基于变频调速和以太网通信的闸门监控系统

赵 旭，韩东伟，三 月

（新疆维吾尔自治区风能研究所,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

闸门监控系统中，现地控制单元与分中心上位机多采用现场总线或 RS-485进行通信，在分中心设置1台通信工作站来完成与调度层的信息交换。这种通信网络结构较为复杂，具有可靠性低，维护量大等缺点。近几年以太网技术已广泛应用于水利工程之中，具有传输信息量大、易于安装和兼容性好的优点，将其应用于闸门监控系统，可简化现有系统的网络结构，降低系统建设和运行维护成本，大幅提高数据传输的效率[1]。

将变频调速技术引入到闸门监控系统中，在闸门启闭的初始过程，降低电机的转速，采用恒转矩的控制模式来控制闸门的启闭，这种控制方式可有效降低启闭设备机械部分的冲击，大幅提高闸门启闭的控制精度。

胜利水库位于新疆阿克苏河最下游的农一师塔里木灌区，在阿克苏、和田、叶尔羌这3个河汇合口的东侧，塔河南岸。胜利水库闸室采用开敞式结构，闸室段长 11.04m，闸孔设计3弧形钢闸门，每孔净宽4m，总净宽12m。每孔闸门尺寸 4.0 m×3.8m，共采用卷扬式双吊点启闭机3台，电机功率 3×7.5kW。现利用变频调速和以太网通信等技术开发了闸门监控系统。

1 系统的总体方案

胜利水库闸门监控系统采用3层网络结构，调度中心设在农一师塔里木水利管理处；控制分中心设在胜利水库管理站；现地控制单元设在水库放水闸房内。现地控制单元与控制分中心采用100M 以太网通信，通信介质为单模6芯光纤。在管理站和调度中心各设置1台闸门监控工作站，调度中心的监控工作站通过租用电信的2M 电路可直接访问现地控制单元，实现闸门的远程监控。

系统采用 PLC 作为主控制器，控制器配有以太网扩展模块，可将 PLC 连接到以太网实现远程编程和监控。变频器配置为恒转矩的控制模式。上位机软件采用工业组态软件进行二次开发。系统采用恒力收绳装置配合25位多圈绝对编码器来测量闸门的开度，编码器与 PLC 模块采用 SSI 串行总线连接。

2 现地控制单元设计

现地控制单元由主控制器、控制及动力电源、人机界面、变频控制盘、闸门开度仪等组成。

2.1 可编程控制器

闸门监控系统的 PLC 采用 S7-300系列。根据系统要求 ，PLC 总体配置如下：1）CPU选用 CPU315-2DP，内存 RAM 扩展到128k；2）数字量输入模块（DI）选用 SM321，共2块 （32点/块），处理64点输入信号；3）数字量输出模块 （DO）选用 SM322，共2块 （16点/块），处理32点输出信号；4）模拟量输入模块 （AI）选用 SM331，共1块 （8点/块），处理8点输入信号；5）编码器输入模块 （SM）选用 SM338，共1块 （3路/块）；6）通信模块：选用 CP343-1，共1块，为10/100M 以太网接口。

SM338模块是功能扩展模块，可连接3路支持SSI 串行总线的绝对编码器，传输速率可达 1Mbps，具有接线简单、响应速度快等优点。模块只需简单的配置和编程就可实现连接。

2.2 变频调速器

工程选用通用型变频器作为电机的驱动单元用于控制三相交流电动机速度的变频器，采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，脉冲宽度调制的开关频率是可选的，可有效抑制电动机运行噪声，还具有多种自定义的工作模式和完善的控制功能，能够实现复杂的电动机控制功能[2]。

本系统变频器工作在恒转矩模式，在0转速时可提供200% 力矩值，使闸门启闭更为平稳、可靠。为降低变频器对控制设备及传感器的电磁干扰，在动力电源进线处安装了进线电抗器，变频器的开关频率设定到20kHz，将干扰降到最低。系统选用的15kW 制动电阻箱消耗电机在发电时产生的额外能量，避免变频器直流母线侧过压，提高提升机的制动效果和闸门的控制精度。

2.3 闸门开度测量

采用25位多圈绝对旋转编码器配合恒力收绳装置作为闸门启闭开度的测量元件。该编码器每转8192（13位）位置值，分解转数 4096（12位），有较高的分辨率，保证了闸门开度的测量精度。编码器的 SSI 串行总线接口，实现与 PLC 模块连接，保证了采集和控制的实时性。由于本工程闸门为弧形结构，因此需要将采到的原始数据进行量程化，再用分段线性法将量程化的数据转化为闸门启闭高度值。

3 PLC 软件设计

PLC 软件采用 step7开发，开发语言采用语句表和梯形图。控制器与上位机通讯采用 SIMATIC SOFT NET 6.0进行配置，采用 s7协议。程序包括主程序、模拟量处理、分段线性化、开关停门控制流程、通讯服务、运行状态显示8个部分。

3.1 模拟量处理

工程共采集模拟量8路，包括3路电机电压、电流，以及电机转速等，以上信号均为 4～20mA 电流信号，因此需要将采集到的测量值转化为实际值。下面以电压转化为例，说明模拟量信号的处理过程。

SM331模拟量采集卡量程为 0～20mA，对应的数值是 0～27648；电压变送器的量程为 4～20mA，对应的电压是 0～500V；设电流信号为4mA，对应的采集卡数值为I'= （4×27648）/20= 5530；转换系数k= （500-0）/ （27648-5530）；转换后电压值V=k（I测–I '），其中I测为采集卡测量值。

3.2 分段线性化

弧形门闸门开度的测量与实测值之间存在着一定的非线性关系，因此需要对测量值进行分段线性化处理，将其转化为实际值。查表法是一种分段线性插值法，它是根据精度要求对非线性曲线进行分段，分段越多，线性化精度越高，分段后用若干段折线逼近曲线，将折点坐标值存入数据表中。测量时，根据一段直线的斜率进行线性插值，从而实现线性化修正。设定闸门全开高度为3m，每20cm 为1段共划分为15段，进行线性化处理。实际开度值H的表达式为：

式中：Li为测量开度值；Hi为实际开度值；i表示段数 0≤i≤15；L为编码器测量值。

3.3 开门控制流程

闸门设计了远程与现地 2 种控制方式。由于存在多种控制方式，必须设定各运行方式的控制条件，现地手动控制优先级最高，现地自动控制第 2 级，远程控制第 3 级。1）远程控制：现地 LCU 单元系统接受集控室控制指令，自动控制闸门启闭；2）现地自动控制：由现地 LCU 单元系统接受现地操作运行指令启闭闸门；3）现地手动控制：通过中间继电器控制单元手动启闭闸门，作为自动控制的后备控制，具有最高的优先级和独立性。开门流程如图 1 所示。手/自动转换开关设在现地控制单元。

4 上位机软件开发

上位机软件采用简易方便的组态工具和强大的功能，可以快速地针对不同级别的应用对象进行开发和配置[3]。

图1 开门流程

4.1 系统集成框架结构

组态软件提供了通用 OPC 通信驱动程序，OPC 客户应用程序可以通过标准、开放的多供应商接口，与 OPC 服务器进行通讯。系统采用以太网通讯方式，使用 SimaticNet2008 建立 OPC 服务器，实现组态软件与 PLC 的数据交换[3]。

4.2 上位机组态

根据农一师塔里木灌区的软硬件环境复杂、多种网络协议共存、共享多种数据资源、一致的用户界面、易于和其它系统互联、足够的开放性等实际情况。系统采用 C/S 和 B/S 混合的构架模式。设置操作和工程师站，数据的采集和系统控制等很多工作先经过操作站处理后再提交给工程师站。使数据采集周期短，控制精确度和灵敏度高，保证了现场运行设备最短时间内对控制指令的响应。

4.3 监控画面

监控画面可实现：每孔闸门的开、关、停操作；预设开度的设定；显示实时开度、三相电压和电流、库水位、闸后水位、闸门上升和下降速度、控制权和方式、现场运行信息和设备运行状态等现场信息；记录故障、操作记录等；系统结构图、模拟量实时和历史趋势图等页面。设有控制权限，不同人员分配不同的操作权限，提高系统的安全性。

5 结语

将变频调速和以太网通信技术应用到闸门控制系统中，实现闸门实时监测、现地和远程控制。简化现有系统的网络结构，大幅提高数据的传输效率。在闸门启闭的初始和停机过程中，采用恒转矩的控制模式来控制，可提高控制精度。变频调速器给电网带来高次谐波，对连接在电网中的用电和传感器设备产生干扰，因此可靠接地，使用屏蔽电缆，使用进线滤波电抗器等抗干扰措施，就变得尤为重要。目前该系统已投运3a，达到预期效果。

[1] 吉顺平，孙承志，路明.西门子 PLC 与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社，2008: 277-298.

[2] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.MICROMASTER440变频器用户手册[M].北京：西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2004:9-20.

[3] 悉雅特（中国）有限公司.CitectSCADA 软件用户手册[M].上海：悉雅特（中国）有限公司，2006: 10-18.