全渠道一体化测控闸门智能调控系统在引黄灌区的应用*

苏贵平 ，刘 斌

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

1 全渠道一体化测控阀门智能调控系统概述

该系统应用了包括灌溉管理层、现场控制层和局域监控层的现场总线控制系统的三级网络构造，对应中央控制系统、现场控制系统、现场控制设备和仪器仪表三个层面，三者间通过信息网络和控制网络连接，实现了引黄灌区用水的智能化高效调度与控制[4-5]。借助S7-1200PLC 创建可编程逻辑控制系统，该系统能够实现对用水调度控制流程中各子系统的智能化控制，并且能高效、高质量收集系统设备的运行情况和各项参数，监控一体化测控闸门智能调控系统的整体工作状态[6]。在系统工作状态出现异常时，可以及时报警反馈，使设备检修人员可以在第一时间抵达工作现场，及时排除故障，恢复正常工作状态。根据归纳整理收集到的设备信息，也可以在日常工作中随时分析设备的工作情况，防患于未然，提前做好设备维护，避免突发的异常问题发生。

2 全渠道一体化测控阀门智能调控系统设计

2.1 自动控制系统的下位机设计

在测控阀门智能调控系统设计中，下位机主要负责两个方面的工作。第一是为测控阀门提供远程控制指令，第二是采集测控阀门工作过程中的设备信息，并通过归纳整理上传至系统处理器。在现场总线的控制系统中，下位机是保持系统稳定性与可靠性的基础。所以，对于下位机的程序设计、安装都有很高的要求，若下位机的工作状态出现某些异常，将给处理工作带来较高的难度。

2.1.1 闸门测控系统总体设计

本设计以西门子PROFIBUS 的现场总线控制系统为基础。操作员处于主站的上位机处，就可以整体把握全渠道一体化测控阀门系统的一系列工作，无论是监测还是控制，在此系统功能的支持下都得到了效率上的有效改进。下位机的功能是基于西门子S7-300 的可编程逻辑控制实现的，并在主控系统上加装了各种传感器、变频器。下位机可以实现对现场设备的有效控制，采集阀门工作过程中的设备信息、工作信号，经过系统归纳整理后反馈到信息系统中。上位机配置了LENOVO 启天M4350 的台式机，用主机上的网卡与可编程逻辑控制器中的以太网通信模块连接。并未选用工业控制计算机，是因为在灌溉渠闸门现场，位置偏僻，点多面广，并没有配置大功率的电源，处理工作依靠一台低压配电柜完成，周边环境中不存在程度较大的电磁干扰和机械振动，现场实际的设备通信状况不会因此受到较大程度的影响。因此，通常情况下实际工作选用一般计算机，使用网线连接就可以正常工作。

设计使用了一个可编程逻辑控制主站并配置多个分站，确保系统正常运行。系统最上方是由操作人员负责的，人员监控整个处理系统时，借助的是上位机以及配套的WinCC与触摸屏。在下方配备了可编程逻辑控制器，其在整体控制系统中起到了核心的控制作用。再辅助加装传感器，外围配以闸门运行电路、通信接口闸门减速机、启闭机及闸位传感器等，形成测控一体闸门。解决了因渠道水含沙量高、易淤积而导致的测量精度低的问题，实现了对系统整体功能的控制作用，不仅让设备的数据采集功能更有效地发挥出来，也有利于设备管理人员及时做好设备的故障处理工作。

传感器的应用可以起到以下几方面作用：1）实时数据监测。处理器需要定期检查传感器节点有无信息上报，并检测闸门智能调控系统的工作情况，获取有效数据信息，将信息存储起来。在工作后期，这些在处理器中储存的数据，可以作为对环境数据处理和分析的有效参考依据。2）系统参数设定。处理器在判定传感器节点上传的信息的过程中，对于时间和环境数据的存储空间、用于报警的应力应变警告阈值、历史数据查询时间等，应提前进行相应的设定。3）系统实时报警。这部分功能要求传感器系统可以在监测到本地监测参数时，及时有效地分析数据信息，一旦发现监测参数接近报警阈值时，可以根据工作人员提前设定好的预警方案，立即向监测中心报警。上述监测报警机制，有效地提升了监控中心遇到紧急状况时处理问题的速度和能力。4）实时控制。实时控制功能要求传感器系统正确接收和解析监测中心的控制命令，控制前端传感器模块按照指令进行操作。5）主动查询。要求传感器系统为用户主动查询的服务内容，用户通过监控终端可以向处理器发送指令，在接收到指令后处理器可以快速反应，并依据之前设定好的工作程序采集数据信息传回用户终端。主动查询功能为用户随时随地监测施工实时数据提供了便利条件，具体结构框图如图1 所示。

图1 全渠道一体化测控阀门智能调控系统总体结构图

该全渠道一体化测控阀门智能调控系统，主要下分了多个子系统，分别是闸门自控子系统、大坝安全监测子系统、电站监测子系统、水雨情监测子系统、水质数据监测子系统、“三防”遥测子系统、实时视频数码监测子系统、离线管理子系统、服务器网管子系统、防雷避雷子系统、综合电源保障子系统等[7-8]。其中，闸门控制子系统、大坝安全子系统、油泵控制子系统、雨情监测子系统、水情监测子系统属于在线监控系统，可以控制干渠灌溉流量，控制上游水位，监控大坝安全情况，采集、监控电站数据和水雨情数据[9]，在线监控系统构成如图2所示。

图2 全渠道一体化测控阀门智能调控系统的远程监控子系统构成图

水质监测子系统用于分析水温、pH 值、浊度等数据，并将收集到的数据资料通过端口传输至离线服务器，由离线服务器完成接下来的数据分析、处理、存储工作。在视频数码监测子系统中，摄像头用于观察情况，视频采集系统用于信号的转换，可将视频信号转换为数字信号，并将其传输至实时视频数码监测计算设备中。离线管理子系统可以处理闸位数据和水质数据，并提供闸门智能调控系统的历史数据查询与报表生成功能，可以随时备份数据，既可自动备份也可手动备份，为闸门智能调控工作提供了更精准有效的数据支持[4]。可编程逻辑控制主控系统又包含了S7-300 控制器、输入输出模块、操作员站、触摸屏、以太网接口、终端监控软件等，能够实时采集各传感器参数，操作人员只需提前设定好控制策略，主控系统在实际工作中就可以自动发出控制信号，实现对流量、水位、闸位等的自动化控制。工作人员通过观察上位机触摸屏或是授权终端，都可以实时监测系统的参数、运行状态，也可以便捷地控制电阀开度，远程调整系统的工作情况，切实提升了灌溉水合理配置的自动化效果[10]。而综合电源保障子系统能够让闸门智能调控系统在失去电力支持后，也能维持一段时间的部分主要功能。

2.1.2 可编程逻辑控制的软件构成与基本工作原理

可编程逻辑控制的软件构成：1）系统监控程序。在系统内部的整体结构中，其属于底层的程序，主要负责的是比较基本和辅助性较强的功能。2）用户程序。这部分内容是要由用户自己开发与编写完成的，用户根据自己的实际需求，在用户程序中自主、自助完成想要做的工作。

可编程逻辑控制的基本工作原理：可编程逻辑控制的工作方式体现出显著的周期性循环扫描特征，也就是说，可编程逻辑控制可以对每个程序逐个进行扫描，然后一次性输出。在可编程逻辑控制的工作方式下，将单次循环扫描时间记为一个扫描周期，而CPU在实际工作中是先执行每个程序的第一条指令，然后按顺序逐条执行，在程序中未出现跳转、中断或者结束等指令的条件下，程序会一直周而复始循环下去。CPU 的一个扫描周期中，不仅要完成用户所编译的指令，还要完成其他的工作。

2.2 上位机应用管理软件

上位机主要实现监控功能，是总线控制系人机交互方面重要的一环，完成人机交流的工作。上位机通过通信连接实现对下位机以及现场设备的监控，软件基于.NET Framework、C＃程序设计语言和SQL 数据库，以B/S 模型为主，部分是通过C/S 模型程序辅助的开发方案。

2.3 网络通信的设计

本系统是一个典型的现场总线控制系统（FCS），共采用了三种通信方式：PROFIBUS、MPI、工业以太网。控制系统的网络通信设计下位机PLC 与现场设备采用PROFIBUS-DP 进行连接，PROFIBUSDP 网络通信方式为主站和分站的设计模式。硬件组态是在西门子的编程以及硬件组态Step7 环境中进行的，硬件配置主要是对主站的CPU 以及输入输出模块进行配置。具体步骤为：首先在Step7 开发环境中新建一个项目，插入一个S7-300 主站，和一条PROFIBUS-DP 网络，一条MPI 网络，一条Ethernet网络，然后分别组态各个主站、分站、触摸屏、上位机的网络地址。主站C P U 与各分站之间通过PROFIBUS 网络通信，主站与上位机和触摸屏之间可以通过MPI通信，也可以通过Ethernet通信。

3 结语

综上可知，全渠道一体化测控闸门智能调控系统的设计与应用，有助于远程自动控制灌区闸门水位、闸位及流量等。以往引黄灌区手动闸门存在的监控精度低、实时性差、灌溉水利用系数低、调配不均衡等问题，很大程度上是因为人工监测、手工计算所导致的。在智能调控系统应用后，引黄灌区凭借对全方位信息化技术的应用，用水调控工作质量得到了全方位提升。