1 引言
沂河桃園橡膠壩位于山東省臨沂市境內(nèi)。橡膠壩是用高分子合成材料，按要求的尺寸、錨固于河床底板上形成封閉狀、用水(氣)充脹后形成的擋水壩。不需擋水時，放空壩袋內(nèi)的水(氣)，就可恢復(fù)原有河渠的過水斷面。橡膠壩可用于防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運、擋潮及城市園林美化，也可用于活動圍堰、渠系臨時擋水工程等。
沂河桃園橡膠壩擔負著當?shù)財r河蓄水、泄洪、航運管理等重要任務(wù)。計算機自動化監(jiān)控系統(tǒng)是工程正常運行管理和安全渡汛的一個重要保障措施。本自動化監(jiān)控系統(tǒng)充分利用計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)等高端技術(shù)進行橡膠壩的自動化監(jiān)控，提升了橡膠壩和船閘狀態(tài)監(jiān)視，運行控制，日常管理的現(xiàn)代化水平，同時也為今后實現(xiàn)跨地區(qū)分布式網(wǎng)絡(luò)化多媒體遠程監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。沂河桃園橡膠壩自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)能夠提高橡膠壩的現(xiàn)代化管理水平,具有很強的經(jīng)濟和社會意義。
2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
橡膠壩控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由現(xiàn)地測控系統(tǒng)和上位遠程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(scada系統(tǒng))。橡膠壩現(xiàn)地測控系統(tǒng)選用西門子s7-300和s7-200系列plc平臺開發(fā)，以plc為核心，采集各種傳感器的信號，完成上下游水位及閘室水位、葛溝水位、船舶監(jiān)測、各閘門開啟高度、壩袋內(nèi)壓、壩體高度以及壩體其他參數(shù)的檢測。它主要包括兩套s7-200現(xiàn)場船閘控制柜、一套s7-300充排水泵控制柜、一個葛溝水位站監(jiān)測柜、交通信號燈、電動蝶閥和現(xiàn)場所安裝的數(shù)據(jù)采集及相關(guān)控制設(shè)備所構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，同時，還包括針對大壩安全監(jiān)測所用的設(shè)備滲壓計。
圖1 橡膠壩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
上位機遠程控制系統(tǒng)主要由兩臺工業(yè)控制計算機及其監(jiān)控軟件、大壩安全監(jiān)測設(shè)備mcu、工業(yè)交換機等組成。兩臺工業(yè)控制計算機，一臺作為服務(wù)器，另一臺作為客戶機，客戶機和服務(wù)器采用opc通訊；監(jiān)控軟件主要是實現(xiàn)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、工作狀況顯示、運行控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和歷史記錄查詢等功能，實時接收現(xiàn)地傳感器等運行數(shù)據(jù)，記錄各個壩袋以及閘門的運行情況，全面監(jiān)控橡膠壩控制系統(tǒng)的整體運行情況。
通訊方面，兩套s7-200現(xiàn)場船閘控制柜與s7-300控制柜采用profi-busu協(xié)議，葛溝水位s7-200監(jiān)測柜與s7-300控制柜采用無線電臺遠程傳輸方式。服務(wù)器與客戶機采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。同時，大壩安全監(jiān)測設(shè)備mcu和監(jiān)控主機采用rs485協(xié)議。
橡膠壩測控系統(tǒng)必須在充分考慮船閘啟閉及充排水泵操作的安全性和可靠性的前提下，利用成熟的工業(yè)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及計算機技術(shù)，實現(xiàn)橡膠壩船閘及泵信息的實時采集、閘門自動精確啟閉、以及相關(guān)環(huán)境及船閘管理情況的實時監(jiān)控。
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3 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計
3.1 閘門和泵控制
(1) 現(xiàn)地控制：現(xiàn)場操作人員能通過一組切換開關(guān)實現(xiàn)人工控制方式與自動控制方式的轉(zhuǎn)換。在人工控制方式下，現(xiàn)場操作人員可按原有方式啟閉閘門或泵，其動作相關(guān)信息將接受上級部門的實時監(jiān)控。在自動方式下可以進行遠程控制。人工和自動控制方式也可通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)切換。
(2) 遠程控制：根據(jù)各級用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給現(xiàn)場測控單元(plc)的指令，閘門可自動開啟或關(guān)閉，充、排水泵自動啟動或者停止，其動作由各級用戶根據(jù)權(quán)限控制。
(3) 閘門啟閉及泵啟動告警：在閘門將要啟閉以及啟閉過程當中，在閘門啟閉裝置附近應(yīng)有相應(yīng)的聲光裝置發(fā)出告警提示，以提醒在現(xiàn)場的工作人員注意。
(4) 限位保護：在閘門啟閉裝置的最上面和最下面應(yīng)安裝啟閉機運行范圍的限位開關(guān)，一旦啟閉裝置運行到這兩個位置時，這兩個限位開關(guān)將立即通知測控單元，切斷啟閉機電源，以避免啟閉機超出運行范圍。
(5) 相序保護：在啟閉機的供電線路里面應(yīng)串有相序保護器，避免由于三相電源相序混亂所造成的啟閉機電機的不正常運轉(zhuǎn)。
(6) 過載保護：每個啟閉機的控制電路里面必須配有熱過載繼電器，根據(jù)不同電機功率要求其有不同的設(shè)定值，當電機發(fā)生過載或是其他故障時，此繼電器將能自動切斷電機的供電電源，以免燒毀電機。
3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測
實時監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)包括：閘前水位、閘后水位、閘門開度、閘門荷載、閘門上升或下降接觸器狀態(tài)、閘門行程開關(guān)狀態(tài)、啟閉機保護裝置狀態(tài)、動力和控制電源狀態(tài)、有關(guān)操作按鈕或開關(guān)狀態(tài)、閘門啟閉機電源電壓、電流等。
(1) 水位監(jiān)測：在閘室及閘室前后都要按水位觀測要求安裝水位傳感器，以便實時監(jiān)測閘室及閘室前后的實時水位信息。
(2) 閘位的自動跟蹤測量：無論閘門動作與否，安裝于閘門啟閉機傳動裝置上的閘位計都應(yīng)實時檢測閘門的高度值，并上傳給現(xiàn)場測控單元。
(3) 電流、電壓監(jiān)測：在供電線路里面還要配置多功能電表，用以實時監(jiān)測三相電源的電流和電壓，為啟閉機的啟閉操作提供參考數(shù)據(jù)。
(4) 液壓系統(tǒng)監(jiān)測：包括油壓、壓力報警信號(超壓、欠壓)、濾油器堵塞報警信號、油箱油位過低報警信號；
(5) 環(huán)境監(jiān)測：在發(fā)電機室中裝有溫濕度等傳感器，用以實時監(jiān)測機房中的工作環(huán)境狀況。
(6) 狀態(tài)監(jiān)測：包括進出閘信號燈狀態(tài)、上下游閉鎖狀態(tài)、閘門上升或下降接觸器狀態(tài)、閘門行程開關(guān)狀態(tài)、啟閉機保護裝置狀態(tài)、動力和控制電源狀態(tài)、有關(guān)操作按鈕或開關(guān)狀態(tài)等。
3.3 充排水控制系統(tǒng)
壩袋充排水控制系統(tǒng)主要由上位控制系統(tǒng)、充排水泵、軟起動器、電氣控制裝置、水位檢測設(shè)備、壩袋高度及壩袋內(nèi)壓檢測設(shè)備等組成，根據(jù)壩袋高度、壩袋內(nèi)壓以及水位，通過對水泵電機的啟?？刂埔约拜斔苈飞系碾妱拥y的開關(guān)等進行壩袋的充排水自動控制，壩袋的充排水所需時間必須與工程的運用要求相適應(yīng)。
壩袋充排水控制系統(tǒng)主要包括汛期和非汛期兩種充排水控制方式，汛期時，我們根據(jù)葛溝水位的情況，作出一個閉環(huán)控制，來調(diào)節(jié)壩袋的高度；非汛期時，我們根據(jù)上游水位的情況，作出一個閉環(huán)控制，來調(diào)節(jié)相應(yīng)壩袋的高度。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1 可編程控制器的選型
針對用戶要求，要求設(shè)備plc模塊化、高性能、高可靠性、高速指令處理、用戶友好的參數(shù)設(shè)置、簡單的維護及服務(wù)和合理的價格等，綜合考慮各個plc品牌的性能和性價比，我們選用了simens的可編程控制器s7-200和s7-300系列，s7-200作為子站，s7-300作為主站。其中，葛溝水位站plc采用了cpu222，船閘啟閉控制plc采用了cpu226， s7-300采用了cpu315-2dp。
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4.2 擴展從站模塊擴展從站模塊(em277profib-us-dp)：可將s7-200 cpu連接到profibus-dp網(wǎng)絡(luò)。em277經(jīng)過串行i/o總線連接到s7-200 cpu。pro-fibus網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過其dp通信端口，連接到em277 profibus-dp模塊。這個端口可運行于9600波特和12m波特之間的任何profibus波特率。作為dp從站，em277模塊接受從主站來的多種不同的i/o配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。這種特性使用戶能修改所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以滿足實際應(yīng)用的需要。與許多dp站不同的是，em277模塊不僅僅是傳輸i/o數(shù)據(jù)。em277能讀寫s7-200cpu中定義的變量數(shù)據(jù)塊。這樣，使用戶能與主站交換任何類型的數(shù)據(jù)。首先將數(shù)據(jù)移到s7-200 cpu中的變量存儲器，就可將輸入、計數(shù)值、定時器值或其它計算值傳送到主站。類似地，從主站來的數(shù)據(jù)存儲在s7-200cpu中的變量存儲器內(nèi)，并可移到其它數(shù)據(jù)區(qū)。em277 profibus-dp模塊的dp端口可連接到網(wǎng)絡(luò)上的一個dp主站上，但仍能作為一個mpi從站與同一網(wǎng)絡(luò)上如simatic編程器或s7-300/s7-400 cpu等其它主站進行通信。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
5.1 操作系統(tǒng)軟件
橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)軟件采用windows 2000 server。它是在windows nt server 4.0的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展活動目錄，它采用了類似exchange server 的數(shù)據(jù)存儲方式，稱為extensible storage service，其特點是不需要事先定義數(shù)據(jù)庫的參數(shù)，可以做到動態(tài)的增長，性能非常優(yōu)良。在數(shù)據(jù)存儲之上已建立索引的，可以方便快速地搜索和定位。活動目錄的分區(qū)是域(domain)，一個域可以存儲上百萬個對象，域之間還有層次關(guān)系，可無限地擴展。
在數(shù)據(jù)存儲之上，建立一個對象模型，以構(gòu)成活動目錄。這一對象模型對ldap有純粹的支持，還可以管理和修改schema。通過修改sche-ma的工具，用戶和開發(fā)人員可以自己定義特殊的類和屬性，來創(chuàng)建所需要的對象和對象屬性?；顒幽夸浭且粋€分布式的目錄服務(wù)，信息可以分散在多臺不同的計算機上，保證快速訪問和容錯；同時不管用戶從何處訪問或信息處在何處，都對用戶提供統(tǒng)一的視圖。
5.2 plc控制程序的開發(fā)
plc作為橡膠壩測控系統(tǒng)的核心，plc編程軟件對于實現(xiàn)現(xiàn)地、遠程監(jiān)控是至關(guān)重要的。step7是用于simatic s7300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件；microwin是用于simatic s7200站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，都可使用梯形邏輯圖、功能塊圖或語句表3種方式編寫具體程序。
s7200 plc中不需要編寫任何與通訊有關(guān)的程序，只需要將要交換的數(shù)據(jù)整理到一個連續(xù)的v存儲區(qū)當中即可，而s7300中需要在ob1(或是定時中斷組織塊ob35)當中調(diào)用系統(tǒng)功能x_get(sfc67)和x_put(sfc68)，實現(xiàn)s7300 與s7200之間的通訊，調(diào)用sfc67和sfc68時var_addr參數(shù)填寫s7200的數(shù)據(jù)地址區(qū)。
本系統(tǒng)s7-300控制程序的開發(fā)采用西門子公司的step7 5.4， s7-200控制程序的開發(fā)采用西門子公司的microwin v4.0 sp3。
5.3 上位機simatic wincc軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用西門子公司的監(jiān)控軟件simatic wincc(視窗控制中心)設(shè)計而成，具有數(shù)據(jù)顯示，累積量查詢和報表打印等功能。
simatic wincc(視窗控制中心)，是西門子(siemens)在自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和microsoft的強大功能相結(jié)合的產(chǎn)物。它有各種有效功能用于自動化過程，是用于個人計算機上的，按價格和性能分級的人機界面?？梢匀菀椎慕Y(jié)合標準和用戶程序生成人機界面，準確的滿足實際要求。
simatic wincc主要包括計算機(computer)， 標簽管理(tag manage -ment)，數(shù)據(jù)類型(data type)和編輯器(editor)四大部分。其中計算機一項是對計算機進行有關(guān)的設(shè)置；標簽管理是對標簽進行初始化定義；數(shù)據(jù)類型是對標簽所代表的數(shù)據(jù)類型進行定義；編輯器則是最為主要的部分，它主要包括以下幾個部分：
(1) 圖形編輯器(graphics desig -ner)；
(2) 報表系統(tǒng)(report designer)；
(3) 標簽存檔(tag logging)；
(4) 報警存檔(alarm logging)。
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由于wincc軟件本身是一個利用最新的面向?qū)ο蟮能浖幊碳夹g(shù)開發(fā)而成的32位應(yīng)用程序，可以用其內(nèi)嵌的c語言或vb語言編輯器(而且wincc自己也具有豐富的函數(shù)庫)編寫適用于用戶工程需要的動作或腳本文件，來進行數(shù)據(jù)的記錄及存儲，這樣使得對于過程數(shù)據(jù)的處理、分析比通過odbc和sql訪問歸檔數(shù)據(jù)更為靈活、簡單。其中一段關(guān)于變量采集與歸檔得程序如下：
void savevalues()
{ #pragma code("");
void getlocaltime(systemt -ime* lpst);
#pragma code();
sy
int nmonth; stemtime st;
int nyear;
int nday;
int nhour;
int nminute;
int nsecond; */定義時間參數(shù)/*
int i;
int nvaluecount=94; */定義變量個數(shù)/*
file *fp,*fptemp,*fplog;
char filename[64]={0};
char strerr[256]={0};
char * tagname[150]={
"zspower_leiji",
"6wf1_leiji",
."7sf4_leiji"
}; */定義參數(shù)，其中包括由需要記錄的94個變量組成的數(shù)組/*
unsigned float fvalue[150]={0.0f};
getlocaltime(&st);
nyear=;
nmonth=;
nday=; */獲取系統(tǒng)時間/*
sprintf(filename,"d:\\data-\\%04d%02d%02d",nyear,nmonth,nday);
fptemp=fopen(filename,"r");
if(fptemp) goto exit; */與系統(tǒng)時間相符的二進制文件是否已存在/*
fp=fopen(filename,"wb");
if(!fp)
{ fplog=fopen("d:\\data\\","wa+");
sprintf(strerr,"%04d/%02d/%02d%02d:%02d:%02d------can`t write
logfile:%04d%02d%02d",nyear,nmonth,nday,nhour,nminute,nsecond,nyear,nmonth,nday);
fwrite(strerr,sizeof(strerr),1,fplog);
fclose(fplog);
return;
} */創(chuàng)建與系統(tǒng)時間相符的二進制文件并打開/*
for (i=0;i<92;i++)
{
fvalue[i]=gettagfloat(tagname[i]);
}
fwrite(fvalue,4,94,fp);
fclose(fp); */按照數(shù)組中定義的變量順序依次將變量瞬時值寫入文件/*
exit:
fclose(fptemp); */關(guān)閉文件/*
}
5.4 監(jiān)控流程設(shè)計
本系統(tǒng)中，plc程序設(shè)計主要完成開關(guān)量邏輯控制和模擬量回路控制。開關(guān)量邏輯控制包括各個水泵閥門的啟停及其聯(lián)鎖控制，模擬量回路控制包括各個回路的pid控制算法的實現(xiàn)和比值控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。系統(tǒng)流程圖2所示。
圖2 系統(tǒng)流程
6 結(jié)束語
本系統(tǒng)按照沂河桃園橡膠壩監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的總體目標，遵循運行安全穩(wěn)定、技術(shù)先進的原則，利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電力電子技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)及視頻傳輸技術(shù)對沂河桃園橡膠壩進行開發(fā)設(shè)計，建成一個具有先進性、可靠性、易于利用的現(xiàn)代化工程。本系統(tǒng)能實現(xiàn)實時信息自動采集、處理、監(jiān)測、控制、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，為沂河的航運及安全提供了有力的保障。
（轉(zhuǎn)載）
