1．引言 懷洪新河西起安徽懷遠(yuǎn)縣、東至江蘇洪澤湖，全長300余公里，是國家治理淮河的關(guān)鍵工程之一。其中在安徽蚌埠境內(nèi)有三座水閘，即懷遠(yuǎn)縣何巷分洪閘、五河縣西壩口節(jié)制閘、固鎮(zhèn)縣新胡洼節(jié)制閘（包括一孔船閘），由蚌埠市河道局統(tǒng)一管理。由于三閘和總局四地相距都在幾十公里以上，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一調(diào)度，特設(shè)計(jì)了三閘聯(lián)動(dòng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 2．系統(tǒng)功能 1）實(shí)時(shí)監(jiān)測。對各扇閘門開關(guān)狀態(tài)及開度、上下游水位值、工作電源、電機(jī)狀態(tài)等運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視，并在現(xiàn)場及上位機(jī)中顯示。 2）現(xiàn)場閘門控制。在操作現(xiàn)場對閘門操作，并可在現(xiàn)場信號燈、儀表等顯示單元中觀察操作進(jìn)程。 3）遠(yuǎn)方閘門控制。在控制室的工控機(jī)和繼電器柜的觸摸屏上，根據(jù)水文調(diào)度方案和閘門標(biāo)準(zhǔn)控制方案進(jìn)行遠(yuǎn)方操作。遠(yuǎn)方操作優(yōu)先級低于現(xiàn)場操作，現(xiàn)地柜的急停按鈕可以中斷任何類型的操作。 4）閘門啟閉優(yōu)化?？筛鶕?jù)閘門啟閉特性、操作規(guī)程，編程確定閘門最優(yōu)運(yùn)行模式（如可分段開啟、成組開啟、確定最優(yōu)開啟閘數(shù)和開度等）。 5）完備的網(wǎng)絡(luò)功能?？稍诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)布信息，將異地三個(gè)閘門的運(yùn)行狀態(tài)和水位集中顯示在蚌埠河道局的服務(wù)器上，使調(diào)度中心能實(shí)時(shí)掌握信息，集中管理，統(tǒng)一調(diào)度。 6）故障顯示和報(bào)警。具有電機(jī)過熱、超限制數(shù)量同時(shí)啟動(dòng)、閘門開拒動(dòng)、關(guān)拒動(dòng)、下滑等故障的報(bào)警功能及保護(hù)手段。 7）事件紀(jì)錄、流量統(tǒng)計(jì)及打印功能。能夠?qū)﹂_關(guān)閘的時(shí)間、開度等作記錄，對較長時(shí)期的上下游水位和流量作趨勢統(tǒng)計(jì)，便于分析閘門的運(yùn)行情況和效益。 3．系統(tǒng)組成 整個(gè)閘門監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)視單元、集中控制單元、現(xiàn)場執(zhí)行單元、閘門位置、水位、電機(jī)狀態(tài)采集裝置構(gòu)成，如圖1所示： 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看到，系統(tǒng)可分為四層： 第一層為遠(yuǎn)程監(jiān)視單元。在蚌埠河道局總調(diào)度室建立網(wǎng)上工作站，通過互聯(lián)網(wǎng)利用西門子的WinCC Web Navigator軟件把三地上位機(jī)WinCC的數(shù)據(jù)傳送至工作站，以便于實(shí)時(shí)查詢?nèi)l狀況，作出統(tǒng)一規(guī)劃。在四地均有微波發(fā)射接受裝置，還可通過微波通信傳輸現(xiàn)場有線電視的圖像信息，在內(nèi)線電話中交流信息、發(fā)布指令，以備洪水損壞網(wǎng)上通信線路時(shí)使用。 第二層為集中控制單元，由工控機(jī)、觸摸屏、PLC構(gòu)成。在三地各閘上均設(shè)有工控機(jī)和觸摸屏，工控機(jī)放在控制室中，觸摸屏放在現(xiàn)場繼電器柜上，二者同級，由一個(gè)選擇開關(guān)選擇，都能察看現(xiàn)場信息、對現(xiàn)場的十余臺啟閉電機(jī)進(jìn)行操作。工控機(jī)、觸摸屏通過MPI總線連在同一個(gè)下位PLC上，由二者發(fā)出指令，PLC判斷執(zhí)行；PLC還不斷檢測電機(jī)狀態(tài)、閘門開度、水位值，并將結(jié)果送往二者顯示。 第三層為現(xiàn)地監(jiān)控單元，由操作箱、旋轉(zhuǎn)編碼器、顯示儀表組成。每個(gè)啟閉電機(jī)均有一個(gè)操作箱，上面有遠(yuǎn)控、現(xiàn)地選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)處于遠(yuǎn)控時(shí)，工控機(jī)、觸摸屏操作有效；當(dāng)開關(guān)處于現(xiàn)地時(shí)，操作箱上的按鈕有效，以保證在PLC失電的情況下仍能單個(gè)手動(dòng)開關(guān)閘門。而電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器將開度信息送給儀表在面板上顯示，同時(shí)儀表又將其轉(zhuǎn)化為電流信號轉(zhuǎn)給PLC。 第四層為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)PLC或現(xiàn)地柜發(fā)出開關(guān)指令時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)閘門開啟關(guān)閉。 4．系統(tǒng)軟硬件配置 本系統(tǒng)PLC采用西門子S7-300系列、PLC程序編輯軟件采用西門子Step7V5.2；工控機(jī)選用研華工控機(jī)，加裝西門子CP5613A2網(wǎng)卡，與PLC的MPI口相連，操作系統(tǒng)采用Windows2000 Professional、上位組態(tài)軟件采用西門子WinCC5.1、遠(yuǎn)程網(wǎng)上通訊軟件采用西門子WinCC Web Navigator，觸摸屏采用施奈德XBTG－5230，除觸摸屏外各部分完全兼容。PLC的CPU型號314-1AF10-0AB0，0.1微秒指令執(zhí)行時(shí)間，48K工作內(nèi)存，另加24K存儲卡，可備份指令和保存數(shù)據(jù)塊，MPI總線運(yùn)行波特率187.5Kbps,CPU共可接32個(gè)模塊，根據(jù)點(diǎn)數(shù)實(shí)際加載10個(gè)模塊左右，用IM365擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架；系統(tǒng)開關(guān)量檢測和輸出使用DC24V、32點(diǎn)的SM321、SM322，水位和閘門開度檢測采用4-20mA信號，使用8通道16位的SM331，采樣頻率50Hz。組態(tài)軟件WinCC5.1集編輯、運(yùn)行功能于一體，還可在激活時(shí)加載Web Navigator，向遠(yuǎn)方網(wǎng)上工作站發(fā)送信息。施奈德的觸摸屏XBTG－5230要和西門子的PLC通訊需重載通用的Boot程序，與MPI接口連線如圖2所示： 圖2 施奈德觸摸屏與西門子PLC的MPI接口連線圖 5．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖3 軟件流程圖 如圖3所示，系統(tǒng)的主要控制程序放在PLC中，包括模擬量采樣濾波及線性變換、故障判斷及報(bào)警、單孔及成組控制程序；而流速和流量積算程序因?yàn)閷?shí)時(shí)性要求低、分支選擇語句多、查表程序復(fù)雜，放在工控機(jī)上執(zhí)行。 系統(tǒng)控制方案有單孔和成組兩種，單孔即每孔閘門的開、關(guān)、停和自動(dòng)動(dòng)作到指定開度的控制方案；成組即每地閘門根據(jù)工藝要求和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)形成的一組閘門的聯(lián)動(dòng)控制方案，三地閘門各不相同，應(yīng)在當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T的要求和指導(dǎo)下完成。 閘門開度和上下游水位經(jīng)儀表轉(zhuǎn)換后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的4-20mA信號，再經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換變?yōu)?-27648的整數(shù)值，要成為實(shí)際顯示的開度和水位值，還必須經(jīng)過程序線性變換；由于采用模擬信號，不可避免的會有干擾，因此還要有濾波程序。 故障判斷有三種：開拒動(dòng)、關(guān)拒動(dòng)、下滑故障判斷。程序采用每三秒記一次電機(jī)狀態(tài)和開度值的方法，如連續(xù)兩次為開閘狀態(tài)但開度未增加或增加極小，則視為開拒動(dòng)故障；連續(xù)兩次為關(guān)閘狀態(tài)但開度未減小或減小極小，則視為關(guān)拒動(dòng)故障；連續(xù)兩次為停機(jī)狀態(tài)但開度減小，則視為下滑故障。這樣時(shí)間上會有3-6秒誤差，但不用每個(gè)閘門都使用3個(gè)單獨(dú)的定時(shí)器，減小了幾十個(gè)定時(shí)器的數(shù)目。任一故障都會引發(fā)報(bào)警，直至被人工消除。 流速和流量積算放在WinCC的全局腳本中執(zhí)行，每10秒循環(huán)執(zhí)行一次，結(jié)果存儲在PLC上，使觸摸屏也能查詢；流速還可在WinCC中存檔，形成歷史趨勢，以供查詢評估。 在WinCC中集成了完善的圖形監(jiān)控、故障報(bào)警、用戶管理、事件紀(jì)錄、歷史統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印等功能，作為一種優(yōu)秀的組態(tài)軟件，完全能夠滿足系統(tǒng)要求；在加入Web Navigator后，三地閘門成為服務(wù)器端，蚌埠總局通過客戶端即可實(shí)時(shí)了解三地閘門的運(yùn)行情況，并據(jù)此發(fā)布指令。這樣便形成了一個(gè)完整的三閘聯(lián)動(dòng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 6．結(jié)語 本閘門監(jiān)控系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制器件及先進(jìn)的組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完全能夠滿足實(shí)際運(yùn)行所需要求，并具有很高的可靠性和一定的擴(kuò)展能力，對于中小型水閘十分適用。該系統(tǒng)是確定防洪、灌溉方案時(shí)的依據(jù)，能及時(shí)可靠地提供信息資料，并能迅速地根據(jù)指令完成聯(lián)動(dòng)操作，具有巨大的安全和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn): 1.郭易，胡婉明，楊業(yè)平.實(shí)時(shí)閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.水電站機(jī)電技術(shù).2004，3：（50-51） 2.顧燕，徐立中.基于現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng).電子技術(shù)應(yīng)用.2001，5：（33-34） 3.李成林，尹祥國，方文莉.察爾森水庫溢洪道閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng).東北水利水電2001，12：（8，14） 4.羅衛(wèi)國.閘門監(jiān)控系統(tǒng)淺談.人民珠江.2002，1：（46-47）