水利自动化工程DCS系统的研发

赵丹瑞，尹 飞，文西芹＊，朱文亮，于 飞

（1.江苏海洋大学，江苏 连云港 222005；2.连云港水利局，江苏 连云港 222005）

水资源短缺是影响我国经济可持续发展的主要问题之一。我国人均水资源仅有2 200 m3，是世界平均水平的1/4左右，而我国农业用水占总用水量的3/4左右，其中农田灌溉用水占3/5左右。因此，在农业生产过程中，需要切实提高水资源的利用率，采取应用于水利自动化工程的分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）降低农田灌溉用水总量，保证我国经济高质量发展。本系统有效应用了农业节水灌溉技术，从而提高水资源利用率，并且使得粮食产量显著增加，是推动农业现代化发展的重要保障[1]。

1 系统总体设计方案

文章设计并实现的DCS系统包括了水位采集、闸位采集、闸门控制、流量计算功能。水位及闸位采集单元包括水位传感器、闸门开度传感器、昆仑通态触摸屏、运动控制器、集成电路分析（Integrated Circuit Analysis，ICAN）模块、基于组态王的PC机。闸门控制单元使用MSO-MC3运动控制器，与中间继电器、交流接触器互相配合，控制闸门升降动作采用的是KEIL-MDK5编程软件C语言。闸孔出流流量是水利自动化工程的一个重要影响参数。但考虑系统的成本，根据闸孔出流流量计算公式，需要上游水深、下游水深、闸门开度等参数，通过传感器对水位、闸门开度进行测量[2]，传输ICAN模块与MSO-MC3运动控制器相结合，从而提高对闸孔出流流量精确的计算，实时对流量进行计算和监控，合理调配水资源，为增加粮食产量奠定良好基础。

水文对于水利自动化工程DCS系统所控制一个闸门的结构如图1所示。

2 控制系统硬件设计

控制系统硬件主要由核M S O - M C 3 运动控制器、基于组态王的P C 机、监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）触摸屏、ICAN模块、交换机、传感器和闸门控制单元组成，本系统硬件结构如图2所示。

图1 总体设计结构

图2 系统硬件结构

2.1 MSO-MC3多轴运动控制器

自主研发的MSO-MC3运动控制器是应用于水利自动化工程的DCS系统的核心，如图3所示，对运动控制器的软硬件进行研究，开发低成本的嵌入式运动控制器[3-4]。根据模块化设计思想，运动控制器处理器用意法半导体公司推出的高性能Cortex-M4内核微控制器 STM32F4[5]，输入信号X、输出信号Y满足控制系统的需求，通信模块有RS485，RS232，CANOPEN，Earthnet等，外围电路精简，高效地降低了成本。运动控制器的软件系统采用层次化设计，软件系统的编写采用是通用的C编程语言，方便使用、升级功能[6-7]。

高端数控装备多轴运动控制系统以最新32位ARM为控制核心（替代单片机），其核心产品创新是多功能性，把多种工控产品的优势融为一体，集成了触摸屏显示，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）逻辑控制、多轴运动控制等功能。系统最多可实现32轴伺服电机驱动，实现不同运动控制功能，性价比高[8]。

2.2 闸门控制模块

应用于水利自动化工程的DCS系统的闸门控制部分主要由运动控制器、控制回路、数据采集3部分组成。核心控制单元采用MSO-MC3多轴运动控制器，PC机与运动控制器以标准ModbusTCP通信协议作为远程控制的通信方式，昆仑通态触摸屏与运动控制器采用的是RS232作为现自控制模式通信方式，来控制闸门的上升和下降；控制回路使用的器件主要有施耐德交流接触器、德力西继电器、施耐德断路器、指示灯和热继电器保护等；ICAN模块和运动控制器采用的是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）通信方式，数据采集包括闸门开度仪传感器和水位传感器的接入，两个传感器实时将采集到的信号传输到ICAN模块，再传输到运动控制器，从而时刻监测闸门的数据。为保证控制过程的安全性，设置了两个限位保护，第一个是在闸门开度仪设置了最高和最低开度，第二个使用的是限位开关，当超出设定的高度，系统工作中断，报警信息传入PC机，在消除报警和复位后，重新对闸门控制，安全性极高。将运动控制器、ICAN模块、电路主板及电器元件合理安装在电气控制柜中，将触摸屏、按钮、闸门开度仪等合理布置在电气控制柜面板上，保证元器件不影响互相工作，使得本系统适合用于不同恶劣条件。

3 软件设计

本系统基于MSO-MC3运动控制系统进行二次开发，基于C编程语言对软件进行开发[9]。控制器中的X1，X2为闸门上升和闸门下降输入信号；X3为闸门故障报警输入信号；X4，X5为闸门上升到位和闸门下降到位输入信号；X6，X7，X8为手动信号、现自信号、远控信号。控制器通过ICAN数据采集模块对传感器采集来的数据进行处理，传送给昆仑通态触摸屏和PC机，ICAN总线输入输出高速采集模块，可以实现低成本闸位开度和水位状态的在线监测，是一种实用性的一体化模块，能够实时监测各个测试点的闸门开度、水位并计算出各个闸门水流量情况，并保存和显示结果。当农田需要灌溉，可以远程控制闸门启闭，实时采集库区流量，提高水资源利用率。

3.1 昆仑通态触摸屏程序设计

昆仑通态触摸屏与运动控制器采用Modbus RTU通信方式。接收端串口采用RS-232通信模式[10-11]，通信参数和控制器发送端必须与接收端保持一致，控制器主控芯片STM32F407也必须通过RS-232总线发送命令来控制启闭机上升、下降、停止、触碰限位开关停止等动作。昆仑通态触摸屏主要由主控窗口界面，将控制柜上的旋钮调到“现自”控制状态，即可使用触摸屏控制。本系统设计了闸门操控指令、闸门故障报警、闸门位置显示[12]。

3.2 DCS系统组态

DCS的组态任务主要包括PC机组态王组态和MSOMC3的程序设计。

3.2.1 PC机组态王组态

采用传输控制协议（Transmission Control Protocol ，TCP）通信方式，总线连接PC机RJ45端口和交换机，使用多个标号光纤连接至相对应现地控制单元（Local Control Unit，LCU）柜中的光纤收发器，另一端采用6类屏蔽网线连接运动控制器EARTHNET接口，可以消除强电流对通信方式的干扰，在连接过程中，应尽可能缩短6类屏蔽网线的距离，以保证通信的稳定。运用组态王软件通过PC端进行组态工作，先进行网络组态，配置通信PC机的属性，设定PC机的IP地址及相关参数，建立Ethernet网络，并设定PC机的IP地址，以多个运动控制器做从站。PC机通过以太网运行。

3.2.2 控制器配置

设置网络的控制器从站参数：调整地址设置好控制器的地址，该地址与PC机组态时地址一致。设置从站：在控制器的配置软件中添加ModbusTCP从站节点及其IP地址，用于连接MSO-MC3运动控制器。设置控制器与通信用的串口参数和IP地址，编写控制程序。

3.3 流量计算

根据有关资料可知，闸孔自由出流流量的水力计算公式如下：

闸孔淹没出流流量的水力计算公式为：

式中，H为上游水深（m）；b为闸门宽度（m）；g为重力加速度取9.81 m/s2；e为闸门开度（m）；σs为淹没系数；Q为过闸流量（m3/s）[13-14]。

计算多孔闸门时，在误差范围之内，可以认为多孔闸门出流的总流量Q就是该闸门各个闸孔所需的流量之和，即：

式中，Q1，Q2，…，Qn分别为各单孔出流量。

4 试验结果

根据试验结果可知，经过100次试验，本系统基于流量和闸门开度、水深之间的关系如表1所示，精确计算出流量，当预估灌区对水资源的需求量时，开闸放水，提高了水资源利用率，增加了农业产量，对增加粮食种植者收入有重要意义[15]。

表1 单孔试验结果

5 结语

文章设计的应用于水利自动化工程的DCS系统充分利用了MSO-MC3运动控制器安全性高，产品成本是国外进口的1/2，具有实际的创新性和推广我国自主研发产品的应用性，响应国家万众创新的号召。本系统可实时远程遥控闸门启停，闸门位置控制精准，实现水情自动化监测与调度，可实时采集库区水位、闸位、闸孔出流流量。应用水利工程的DCS系统有效提高了我国农田灌溉水平，对提高国家粮食产量具有重要意义。