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摘要：为提高水库闸门的控制系统的可靠性、安全性、稳定性，使得水库闸门控制系统安全、稳定、可靠地运行，本文以某水库闸门为研究对象，采用可编程控制器（PLC）设计了一套水库闸门控制系统，并从系统硬件、软件、上位机等对该设计进行了详细的介绍，以望能为类似设计提供参考借鉴。
关键词：水库闸门；PLC；系统硬件设计；系统软件设计；上位机设计
引言
随着我国网络信息技术的发展及信息化进程的加快，自动控制技术、计算机网络技术、传感器技术、通信技术等技术也被引入到水库闸门的控制系统中，使得水库闸门的控制系统也由传统的继电器—接触器控制方式向自动化集成水平更高的自动闸门控制方式发展。将PLC应用于水库闸门控制系统中，能够有效提高系统的管理效率、运行能力，降低人力资源成本，减少人为操作失误。对此，笔者对基于PLC的水库闸门控制系统设计进行了介绍。
1 系统组成及硬件设计
该系统设计以某水库的溢洪道和泄洪洞的18孔闸门作为研究对象。系统设计方案以“无人值班、少人值守”为原则，以可编程控制器（PLC）为核心，采用分层、分布式组网，且综合运用传感器技术自动采集现场状况，通过以太网通信技术实现数据传送至远程监控室，便于上位机监视现场，从而实现了闸门的远程监控。水闸远程监控系统拓扑结构见图1。
图1 水闸远程监控系统拓扑结构图.png)
1.1 系统组成
该系统网络结构分现地级、监控级和管理级三个等级。距闸门越近，控制级别越高。
（1）现地级。处于网络的最底层，其控制级别最高。PLC作为网络节点的形式挂靠在工业以太网上。现场电气控制柜中的智能仪器负责采集测量闸门用的编码器、荷重仪的数据，然后将此信号通过RS485接口传送到PLC中；液位仪的数据直接由PLC的模拟量模块采集；同时现场电气控制柜可直接控制启闭机的起停，PLC的I/O模块也可直接采集并控制这些开关量。PLC模块中的模拟量和开关量数据都传送到触摸屏中显示，经处理后传送到上层网络。
（2）监控级。主要包括局域网内的监控主机和服务器等。通过工业以太网交换机将PLC、操作员站和工程师站的主机联系，传输介质为光纤，传输速率为10Mbps，抗干扰能力强，采用星型拓扑结构，其优点是任何一个节点故障，对其他节点的工作不产生影响。
（3）管理级。处于网络的最上层，也称远程监控层，控制级别最低。此局域网与管理层的内部信息网相连通，采用浏览器的方式即可观察水库的设备和周围环境的信息，实现监测、控制、管理和调度的一体化。
1.2 系统硬件设计
闸门监控系统的硬件主要由现地控制单元、PLC控制单元、人机界面单元和通信设备单元四部分组成。
（1）现地控制单元。主要由主回路、控制回路和传感器信息采集三部分组成。主回路和控制回路使用的器件主要有断路器、接触器、熔断器、继电器、指示灯和按钮等；传感器信息采集包括带有RS485接口的绝对型编码器、荷重传感器及电参数模块等。
（2）PLC控制单元。本系统选用了施耐德Premium系列的PLC作为主要控制器，选用TSX573623作为整个过程的中心控制单元，通过以太网模块ETYPORT与工业以太网相连接。另外，还配置了电源模块（PSY）、数字量输入模块（DEY）、数字量输出模块（DSY）及模拟量输入模块（AEY）等。
（3）人机界面单元。放置于现场的触摸屏选用施耐德系列XBTGT5330，可通过其配有的RJ45接口连接到以太网上建立通讯；操作员站和工程师站选用研华IPC－610/AIMB－763VG/E53002.6G/1G/160G工控机作为主机，另配置19寸液晶显示器、UPS电源、打印机。工控机中装有组态王（King View）6.53版组态软件，实现对水库数据信息的监控。
（4）通信设备单元。通信选用工业以太网交换机TP-LINK系列产品TL-SL1226，符合IEEE802.3以太网标准，传输速率为10/100/1000Mbps，具有组网灵活、结构先进、使用简单、安装方便、性能优越等特点。在本系统中，PLC、触摸屏及工控机均可通过工业交换机实现数据的相互传输。鉴于主机位置分布较广，故选用光纤收发器实现远距离传输，光纤收发信号具有高可靠性、远距离传输等特点。
2 系统软件设计
该系统编程软件采用施耐德公司的PL7PROV4.4版本，采用模块式结构编制程序，将复杂的控制任务划分为各个子任务，由相应的程序块执行，主程序可通过不断调用子程序实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。闸门的控制方式分为现地手动控制、现地自动控制和远方自动控制3种，并设有通道报警、掉电报警、限位报警、过流过压保护等。一旦发生故障，则发出声光报警，故障解除后才可重启闸门。闸门程序控制流程见图2。
图2 系统程序流程图.png)
3 模糊控制
闸门控制着水的流量，但流量控制系统具有时变性、非线性及不确定性等特点，若采用常规算法，用一组固定不变的参数进行控制，其超调量及振荡都较强，将出现较长的稳定时间，效果不理想。因此，为提高闸门的调节精度及稳定性、避免闸门的频繁动作，采用模糊控制的方法，用PLC构成模糊控制器对闸门的开度进行实时控制。通过模糊控制可满足对水位控制的快速性、精确性等要求，并具有较好的鲁棒性。闸门控制系统的模糊控制原理见图3。
图3 模糊控制器原理图.png)
该系统选用的模糊控制器为二维模糊控制器。图中，偏差e为r与c的差值；ec为偏差的变化率。以e和ec为输入变量，以控制量的改变量ｕ为输出变量，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理对u进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求。通过输入、输出量的模糊化、建立模糊控制规则、控制决策、生成模糊查询表，再分别乘以相应的比例因子得到u的修正量，以其作为控制输出，实现对闸门的精确控制。
4 系统上位机设计
控制系统的上位机设计分为工控机组态设计及触摸屏组态设计两部分，由于设计思路、设计方法及控制目标等都类似，因此仅介绍工控机上的组态设计。
组态软件选用组态王6.53版本，是一个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力；它具有强大的网络功能，可与本机和其他计算机中的应用程序实时交换数据。
4.1 上位机组态
根据现场实际情况，网络结构采用C/S（Client/Server客户/服务器）和B/S（Browser/Server浏览器/服务器）混合的集成模式。工程师站通过每个PLC唯一的IP地址识别PLC并采集其中各自的数据存储在数据库服务器中，创建服务器数据后在客户机上加载。用于网络信息发布时，采用B/S结构，客户机上的软件采用Web发布功能，将所需要传送到管理处的画面发布在网络上，使管理处能方便快捷的观察水库的具体信息。
4.2 监控体系的软件架构
在组态王监控画面架构中，设计了闸门监控、用户管理、报警查询、报表操作、系统设置等。其中，闸门监控分为单闸门和多闸门的程序控制，以应对不同场合需求；用户管理中可自由添加操作人员，并设有密码保护；报警查询记录故障报警的类型、时间等；报表操作定时记录水位、闸门状态等后生成日报表、月报表和年报表；系统设置可方便选择使用现地自动或远方自动。单闸门监控画面见图4。
图4 单闸门监控画面.png)
5 结语
综上所述，基于PLC的水库闸门控制系统能够提高水库闸门的控制系统的可靠性、安全性、稳定性，提高了工作效率和安全性。该基于PLC的水库闸门控制系统的设计实现了水库闸门的精确远程控制，具有可操作性强、易维护的特点，且系统运行稳定、可靠性强，值得推广应用到其他控制系统设计中。
参考文献：
[1]赵裕峰.基于GPRS和PLC的水库远程监控系统的研究与实现[D].新疆大学.2014
[2]常宏斌.基于PLC的小型水库闸门自动控制系统设计[J].机械工程师.2014（10）
论文作者:黄钲武
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：闸门论文; 水库论文; 控制系统论文; 现地论文; 系统论文; 模糊论文; 上位论文; 《基层建设》2015年29期论文;