西门子S7-200PLC在船闸闸门自动监控系统中的应用

1. 引言
随着科技发展和社会进步,在我国的水利事业中计算机监控技术已被广泛应用于泵站监控、船闸监控、闸门监控、变电站监控等方面。在船闸自动化监控方面，可编程控制器（PLC）技术较为成熟地应用使得船闸监控系统也逐渐趋于完善。PLC具有可靠性高，开发周期短，使用操作方便、便于现场编程调试等特点。船闸自动监控系统在运行时能根据控制要求手动或自动启闭闸门、监测闸室上下游水位及闸室内水位、监测各闸门闸位、定开高启闭闸门、监测系统设备状态。
本文根据中山东河水利船闸自动监控系统的设计、调试、运行实践，提出船闸自动监控系统的设计原则和方法。经工程的运行检验证明是可行的。
2. 船闸闸门自动控制系统构成
2.1 系统的组成
中山东河水利船闸监控系统监控中心建在水利枢纽监控中心室内。系统由一台远程控制计算机(操作员站)、一台上位机(工程师站)、一台网络报警打印机、两套由PLC可编程控制器组成的现地监控单元、现地操作单元、数据采集系统及执行机构、上下游水位传感器及闸位传感器等设备组成。见系统构成图见图1：

图1：东河船闸控制系统方案
2.2 系统的监控范围
◆ 船闸上、下闸首闸门自动监控；
◆ 上、下游及闸室内水位自动监测；
◆ 闸门位置及状态的实时自动监测；
◆ 启闭机房设备状态的实时自动监测；
◆ 通航灯的自动控制；
3. 船闸闸门自动控制系统的设计
3.1 系统的设计原则与要求
（1） 实用性与先进性。在方案设计中特别强调系统的实用性与先进性相结合。在确保实用效益的基础上，采用成熟的自动控制技术、计算机技术、安全防范技术。
（2） 可靠性与安全性。根据《水闸技术管理规程》SL75-94、《水闸工程管理设计规范》SL170-96等规范要求，选用合理设备，设计高可靠性的软、硬件控制系统，使船闸的控制更安全可靠。
（3） 经济性和可扩展性。在满足系统设计要求的前提下，选用性价比高的传感器设备、监控设备及通信设备。所采用的设备要充分考虑易升级换代，并且在升级时可以最大限度地保护原有的硬件设备和软件投资。
3.2 系统主要设备的选型
（1） 主回路供电采用带电分励的空气开关，可用于现场无人职守的远程操作方式。该装置动作可靠并有过载、欠压、短路保护功能，且可以通过控制回路分励控制，增加系统对电机的保护措施。在现场无人职守情况下，起到在电机停机后接触器异常触点粘连情况下，自动分断电机主回路，保护电机的作用。
（2） 闸门启闭机主回路的电源通断采用交流接触器控制电机的正转、反转。
（3） 控制回路采用PLC控制。本系统采用的PLC为德国西门子公司的S7-200系列。具体配置如下。CPU：CPU226(24点DI，16点DO)；DI：EM221(8点) ；DO：EM222(8点)；AI：EM231(4路)；以太网模块：CP243-1；中文文本显示器：TD200；编程软件：STEP 7-Micro/WIN。该型号CPU具有2个RS-485串行通信口。一个串口采用Profibus总线协议与TD200显示器通信，另一个串口用来编程，系统通过CP243-1的以太网口，采用TCP/IP协议与系统上位机通信，以实现系统的远程自动监控。
（4） 船闸闸门现地监控单元的操作面板上有手动、自动、检修三档转换开关，用来设置闸门的控制状态；手动状态时闸门的上升、下降、停止由面板上的按钮控制；可以通过面板上的中文显示器查看各闸门的当前开启高度及上下游和闸室内的水位值。
（5） 闸门开度传感器和船闸上、下游水位传感器均选用格雷码机械编码式传感器，该传感器数据准确、稳定、误差小、可靠性高、工作寿命长。
（6） 船闸内水位采用康宇测控仪表KYB900压力式水位传感器。上下游水位考虑到进出船只造成的影响，采用的是德国VEGA的超声波液位计。输出4-20mA模拟量信号。
3.3 主回路与控制回路设计
船闸分上闸首和下闸首二个启闭机房，各配备一台闸门现地监控单元。由于上下闸首监控单元工作原理相似，本文仅对上游监控单元做介绍。
该系统可采用手动控制和自动控制二种工作方式，其控制原理说明如下
（1） 手动控制。将控制机柜面板上的转换开关置于手动位置,当按下上升按钮时，交流接触器1得电，其触点闭合，启闭机电路接通，电机正转，闸门上升。当按下停止按钮或闸门到上限位时控制回路断开，电机停止运转；当按下下降按钮，交流接触器2得电，其触点闭合，闸门启闭机电路接通，电机反转，闸门下降。当按下停止按钮或闸门到下限位时控制回路断开，电机停止运转。
（2） 自动控制。先将控制机柜面板上的转换开关置于自动位置，当中心控制室需要控制闸门运行时，由上位机发送命令，当命令为上升控制时，PLC控制相应中间继电器触点闭合，使交流接触器1得电，其触点闭合，闸门启闭机电路接通，电机正转，闸门上升。当上位机发送停止命令或闸门到上限位时控制回路断开，电机停止运转；当发送下降命令时，PLC控制相应中间继电器触点闭合，交流接触器2得电，其触点闭合，闸门启闭机电路接通，电机反转，闸门下降。当上位机发送停止命令或闸门到下限位时控制回路断开，电机停止运转。
3.4 系统功能：
3．4．1现地监控单元功能：
① 接收上位机调度运行命令，发送现场采集的各类设备运行实时参数与状态信号。
② 根据上位机指令可进行上、下扉门、通航灯的控制。具有安全连锁功能。
③ 船闸闸门控制范围为从全关到全开、或从全开到全关。在中间任何位置可允许进行紧急停止操作。
④ 系统具有多重联锁功能，具有开、关、停故障报警等功能。有效地保障了系统现场设备的安全运行。
⑤ 根据上下游水位及通航要求，对上下游水位及闸室内水位进行水位平信号的检测，并将该信号与上下闸首及扉门的控制进行联锁，以防误动作。自动控制船闸的上行、下行的自动操作。同时自动控制通航红绿灯，确保通航安全。
船闸监控系统中从上游经过船闸驶往下游时上闸首的整体控制流程如图2所示。上闸首动作完成后，下闸首开始动作，其过程与上闸首相似。当船从下游经过船闸驶往上游时整体控制流程与图2相似，此处不再赘述。

图2：船闸闸门启闭流程
3．4．2 上位机功能：
① 采集现地监控单元设备运行实时数据。采集上下游、船闸内水位信号，船闸上、下闸首和上下扉门开度信号。
② 动态显示船闸的操作过程。
③ 显示水位动态曲线。
④ 具有船闸启、闭运行自动记录功能。
⑤ 编制打印运行日志、月志、年统计表。
⑥ 保留系统原手动操作功能。
⑦ 建立实时数据库及历史数据库。
⑧ 具有查询，报警功能。
⑨ 具有良好的中文人机界面。
4. 结束语
西门子S7-200在东河船闸监控系统中的成功应用，其重要功能发挥体现在：
1、 充分利用西门子S7-200的高可靠性和开放性，在通讯上发挥S7-200以太网OPCSERVER方式实现与上位机进行通讯，使得监控在数据交换上有了快而稳的优势。
2、 TD200和S7200CPU可在同一平台上进行组态，减化工程师编程维护的工作量。且TD200无论是菜单屏还是报警消息，都可以嵌入CPU数据变量，并且数据是作为地址单元间接访问，因此数据地址不会随消息的修改（甚至翻译）而改变。
3、 充分利用S7-200可为每一路模拟量输入选择软件滤波器。且选用的S7-200的模拟量滤波功能不必再另行编制用户的滤波程序。方便有效地解决了现场河水的水位和咸度数据采集波动带来的影响。
该系统自2004年7月投入运行以来，运行状况良好，在中心控制室可以利用计算机实现对上下闸首的闸门全程控制，并能在计算机上监测到闸门设备状态，故障情况以及上下游水位等实时数据。从而使工作人员对闸门的运行控制及时准确，也改善了工作环境和工作强度。是一个运行可靠的船闸自动化监控系统。

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