楊 涌

(塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處開都河下游管理站，新疆 郭楞 841000)

1 概 述

隨著經(jīng)濟水平和綜合國力的不斷提升，我國水利工程建設進入了快速發(fā)展期。相較于其他工程建設來說，水利工程在施工建設質(zhì)量及安全運行管理方面有著更高的要求。在此背景下，以計算機、通信及自動化控制為代表的現(xiàn)代化技術(shù)在水利工程建設及運行過程中得到廣泛應用和不斷創(chuàng)新。作為水利工程設施整體運行的重要組成部分，水閘安全運行管理水平的不斷提高是進行水情分析、安全防洪的重要基礎，而水閘安全運行管理水平的提高離不開現(xiàn)代化自動監(jiān)控技術(shù)的充分應用。對于水利工程閘門的安全運行來說，自動化監(jiān)控系統(tǒng)可以實時采集、更新和分析閘門的監(jiān)控圖像信息，不僅可以實現(xiàn)對閘門安全運行情況的實時監(jiān)控，而且可以進一步提高水利工程閘門的安全運行效果。本文以某水利工程閘門為對象，探討了現(xiàn)代化自動監(jiān)控技術(shù)在閘門安全運行管理中的應用，以期為水利工程閘門自動監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

2 整體設計方案

2.1 閘門工程參數(shù)

某水利工程閘門具體工程參數(shù)如表1所示，閘門立面如圖1所示。

表1 水利工程閘門工程參數(shù)

圖1 閘門立面(單位：cm)

2.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

在日常運行過程中，該水閘起著引水、泄洪、通航等作用，因此其安全運行管理對于自動化監(jiān)控要求更高更嚴。針對這一情況，為了滿足該閘門安全運行管理的實際需要，本文采用計算機+自動化控制相結(jié)合的現(xiàn)代化技術(shù)來構(gòu)建閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)，自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

由圖2可以看出，擬構(gòu)建的閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上可分為監(jiān)控中心和PLC控制單元兩部分，每一部分都有相應的構(gòu)件組成且具有不同的功能。

圖2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

(1)閘門監(jiān)控中心。以計算機為核心構(gòu)件、接口設備和外圍設備為基礎構(gòu)件共同組成閘門監(jiān)控中心。其中，外圍設備采集到的數(shù)據(jù)通過接口設備輸入到計算機，計算機對數(shù)據(jù)進行分析之后再通過接口設備輸出至外圍設備，進而實現(xiàn)對閘門的全面監(jiān)控。閘門監(jiān)控中心主要功能如表2所示。

表2 閘門監(jiān)控中心功能

(2)PLC控制單元。在閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門運行動力的提供、相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、控制指令的發(fā)出均需通過現(xiàn)場控制單元來實現(xiàn)，此次設計的閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場控制單元由三部分組成，具體功能如表3所示。

表3 PLC控制單元功能

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計實施

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

對于該水利工程閘門，通過分層分布式的PLC(可編輯控制器)控制方式來構(gòu)建閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)，圖3所示為自動化監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖。由圖3可以看出，閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)可分為主控層、現(xiàn)地單元PLC控制層、閘門PLC控制層三個層次。其中，主控層即閘門監(jiān)控中心主控室，現(xiàn)地單元PLC控制層通過現(xiàn)場總線以太網(wǎng)光纖的布設實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制，閘門PLC控制層通過多個分布式PLC控制器對閘門運行進行控制，三個控制層協(xié)同作用可以有效提高閘門的安全運行效果。

3.2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的構(gòu)建

在閘門安全運行的自動化監(jiān)控過程中，現(xiàn)場分布的多個PLC控制器會定期采集可以反映閘門運行狀態(tài)的監(jiān)控數(shù)據(jù)并傳輸至監(jiān)控中心主控室，主控室對接收到的數(shù)據(jù)進行處理分析后會對現(xiàn)場PLC控制器發(fā)出相應的控制指令，現(xiàn)場分布的PLC控制器根據(jù)接收到的控制指令對閘門運行狀態(tài)進行控制。在閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、傳輸及控制指令的接發(fā)是通過通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的構(gòu)建方式有多種，根據(jù)該閘門安全運行的實際監(jiān)控要求，該監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡采用WinCC構(gòu)建方式。相對于其他通信網(wǎng)絡構(gòu)建方式而言，WinCC的通訊結(jié)構(gòu)有著自身優(yōu)勢。采用WinCC通訊結(jié)構(gòu)構(gòu)建通信網(wǎng)絡時，WinCC首先在主程序建立變量管理器用于存儲和處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，然后可根據(jù)已確定的網(wǎng)絡通信協(xié)議選擇WinCC驅(qū)動程序和組態(tài)邏輯進行連接，這樣就可以實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信，通過WinCC通訊方式構(gòu)建通信網(wǎng)絡的流程框圖如圖4所示。

圖3 閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

圖4 WinCC通信結(jié)構(gòu)

3.3 PLC控制器的選型

由上述可知，通過監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元對閘門的運行狀態(tài)進行控制,僅通過單一的現(xiàn)場控制器是遠遠無法實現(xiàn)的，而是需要通過監(jiān)控系統(tǒng)中的多個模塊共同作用來實現(xiàn)的。因此，閘門安全運行自動化控制是一個多模塊協(xié)同作用、精準、可靠的控制過程，這對于各模塊的功能有著很高的要求，尤其對閘門現(xiàn)場控制器這一用于接收控制指令對閘門運行狀態(tài)進行直接控制的模塊的選用要求更高。自動化監(jiān)控系統(tǒng)控制器可選用的類型有多種，其中以單片機控制器和PLC控制器為主。PLC是目前自動化監(jiān)控系統(tǒng)中應用最為廣泛的控制器類型，相比于其他類型的控制器，PLC控制器的應用更具有優(yōu)越性。首先，PLC控制器對于不同惡劣程度的現(xiàn)場環(huán)境都有著較好的適應性，對于自身控制功能的影響較小； 其次，PLC控制器在數(shù)據(jù)處理及聯(lián)網(wǎng)通訊方面與其他工控機都能進行很好地結(jié)合，形成的控制系統(tǒng)可靠性更高； 最后，PLC控制器通過已編程序進行控制易于實現(xiàn)、改擴及I/O接口的擴展，使其能夠?qū)Σ煌F(xiàn)場環(huán)境及因素具有較強的抗干擾能力。經(jīng)過多方面綜合比較，該水閘工程自動監(jiān)控系統(tǒng)設計選用的是德國西門子公司生產(chǎn)的S7系列中的MYM7-200 PLC控制器作為本次閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器，S7-200PLC控制器具體CPU類型如表4所示。

表4 S7-200 CPU類型

3.4 閘門監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的選擇及功能

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，組態(tài)軟件已經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。對于閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)來說，閘門安全運行狀態(tài)的整個監(jiān)控過程是依靠組態(tài)軟件來實現(xiàn)的。組態(tài)軟件實現(xiàn)對整個監(jiān)控過程的控制的具體功能如表5所示。

表5 組態(tài)軟件功能特點

經(jīng)過綜合比較和選擇，確定該水利工程閘門監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件為SIMATIC WinCC， WinCC組態(tài)軟件由不同的子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)功能如表6所示。

表6 SIMATIC WinCC組態(tài)軟件子系統(tǒng)及功能

4 結(jié) 論

在水利工程運行過程中必須采取相應手段及時發(fā)現(xiàn)并解決閘門安全運行所存在的問題，加強閘門安全運行的監(jiān)管力度，切實提高閘門運行安全管理水平。因此，在水利工程閘門安全運行過程中要充分利用現(xiàn)代化技術(shù)，切實加強對閘門安全運行狀況的監(jiān)控。提高水利工程閘門自動化控制水平，對于水利工程閘門安全運行管理水平的提升具有顯著增強作用。