成本低廉的以太网，构成高性价比的分布式系统。 ( 5 ) 在系统出现故障时，不仅要先停l e 系统运行，还要做到用报警信号提 示操作人员，并显示报警信息以方便维护系统。 通过这些设计原则，都江堰人民渠渠首分布式闸门监控系统采用远程监控站 采用工业计算机和组态软件，控制站采用p l c ，通信网络采用成本低廉的以太网。 2 2 系统结构设计 都江堰人民渠渠旨分布式闸门监控系统的拓扑结构可以分为三层，如图2 1 所示：第一层为现场测鼍控制层，第二层为网络连接层，第三层为远程监控及信 息管理层。要求现场测鼍控制响应时间 0 3 s ，网络响应时间 0 ，5 s ，因此远程监 控的响应时间 0 8 s 。 6 斟舀斟斟斟出 l 引矗蜘帆抽描啪帆7 # 嗣机”b 嘲机2 # b 机h 翊讥 拦河闸进水闸渣洪闸 图2 1 系统结构 f i g u r e 2 1s y s t e ms l t u c t u r e ( 1 ) 现场测量控制层包括闸门测量控制站和干渠水质测量控制站。在系统 中有1 0 孔闸门，每一孔闸门在现场均配置一个控制站，闸门控制站由以p l c 为 控制核心的自动控制回路和以继电器为控制元件的手动控制回路构成，实现闸门 的控制和采集闸门开度、闸门荷重、闸门启闭状态的数据采集，并将所采集的数 据上传到远程监控中心。干渠水质测量控制站由以p l c 为控制核心的河水取样 回路和以哈希s c l 0 0 0 水质检测控制器为测鼍核心的水质检测回路构成，完成水 质数据检测采集并将数据上传到远程监控中心。图像采集装置由摄像头和控制摄 像方位的云台构成。 ( 2 ) 网络连接层采用光纤以太网进行信息传输。网络连接层主要由光纤收 发器、多模光纤、网络交换机、网络通信模块等构成，完成现场与远程监控中心 之间的数据交换。数据由现场到远程监控中心的传输过程：现场采集到的电信号 数据经光纤发送器转换成光信号传输到远程监控中心，远程监控中心接收到的光 信号再经光纤接受器转换成电信号数据提供给计算机处理。同样，由远程监控中 心发出的命令数据传输到现场也要经过上述过程。 ( 3 ) 远程监控层。远程监控包括布设在中央控制室的由工业计算机及监控 软件组态王v 6 5 2 组成的监控站。远程监控站完成系统所检测的闸门开度、闸门 荷重、闸门启闭状态、干渠水质等所有数据的采集，在监控界面上控制设备的运 7 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 行，实现水的调度。在本设计中，采集的一部分数据还将存储到一台服务器的 s q ls e r v e r 数据库中，供其它客户机访问和使用服务器中的数据。 此外，为了使系统更加町靠，在进行本系统的远程监控设计时，还设计了由 s 7 2 0 0 及操作面板t p l 7 7 m i c r o 组成了远程监控站的的备用监控站，当基于p c 机的远程监控站出故障时，备用监控站可立即投入使用；为了进一步增强其町靠 性，还设计了种由硬线缆继电控制回路组成的远程集中手动操作系统，当自动 控制系统发生故障时，通过控制模式开关使集中手动操作回路获得系统控制权， 避免系统崩溃。 2 3 系统功能分析 本项目设计的都江堰人民渠渠首分布式自动化监控系统包括闸门监控系统、 干渠水质监控系统、图像监控系统等三个子系统。闸门监控系统主要是通过计算 机和p l c 监控系统检测的闸门开度、闸门荷重，闸门启闭状态等信息的采集与 传输，能够在监控中心远程控制闸门启闭及闸f - j 自动控制。干渠水质监控系统主 要是通过在线检测系统对河水的p h 值、溶解氧、氨氮、硫化物、水温、浊度等 多种参数的监测，能够监测水体的质量。图像监控系统主要是通过摄像系统对现 场进行实时图像监视，能够确认系统及其周围环境的安全情况。 系统功能具体说明如下： ( 1 ) 数据采集与处理。通过配置的检测传感器，采集现场的实时数据，并 进行必要的预处理后经网络层上传至中央控制室的远程监控计算机，然后以一定 的格式存入数据服务器供其他客户机访问。按照信号性质的不同可分为模拟量、 开关量、脉冲数字量及图像数字量等，其采集的方法与处理也不同。 模拟量采集与处理。此次系统采集的模拟量包括闸门荷载和干渠水体的温 度、浊度、电导率、氨氮、溶解氧等。采集时要进行信号采集单元设置、量程设 定、标度换算、超限报警等处理。 开关量采集与处理。此次系统采集的开关量包括启闭机运行状态、故障信 号、系统控制方式信号等，采集到的信号状态以指示灯或图形化的标志显示以监 视所进行的操作或设备的运行过程。 ， 脉冲数字量采集与处理。此次系统采集的脉冲数字量为闸门开度。通过绝 对值编码器将闸门歼度值转化成二进制编码，然后经标度换算后得到闸门开度位 置值。 ( 2 ) 控制与调节。操作员通过监控计算机、现场控制站的操作面板及操作 按钮控制闸门启闭、闸门开度及水质采集，设置运行参数，进行报警处理。 8 9 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 现场测量控制站的设计 由本文2 2 节的系统结构可知，本系统有1 0 个闸门现场测量控制站，但每 个站的结构和功能完全相同，它们的设计可以归结为同一类监控站的设计，除 之外，还有一个干渠水质现场测量控制站，因此，本节将藿点介绍闸门现场测 控制站和干渠水质现场测量控制站的设计。 1 闸门现场测量控制站的设计1 9 _ 2 4 】 闸门作为水利系统最基层的工程之一在防洪抗灾中扮演了重要角色，除了满 水利部门的用水需求外，在防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环 保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。由此可见，闸门监控系统是整个系 的核心，而闸f - w 2 场测量控制站又是实现闸门监控系统的基础，所以闸门控制 路的可靠性设计极其重要。 1 1 闸门测量控制站的控制要求 在本系统中闸门的控制就是依据采集到的数据，经操作员判定后，调节各个 门的实际开度。控制要求主要有以下几点： 能够显示数字闸位、闸门荷载、电网电压、启闭机运行电流等参数；闸门 升、下降运行状态指示及系统报警指示。 具有现场手动控制和远程控制。手动控制就是不依赖p l c 、计算机等设备， 在现场可以提升或降落闸门；远程控制就是在监控中心通过操作界面或集中手动 操作系统控制闸门。 具有机械限位、负荷过载、启闭机过载、控制方式互锁等安全保护功能 具有与远程监控站通信的能力。能够将过程参数、运行状态传输到监控中 心；能够接受远程控制命令。 根据要求分析，闸门控制回路设计了实现远程控制的p l c 控制回路和现场 手动控制回路。p l c 控制网路辛要由西门子p l c s 7 2 0 0 的c p u 2 2 4 模块、数字 量输入模块e m 2 2 1 、模拟量输入模块e m 2 3 1 、文本操作屏及外围电路等构成， 实现闸门的远程控制和监控数据的采集。手动控制同路主要由交流接触器、中间 继电器、过载保护继电器、操作按钮等构成，实现闸门的现场控制。本站的通信 设计足由以太网通讯模块c p 2 4 3 1 将现场测量控制站集成到系统的以太网中，这 部分将在f 一章的系统光纤以太网设计中介绍。 1 0 3 1 2 闸 ( 1 ) 闸 本项 及定滑轮 图3 1 启闭机传动机构 f i g u r e 3 1t r a n s m i s s i o ng e a ro f h o i s t 乞 动滑轮及定滑轮组合结构如图3 2 所示。根据滑轮结构原理可知，当钢绳卷 放长度l ，则闸门实际升降高度为1 2 l 。 图3 2闸门升降的动滑轮及定滑轮组合结构 f i g u r e 3 2c o m p o s i t es t r u c t u r eo f m o v a b l ep u l l e ya n df i x e dp u h e yo f l i f t i n gg a t e 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 闸门开度检测 使用欧姆龙公司的光电编码器e 6 c n 作为闸门开度检测传感器。e 6 c n 是 绝对型多旋转高精度光电式编码器，电源为直流1 2 v 2 4 v ，位置信号输出分为 单旋转的9 位二进制编码输出和多旋转8 位进制码输出，一路计数器数据溢出 输出信号，单旋转数据复位和多旋转数据复位两路输入信号。其单旋转绝对值 0 5 0 0 ，多旋转绝对值1 2 8 + 1 2 7 。优点是断电数据保持，使用原点复位信号可以 方便设定原点位置。 闸门荷载检测 根据闸门的升降结构町知，闸门荷载检测分为闸门左荷载检测和右荷载检 测，荷载检测传感器安装在定滑轮的支点卜。它们都是通过z x 型荷载传感器检 测的，z x 型荷载传感器是一款集信号检测和信号处理为一体的传感器，应力元 件将感受到的非电量物理信号，通过信号检测和信号处理电路，最终转化成标准 电量信号。量程o 1 5 t ，对应标准信号4 2 0 m a 。信号线为阴线制，电源为2 4 v d c 。 闸门状态检测及启闭机运行参数检测 使用机械行程开关检测闸门的上下极限位置，并防止闸门超出规定的闸门行 程。通过检测闸门开度检测传感器的溢出信号监视闸门开度的测量是否正常。使 用电压表检测肩闭机运行电压，使用电流互感器及电流表检测运行电流。通过热 继电器检测肩闭机的过载。由于启闭机的不足直接启动而是串电阻分段启动的， 通过检测其启动信号监视启动过程。 闸门监控系统的控制信号 控制闸门的信号只有上升和下降，但在控制闸门进行运行的过程中，若控制 系统出现故障，需要发出报警信号。由于在进行闸门开度检测时，还需要控制信 号设定闸门开度的零点。 ( 2 ) p l c 的i o 变量表。根据控制要求及闸门监控分析的情况，闸门监控 的i o 变量表如表3 1 ，总i o 点数为3 4 点，其中数字量输入为2 7 点，模拟量 输入为2 点，数字量输出为5 点。 表3 1 闸门监控i 0 变量 t a b l e3 1m o n i t o r i n gi ov a r i a b l eo f g a t e 变量名称变量地址 注释备注 1 0 0 备用 i o 1 备用 e s i o 2 急停开关 l o c a lm o d e i o 3 控制方式开关 1 2 _ 一 西华大学硕士学位论文 u p l i m i t i o 4 闸门上限位置 d o w n l i m i t 1 0 5 闸门下限位置 v e r l o a d m o t o r 1 0 6 启闭机过载 u p g a t e s t a t e 1 0 7 闸门+ 卜升状态备用 d o w ng a t e s t a t e 1 1 o 闸门f 降状态备用 c u t0 f fr 11 1 1 启动第一阶段 c u t o f f r 2 1 1 2 启动第_ 二阶段 1 1 3 备用 a l a r m _ o v e rg a t e i i 4 闸位溢出粉 e 0 s i n g l e 1 1 5 编码器单圈输出码最低位褐 e l s i n g l e 1 2 0 橙 e 2s i n g l e1 2 1 黄 e 3s i n g l e1 2 2 绿 e 4 s i n g l e 1 2 3 蓝 e 5 _ s i n g l e 1 2 4 紫 e 6 _ s i n g l e 1 2 5 灰 e 7 s i n g l e 1 2 6 白 e 8 一s i n g l e 1 2 7 编码器单。圈输出码最高位 粉 e 0 _ m u l 印l e 1 3 0 编码器多圈输出码最低位 褐 。 e lm u l t i p l e1 3 1 橙 e 2 一m u l t i p l e 1 3 2 黄 e 3 一m u l t i p l e 1 3 3 绿 e 4 _ m u l t i p l e 1 3 4 蓝 e 5 _ m u l t i p l e 1 3 5 紫 e 6 _ m u l t i p l e 1 3 6 灰 e 7 _ m u l t i p l e 1 3 7 编码器多圈输出码最高位白 r e l a y _ u p q o 0闸门上升 r e l a y _ d o w nq o 1 闸门下降 r e s e t _ s i n g l eq o 2绝对值编码器单圈复位 r e s e tm u l t i p l e q o 3绝对值编码器多圈复位 q o 4备用 i n d i c a t o r f a u l tq o 5故障指示灯 a i w 0 a i w 0 闸门左荷载输入 a i w 2删2 闸门右荷载输入 ( 2 ) 主要电气元件选型及电气图设计。p l c 选用s 7 2 0 0 的c p u 2 2 4 ，其i o 点为1 4 输入1 0 输出，根据i o 变量表的统计，显然数字量输入点不够，因此选 用1 个1 6 点的数字量扩展输入模块e m 2 2 1 。由于需要处理2 路模拟量，因此选 1 3 基于p l c 和组态软件的分布式闸门控制系统设计 用1 个模拟量输入模块e m 2 3 1 。选用文本操作屏t d 4 0 0 c ，实现现场参数的设定 和监视。另外，还需要对启闭机的低压控制电路元件进行选型，根据启闭机的额 定功率1 6 k w ，计算其额定电流大约为3 2 a 左右，选用触点额定电流为3 8 a 的 接触器、过载热保护整定电流范围在2 8 3 6 a 的热继电器。为了监视启闭机的运 行电流及电网电压，选用1 个最大量程为4 5 0 v a c 电的压表，1 个最人量程为 7 5 a 的电流表及1 个电流互感器。 电气主电路如图3 3 所示，在图3 3 中的启闭机为绕线式三相电动机，如果 采用直接方式，电动机启动冲击性电流为额定电流的5 7 倍，会对电机的产生冲 击性的损害，降低电机的使用寿命，所以，电机启动采用了定子线圈串电阻的启 动方式，达到降低启动电流的目的。 图3 3 电机丰电路 f i g u r e 3 3t h em a i nc i r c u i to f m o t o r p l c 控制电路如图3 4 所示，手动控制回路如图3 5 所示。在图3 5 中，根 据电流表检测的启动电流的大小，启动电阻的接入电路的时间可以通过时间继电 器调整。 1 4 备慝备慝急碍芝撂二霞鬏下吸艰载嚣，麓蜂予辟蘑唯颤翁糖壤喧芑敬毽嘎主蕈匿 + 力磊 毫虽宅貔溢2低气搬僵 1 #2 # 图( a ) 旺* 7 ： 7 ， i j ： l 盹计 丽丁天嚣飞i bi n 27 i n 2 4 ：惦：h 2 e 琳“ i 髓 仅：言) 月疆蓑 尊( 右) 图( b ) 图3 4 闸门测量控制站的p l c 控制电路 f i g u r e 3 4p l cc o n t r o lc i r c u i to fg a t em e a s u r e m e n tc o n t r o l l e r 1 5 基于p l c 和组态软件的分布式闸门拧制系统设计 1 ：限锰 一k 一。r |t 下限位 图( a ) g ； k 6 kt 2 & k h3 隧：，匿口_ 一 !i l _ 一j # 差动 电驻贸除 2 # 眉动 电墅贸除 。 名 - l a i c t 、7 s ? s 0 l 一s 2 7 s 卜# ；i v l 一一 眩m h s 3 - k m i i s 3；2 。k h l j 。k s 厶 ：甲i 、 、 i i 难1 。， k 1 1 “趴 、“h ： 一h 牛三。莩 k ”t ：，f 琴哔 二升下降 图( b ) 图3 5 闸门测量控制站的手动控制电路 f i g u r e 3 5m a n u a lc o n t r o l c i r c u i to fg a t em e a s u r e m e n tc o n t r o l l e t 1 6 pk ? 州 r f_j，t_。j-_l_ej_1_j_，l-t|。，ih_。_-_。_f t k 宁i l 。t jl_mw暾 ，l l 水 o p 西华大学硕 学位论文 3 1 3 闸门测量控制站的软件设计 闸门测量控制站的软件设计内容包括程序结构和程序功能两个方面。 ( 1 ) 闸f - j 澳t j 量控制站的程序结构设计 为了使程序的结构清晰，方便调试，闸门p l c 监控程序结构设计采用功能 子程序化的编程思路：将闸门的监控功能划分成闸门开度检测、闸门荷载检测、 系统状态检测、系统故障报警、以太网通信等多个子功能，将每个子功能编写 成一个子程序，在主程序中按照控制逻辑顺序进行各个子程序的调用。闸门监控 程序流程图如图3 6 所示。 鼢箩l 囱囱 n o 广 i 运行停止i i 。一 豳 t 图 图3 6 闸门监控程序流程图 f i g u r e 3 6p r o g r a mf l o w c h a r to f m o n i