关键词：现场总线;可编程控制器;监控;分层分布式结构;闸门
引言
我国水资源丰富，水利工程发展迅速，闸门控制系统广泛应用于水库、泵站等水利水电工程，在防洪抗旱、水运调度发挥重要作用，也直接经济效益密切相关。闸门不仅要求对单个现地控制，且由于分组多，须对多个闸门进行室内集中控制[1]。传统的闸门控制系统中一般由集控和现场工作站构成，由于各工作单元工作站与集中控制工作站相距甚远，而且它们之间需传输的信息量又非常大，使系统成本高、接线多、可靠性低、维护和管理困难。随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用于闸门是水闸监控系统的主要内容和方向。现场总线控制系统顺应了控制系统向分布化、网络化、集成化和智能化的发展趋势，现已成为控制系统发展的主流方向。在水库水利工程中，采用现场总线技术，融合PLC技术，计算机技术，电力电子技术，自动控制技术，仪表技术构成一种新型全分布式网络结构闸门监控系统，可实现不同类型闸门的现地手动控制、现地自动控制、远程控制，保证水利工程安全有效运行，发挥最大效益。
1 闸门监控总体系统设计
整个监控系统采用上位机、下位机模式，组建了远程集中控制与现地控制相结合的控制网络。将系统分为中心管理控制级和现地控制级，由中心控制单元、现地控制单元、传动与执行单元、网络通信设备和工业视频监视系统等部分组成。系统总体如图1所示。
图1系统的总体结构
系统由中心站计算机统一进行管理，对现地控制级进行自动监视、数据记录保存、状态报告、下达控制指令及人机界面操作等，而闸门控制站则采用分布式控制，各站在本站主计算机管理下分别由各自独立的CPU终端管理，独立完成本号闸门的监视、控制以及与主机的通讯等。中心控制级与现地控制级通过现场总线方式连接，中心控制台有时还具有通过以太网连接与远程控级监控系统的通信功能，作为远程主控系统的I/O站。
2系统主要模块设计
2.1中心控制单元
中心控制层功能主要是对整个闸门设备的监视、综合分析、故障信息的分析处理，发布操作指令、设定及变更工作方式、记录、报表、通信控制、系统诊断、修改定值、采用CAN总线与现地LCU通信等功能。CAN总线是一种适于控制领域的单片微机局部网络、使用CAN控制器的多机通讯系统具有可实现全分布式多机功能，系统无主、从机之分，通讯方式灵活、可靠性好、通信速率高、系统成本低等优点[2]。闸门中心控制单元由研华工控计算机、CAN卡PCL-841、急停控件等部分组成，接收所有现地控制单元的信息，并为远控中心提供数据服务。集中控制工控机是中心控制单元的核心组成部分，由于计算机不能直接与CAN总线通讯，所以在计算机中必须要有CAN智能适配卡，只有这样才能与CAN总线通讯。PCL-841卡是一块专用的CAN通讯卡，能够提供总线仲裁、错误监测、以及数据自动重发功能，并且可直接插在PC机的ISA插槽内，由PCL-841卡负责上下位机的总线通讯。
2.2现地控制单元（LCU）
现地控制单元以高可靠性PLC为控制核心，它由PLC控制装置、电器控制柜、旋转编码、显示操作面板、工业检测装置以及其他的智能仪表等组成。现地控制单元中的PLC的下端为继电器等控制部件，而上端是由工业计算机组成的监控中心单元。现地控制单元结构图如图2所示。
图2现地控制单元结构图
闸门现地控制单元完成对闸门开启与关闭逻辑控制、位置检测反馈、电机分段开关逻辑控制，节点之间的通信传输，现地数据实时的采集、处理，以及对参数进行报警和故障判断等功能。每个PLC控制一定数量的闸门，各自独立，功能相同，可以现地和手动方式进行操作完成闸门的控制任务。电气控制柜主要采用了双机热备份，两个电机互为备份，它们轮流启动，这样充分利用设备，以确保在任何时刻都能用。这种冗余提高了系统的可靠性、扩展性和适应性。每套LCU都配备液晶显示屏，可实现现地自动操作控制和数据实时显示。现地LCU能够对启闭机进行控制与闸门开度、压力、油位等的自动化监视，并能够通过PLC串行通信口与中心控制级通信。闸门监控系统可在现地通过闸门开度检测装置或水位仪完成预置闸门开度、报警、计算并显示闸门实际开度等功能。
2.3工业视频监视系统。
建立视频监视系统，通过切换不同地点的视频信号直观监视闸门运行现场情况、上下游水面和水流情况等，确保闸门运行现场安全[3]。视频监视系统由工业摄像设备、镜头、云台、视频矩阵切换器、工业监视器、无线通讯设备等硬件设备配以多媒体软件组成，完成对水位、闸门运行过程的重要工位进行监视管理。在中心控站端用图形矩阵主机直接将光接收设备接受来的视频信号传输到图像监视器上，控制信号传输到控制计算机上，实现和上位机的数据交换。它具有实时监听、多画面视频显示、云台镜头控制、视频报警处理、自动录像的时间表设置、报警记录查询等多种功能，并配有检索回放软件，可进行全方位检索。
3系统软件设计
系统软件设计包括集中控制单元监控软件设计和现地控制单元PLC程序设计。PLC完成单台启闭机的控制、闸门开度和运行工况信息的采集以及和主站上位机的通信。集中控制单元监控软件完成数据查询和浏览、数据曲线显示、数据和图形打印、多媒体报警功能以及系统维护等功能。
上位机监控软件软件开发采用组件（COM或DCOM）技术。上位机组态软件采用北京昆仑的MCGS组态软件。它具有操作简便，功能强大，动态模拟逼真，通信稳定可靠[4]。这样可以缩短开发周期。MCGS组态软件，是以实时数据库为中心来处理、分析数据，以及向下位机发送指令。同时利用它开放性的特点，调用shell函数，执行节点间通讯程序，使整个系统能有效的运行起来。软件框图如图3所示。该软件由三大部分用户界面层、数据管理层和数据源层构成，而每部分又由多个组件组成。用户界面层主要有四个组件程序和一个主程序，即系统管理组件、图形监控组件、数据管理组件、报警系统组件和用户界面主控程序等。数据管理层通过组件实现数据信息在数据源层和用户界面层之间双向传输。数据源层主要由CAN协议接口组件和数据库维护与访问组件组成,它们分别负责从外部智能单元和现地数据库获取或发送数据的功能。
图3综合自动化软件框图
PLC软件设计主要是在监控中心给出闸门的监控量后，按照闸门控制的规程进行闸门的操作。PLC与闸门监控中心计算机以点对点方式通信。PLC首先进行初始化设置，当PLC的接收到数据时，进入接收中断子程序，首先判断是否是发给本PLC，然后执行，并发送应答信息给闸门监控中心计算机;在闸门操作过程中，PLC监测启闭机启动和运行电流，闸门运动速度、方向等，如发现异常，停止操作并报警。
4 结论
本系统将现场总线应用到水电站闸门控制中，实现了实时监测、现地和远方闸门控制、水位控制。系统具有接线结构的简化，成本低、可维护性好、速率高、稳定可靠等优点，而且采用模块化设计，设备充分考虑易升级换代，兼容性和联网功能，使系统在开放性、互换性好与便于升级、扩展和互联。在国内新建和老水电站的技术改造中，闸门工程建设管理更加合理，更加有效，更加可靠，提供了一种非常理想的解决方案。
参考文献
[1] 蒋元广. 水闸自动化监控系统的设计与研究. 河海大学，2002.1
[2] 王红雷. CAN总线技术在控制系统中的应用与实现. 贵州工业大学，2003.6
[3] 顾燕，徐立中，孙保平等.给予现场总线的分布式闸门监控系统. 自动化与仪器仪表，2000.5
[4] 陈明客. 基于MCGS软件开发平台的集散式数据采集系统. 大连理工大学，2002.3
