姜伟+李守军+于红

[摘  要]提高水利工程自动化水平对国家水利发展具有重要意义。针对海河下游管理局屈家店枢纽工程闸门控制急需提高自动化水平的要求，设计并实现了一套完整的闸门监视控制自动化系统。提出了系统的网络架构，电气驱动设计方案，绝对值编码器的译码原理以及监视控制系统的软件实现，包括数据库变量建立方法，软硬件通道连接方法及运行策略的设计思路。全数字化的工业以太网总线的网络化设计大大提高了系统的可靠性、稳定性与实效性。

[关键词]PLC;编码器;MCGS;闸门控制;工业以太网

中图分类号：TP317 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0008-02

1 工程背景

屈家店枢纽位于天津市北辰区屈家店东北，由永定新河节制闸、北运河节制闸、新引河进洪闸组成，是控制永定河、北运河洪水泄入海河，确保天津市区安全的国家一级水利工程[1]。其中，永定新河进洪闸工作闸门11孔，墩厚1.2m，闸孔总宽119.8m。机架桥面上设轻型启闭机房，闸室上游布置工作门及上下游检修槽，闸墩和检修桥面高程8.9m。下游为净宽7.0m的交通桥，高程8.2m。

随着科技发展和社会进步，屈家店闸门自动化控制系统设备落后，智能化水平较低，信息不能快速集成，已不能满足城市水利发展的需要[2]。因此，对老旧设备进行改造，设计一套新的闸门监视控制系统在国家水利工程建设中具有重要意义。闸门自动化工程设计起点较高，从系统网络架构到控制器选择、传感器设计制造要坚持高可靠性、稳定性原则。

2 闸门监控系统网络架构

屈家店闸门自动化监控系统由11孔闸门的现地控制单元（LCU—Local Control Unit）组成。采用全网络化数字化的工业以太网总线架构。11孔闸门的开度由自已设计的采用格雷码编码方案的绝对值型编码器采集，经由现地闸门开度仪转换成RS485数字信号送至现地控制单元PLC（Schneider Twido TWDLCAE40DRF）带有以太网接口。最后由11个工业交换机互联成网，并与监控室的交换机互联，进一步与闸管处的计算机连接，构成一体化的工业以太网络总线控制架构。这种架构稳定、可靠、高效;是目前现场总线结构的最高形式。北京昆仑通态的MCGS 10.2英寸触摸屏（TPC1061Ti）也带有以太网RJ45接口，网络组态简单，效率较高，人机交互更加友好。

3 硬件设计

3.1 PLC控制系统电气驱动设计

硬件设计主要要完成两部分的设计：其一、手动控制电气原理图设计;其二、自动控制原理图设计[3]。手动控制由LCU柜上的控制按钮控制，自动控制由Schneider Twido PLC控制。被控对象为交流电机，其安装与规格不在此设计范围之内，在此主要考虑控制电路对电机的正反转控制实现。包括闸门控制回路与信号指示回路。闸门控制回路包括上升、下降的手动与自动控制。两电路互锁，以保证系统安全。KM11、KM12为交流接触器，控制电机的正反转。SGP11、SGP12为上限位与下限位机械开关，避免系统极限故障。SA1为系统权限开关，控制面板上的4个位置分别代表“切除”、“现地”、“控制室”、“管理处”4个状态。权限开关打到不同的位置代表不同的控制权限。

信号回路用于闸门的状态监视。当闸门处于上升、下降、停止等状态时，对应的指示灯点亮。

3.2 绝对值型编码器设计

合理精度的编码器是闸门开度测量的基础。本项目设计的编码器采用绝对值方案，即编码器具有掉电参数记忆功能[4]。另外，编码采用格雷码，相邻码位之间仅一位数字不同，误码率大大降低，倍数越多，效果越明显。编码器采用19线，第1～15线为有效数据位，第19线为公共端。采用19芯航空连接至开度仪表。

码制转换流程：

（1）将低位L8～L1转换为二进制B8～B1（产生低位二进制码）。

方法：二进制码的最高位等于格雷码的最高位，二进制码的其余位等于高位二进制码与本格雷码按位进行异或逻辑运算。

（2）将高位H7～H1转换为二进制B7/～B1/（产生高位二进制码）。

方法同（1）。

（3）把二进制B7/～B1/与与由L8产生的7位二进制码（当L8=0时，7位二进制码为000 0000，当L8=1时，7位二进制码为111 1111）进行二进制相加运算，结果表示B15～B9，去掉最末位B9，产生高位二进制B15～B10。

（4）把高位二进制B15～B10.与低位二进制B8～B1拼接组成码制转换结果的14位二进制数字量B15～B10 B8～B1。

测试案例：

在原码显示时，19芯插头各脚信号对应数据显示值：

第1根数据线与公共点短接输出为1;第2根数据线与公共点短接输出为3;第3根数据线与公共点短接输出为7;第4根数据线与公共点短接输出为15;第5根数据线与公共点短接输出为31;第6根数据线与公共点短接输出为63;第7根数据线与公共点短接输出为127;第8根数据线与公共点短接输出为16383;第9根数据线与公共点短接输出为0;第10根数据线与公共点短接输出为256;第11根数据线与公共点短接输出为768;第12根数据线与公共点短接输出为1972;第13根数据线与公共点短接输出为3840;第14根数据线与公共点短接输出为7936;第15根数据线与公共点短接输出为16128。

4 MCGS监视软件设计

4.1 界面设计

现场11个LCU（Local Control Unit）通过西门子工业交换机与位于监控室内的上位监控主机连接。实现高效数据SCADA（Supervisory Control & Data Access）是闸门控制与水情测报的关键。基于此，要求开发出既能实时监控系统运行，又便于快速开发及系统后续升级维护的监控软件是必须的，而MCGS组态软件很好的满足这一要求。采用MCGS设计的软件主界面如图2所示。每孔闸门的状态信息可以实时监测显示，形象而直观，触摸屏与上位机采用一致的设计风格，简化操作人员的操作，友善的人机界面改善了自动化的操控性能。控制界面的设计与此类同。

根据系统要求，需要完成水情信息记录，闸门动作记录，网络数据传输入库管理，报表打印与记录。而MCGS组态软件的策略设计是实现系统高效与实时信息处理的关键。数据库的结构设计是有效管理数据的保证。论文重点从这两点来论述策略的实现。

4.2 MCGS数据处理策略

高效的MCGS数据处理策略关系到系统的可靠运行，是监控软件系统设计的关键[5]。本设计包括建立数据库数据变量，系统运行时数据处理策略。

4.2.1 数据库变量的建立

建立的数据库为Microsoft Access数据库，该数据库简单而易于维护[6]。表1给出了MCGS实时数据库数据表格变量，工程有效变量17个，包括操作权限、电机状态、过载、远方、闸门状态等;其余变量如data、test等为调试用的中间变量。由于每孔LCU电气设计完全相同，所以对应的变量设计也完全一样。

4.2.2 数据库变量与PLC变量的通道连接

要完成PLC开度与水情信息的采集或上位监控计算机的控制命令下达，必须要编写驱动程序。由于驱动程序可以采用MCGS自带的设备驱动，所以，只要完成数据库实时变量与PLC变量的通道连接工作即可。

打开MCGS设备驱动工具箱，将“通用TCP/IP父设备”选进工具箱，然后设置通信参数，最小采集周期默认值为1000ms，可以调整该参数，但不能太小，否则系统响应速度跟不上，一般不能低于100ms。网络类型要选择：TCP。本机IP地址指的是触摸屏或上位监控计算机的IP地址，远方地址指的是所连接的PLC的IP地址。只有正确设备才能保证连接无误。

然后，将“标准Modbus通信子设备”选进工具箱，并置于“通用TCP/IP父设备”之下。然后设置参数，并完成通道连接。如“手动”对应PLC内部的开关量地址%M0，“现地”对应PLC内部的开关量地址%M1，即MCGS数据库中的实际地址编号为PLC中M区位地址编号加1。100XX表示只读开关量，000XX表示读写开关量，3DF00XX表示只读模拟量，4DF00XX表示读写模拟量。

4.2.3 实时数据处理策略

水文数据日报表，水文数据月报表，闸门动作报表等信息获取，必须通过编写策略来实现。图4给出了本工程设计的5类策略，属于MCGS循环策略，周而复始的执行策略行。策略循环时间可任意设置，如设置成500ms，则每500ms执行一次策略行。具体实现不再赘述。

5 结语

屈家店闸门自动化监控系统采用了全新的工业以太网络架构，高性能的法国Schneider Twido PLC，在MCGS组态软件开发的监控软件上实现了实时水文数据采集与闸门升降控制，完成了信息的网络传输，报警报表。现在系统已顺利完成调试，投入运用以来，稳定，可靠，实时性能均有突出表现，对闸门控制与信息处理自动化工程建设具有重要的推广价值。

参考文献

[1] 李浩霖.永定新河综合治理工程（屈家店闸下至大张庄闸段）施工组织设计思路简述[J].内蒙古水利，2015，02：35-36.

[2] 李洪蕊，郭建琦，高诚.屈家店枢纽北运河节制闸安全鉴定分析[J].陕西水利，2015，02：45-47.

[3] 张松涛.屈家店枢纽自动监控系统应用浅析[J].海河水利，2005，01：46-47.

[4] 杜岗，姜伟，于红.屈家店水利枢纽综合测量系统设计[J].常州信息职业技术学院学报，2015，06：24-27.

[5] 李守军，徐立中，于红，等.黄河拉西瓦水电站水位测量盘通信单元设计[J].人民黄河，2010（6）：116-117.

[6] 李守军，刘大奎.天津独流减河工程监控系统现地通信单元设计[J].水电自动化与大坝监测，2008（4）：77-80.