水库闸门集中控制系统的优化改造分析

范靖

〔三门峡黄河明珠（集团）有限公司，河南 三门峡 472000〕

1 引言

传统闸门启闭控制器，通常采取继电器—接触器方法，因为有接点的受控设备，动作状态简单直观，便于故障发现与消除。因为这种传统的测控方法构造简易、廉价，所以在相当范围内也适应了对简单自动控制的要求。但是随着测控科学技术的发展，这种传统的测控方法在安全性、灵敏度和排除故障等方面的不足正在日益明显，目前正逐渐遭到淘汰。此外，在闸门的自动监测控制体系中也逐渐使用了一系列更现代化的信息技术，如集散管理、分布式网络信息技术、现场总线网络信息技术、以太网信息技术、可编程控制器等。

2 闸门自动控制系统总体设计方案

2.1 系统集成

系统集成是从满足用户的实际使用需要以及所投放流动资金的一定数量规模为基本出发点，通过综合运用各类电脑与计算机网络的有关科学技术，并合理地选用各类软硬件设施，进行对有关人员和设备的综合工程设计、装配设计调试和使用研究等专业性管理工作，以及有关的信息管理性和设备管理工作。整套系统要确保整合后的信息系统能够适应实际需求，不仅具有良好的性价比，也要可以实现网络系统科学化建设和实际操作性。而信息系统整合则涉及了计算机系统软件、硬件、操作系统设计工艺技术、数据库与管理系统工艺技术、通信工艺技术、数据采集系统等。实际上，这类集控系统和各种技术都是由各个不同的厂家来提供的，所使用的也是各种不同的协议和技术标准，并且是面对着各种不同的使用单位具体设计的，所以整个网络系统整合的过程中不但要把各个厂商所提供的各种产品都整合到了一起，而且还要使它们之间可以互相互连、互操作、不产生矛盾。而更为重要的是，整个网络系统必须实现系统性能最优化，即各种元件和成分合在一起后不但可以管理工作，并且整个网络系统还是廉价的、高效的、系统性能匀称的、可扩展的和可保护的。

2.2 整体方案设计

在闸门自动控制系统方案设计时，首先综合考察了闸门自动控制系统的技术发展趋势，再根据自身工作和管理的实际状况，最后判断成本。控制系统的方案设计时应当坚持以下准则：前瞻性、成熟性、可靠性、可利用率、实时性、安全性、开放性、合理性、与环境的相容性、便利性和经济效益。

2.2.1 系统的技术先进性与成熟性

在控制系统设计中主要加强了前瞻性和成熟性的融合，结合已应用案例，运用成熟的自动控制、计算机技术、安全保护科技和计算机网络科学技术，并紧紧追踪国外的前沿科技，力图设计出科技领先的闸门自动控制系统，以做到设计上到达全球或发达国家的一流水准，且方案具备确实可行性并易于实施。遵守国际标准，以及与国内外市场相关的标准要求，以适应计算机技术、网络通信技术以及工业自动控制技术的更新发展潮流。

2.2.2 系统的可靠性

在整个控制系统的总体设计中，重点考虑了两个层次：一是整个控制系统的运行可靠性和安全，采取较高可靠度的计算机网络结构，还包括选用合理的计算机网络设备设施；二是系统装置的安全与可靠程度，重点是通过选择高可靠性的电子感应器、控制装置等，通过设置系统的用户表等级和口令控制等手段实现管理水平技术化提升。同时保证闸门自动集控系统具备高度抗干扰的能力，能长时间安全可靠地正常工作。

2.2.3 系统的开放性、合理性

整个系统的设计采用了开放式的网络体系、规范的消息收集和管理系统等，以便于系统后期的更新、扩充与互联。同时，在选用系统装置、信息处理、数据传输装置等时，注重于企业产品技术支持的规范发展，所选用的系统装置充分考虑了易更新换代性，同时在企业产品更新时能够最大限度地保证自身的硬件设施提升与软件升级投资降低。控制系统采用了高速的工业控制器，而工业控制系统的技术参数选择少，调整少，智能水平程度高，应用简单，控制简单，合理应用，极大地提高了工业控制系统输入、输出速率。其CPU负载率在一般状况下不大于25%，即使在主装置发生重大事故时也不大于50%。

2.2.4 系统的经济性

综合考虑系统的特性和价值，其性能价格比在同等系统标准和要求下达到最佳；经济性因素主要应包含以下几个方面：系统本身的价格（包括系统软硬件、技术服务和培训）；系统运行后经济效应估计的最大可能收益；对系统进行现场设备的特定条件改造及专利技术所需要的经费；对系统集成所需要的相关软件和硬件等的后期升级和研究费用。

3 控制单元硬件设计与实现

3.1 控制单元功能设计

闸门集中自动测控系统必须能够及时、精确、高效地实现对所有受控对象的安全监测与控制管理，并且能够对所控机电设备的工作状况实施全方位监控。为了可靠实现闸门的启闭动作，闸门集中自动测控控制应具有下列功能。

3.1.1 闸门控制功能

闸门控制系统功能包含调节闸门的打开或关闭，到设定开高（包含单孔启闭与群控启闭）、在事故状况下的紧急停车以及自动报警。

3.1.2 闸门运行参数和状态信息的采集与处理

一是水位水情信息的采集与处理，控制系统中应该可以收集坝前和坝后进出库流量、水位、入库流速等的数值。二是闸门状态信息采集与管理控制器中，也应可以收集到闸门的实际开高和荷重数据、运行设备电压电流等数值，并可以准确地在现场设备与上位机之间或远控平台上显示，以便于让运行人员、管理者和上级的调节机关进行管理与决策。

3.1.3 现场设备异常状态的采集和处理

现地采集单元应可以正确收集到现场装置的所有告警状况，包括上升设备故障、启闭之间的卡滞等，并经过网络系统快速传送至现地控制和上位机系统，及时提示运行人员和管理者进行适当的处置，减少事故扩大化。

3.1.4 方便的人机交互

控制器应当具有丰富的人机交互系统功用。闸门上位机集中控制系统，应当具有各类信息系统的屏幕显示功用、报告自动打印功用和数据信息录入功用。人机界面系统包括了单孔操控画面、群控操纵画面、单位级作业画面、告警图像画面和现场运行设备信息指示图像画面等。控制人员能够利用这些图像画面，来掌握闸门的工作状况信息，并利用这些图像画面，通过按键或鼠标等输入的方法完成对所有闸门的管理。控制系统还应具有完整的工作报告制作和打印功能，可以形成一个完备的资料信息数据库系统，以方便运行人员和管理者随时检索和制作打印技术报告。

3.2 开高与荷重测控装置选型

通过对国内外众多产品闸门荷重和开度仪表的厂家的产品咨询、对比，我们选用了适应现地设备设施改造的高度荷重综合监测控制仪，用以进行闸位和荷重监测。

该仪器具有如下特点：每个闸门集中监测闸门开高程度、荷重于一身，数值表示直接、清晰。仪器通过微机集成处理系统，提高了系统的安全性、强抗干扰技术能力和可维护性。仪器操控方式简单。只需要利用控制面板上的按键设定好开度、荷重90%、110%、偏移和欠载告警等技术参数后，系统即可进行自动监测状态。仪器标定操作也十分简便，既无须外接编程设备也无须调节所有元件，仅须通过控制面板上的按键设定，即可实现参数标定。且任何设置及标准的技术参数，均具备停电后永久性记忆功能。控制功能强，可设置多组继电器操作接点，并可依据要求添加控制接点。

3.3 可编程控制器硬件设计与实现

设计完成的PLC控制系统必须要将PLC功能充分发挥出来，以最大限度地满足被控对象的控制要求，进一步提高控制系统的经济性和简便性，为后续维护工作提供便利。设计与实现可编程控制器硬件时，要对工艺进行改进，全面发展生产，在选择可编程控制器型号、I/O点数和存储器容量等内容的时候，要按照实际情况适当性地留有容量，为调整和扩充系统提供方便。硬件配置既确定了模块系统的运行的主要特点，同时也形成了各模块系统所需要的程序基准表。VersaMax CPU模块同时支持手动设置和从编程器中来选择的两种方法。

3.3.1 自编程器向PLC存储配置

编程程序器也可以使用CPU的通讯口向PLC内存储配置，而内存的设置则无法为手动分配模式。当程序器清除了PLC内部的设置后，将生成一个手动设置独立运行。此自动配置状况始终生效，直到从编程器中保存新的分配状况到PLC后方才变化。

3.3.2 自动配置

如果操作系统自动设置有效而无先前的自动设置状态存在，那么当上了电源之后，CPU就将自动读取操作系统中安装的I/O模块的设置，从而提供了一种完美的操作系统组态。若控制系统在上电后，发现系统中有一条缺省设置的存在，则控制系统将自动进行配置部分诊断，并进行检查工作。若模块在手动设置状况下，其软件组态的特性也将用于缺省设定。

3.3.3 槽位

每一I/O模组以及可选模组都将占据操作系统的一块槽位，紧挨CPU的模组则为一槽。而辅助供电模组则不占据槽位。操作系统上电后，CPU将由槽位一启动，并按照每个模板的物理地址自动产生一种缺省状态分配。该缺省配置过程中如出现了第一个空槽，或识别有错误的模板之后将中断。

当所有硬件系统模组都合理地分配在同一机架上后，上电后CPU就将自行读出系统中设置的所有I/O模组的分配，从而提供了一个完美的系统组态。既然这样的设置已满足了我们的需求，我们就完全不必再进行设置了。不过若想完成整个系统的网络管理功能，为使上位机可以找到这些PLC就不得不给现场上的多套PLC分配IP地址，这就要求人力的手动控制操作设置分配。

4 控制单元软件设计与实现

4.1 编程软件选择

随着个人计算机技术的日益发达以及微软Windows桌面图形化技术的越来越流行，许多使用者在选择使用时也更加偏向于选用一些页面直观清晰、使用简单、易学易用的应用系统软件。如VersaPro程序设计系统软件，便是一款能够在Windows绘图页面下正常工作的应用。它是GE Fanuc公司为了配合新型控制产品VersaMax PLC的推广而研制的最新产品。除了VersaMax PLC之外，在GE Fanuc系列所有机型的PLC也都能够使用VersaPro来实现程序设计功能与组态。正是出于上述考虑，课题研究选用了VersaPro作为程序设计应用软件。

4.2 程序设计

根据主程序的流程顺序，以下分别说明了闸门控制系统主程序的具体编制细节。由于作为开高和荷重的测量数据，开高荷重测控设备所进行的是格雷码传递，因此，为了确保上位机系统能够准确接收，就需要适当的设备实现格雷码和二进制数据之间的切换。

格雷码，是用来克服传统二进制数的不足，而形成的二进制代码方式。在二进制数据中，在从某一个数到下一个数变化时，很可能会有两个以上的数据位变化，而因为在读取时间上的不同，也很有可能导致读出出错。为克服这一问题，人们专门设计了这么一种代码，在其从任一数到其下某个数发生变化时，有一种数据位就会改变，以最大化的效果防止读取时出错，这便是格雷码。采用格雷码编码的测控设备时，可按下述方式完成格雷码和二进制数的切换运算。

控制系统使用两个工业监控计算机和一个服务器作为上位机系统，两个工业监控计算机系统实现相互热备份。二台工业监控电脑上均配置有组态化管理软件InTouch 8.0和通信接口I/O Server，并利用光纤环网完成与现场PLC系统的通信，工业监控电脑可以图像和动画形式表示控制系统工作状况，发出控制指令并完成录入、保存和打印等消息处理。现地控制单元通过PLC向上位机传送设备的真实状况，并接受和运行上位机的实时控制命令。

5 结语

随着中国水利工程现代化建设的进展，近几年闸门自动监控系统也被广泛应用。现在普遍采用的可程序化控制器，具有安全性高、组态灵活等优点。而操作站和管理电脑有的采用普通微机，有的则使用工控机，实现处理水平优化升级。未来将逐步向无人值守全自动化远程集中控制方向发展。