WaterResourcesInformatizationNO2Apr,2014一体化闸门自动测控系统设计江苏省宜兴市水利农机局，江苏宜兴214200；水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012；望虞河常熟水利枢纽管理所，江苏常熟215519）摘要：一体化闸门自动测控系统是针对小型闸站的现状及特点，研制的集信息采集、自动控制、通讯与网络、视频监视等功能为一体的新型设备。系统采用自主研发的开放式网络化信息控制平台，基于x86构架和工业现场总线技术，实现闸门自动控制功能的固化设计；采用SOFTPRO软件开发平台，可根据用户不同需求实现闸站控制系统的个性化定制。设计的一体化闸门自动测控系统能够适应闸站恶劣的运行环境，具有功能完备、可扩充性强、具有友好的人机界面、可靠性高、安装和维修方便、经济实用等优点，满足水资源监控与调度的需求。关键词：闸门；一体化自动测控系统；MINIBOX；SOFTPRO中图分类号：TV66文献标识码：A文章编号：1674-9405201402-0055-05收稿日期：2014-02-15作者简介：周凌辉（1976－），男，江苏宜兴人，工程师，主要研究方向：水利自动化。引言随着我国自动化控制技术的迅猛发展，测控系统在大中型闸站控制领域得到了广泛应用，极大地促进了我国水利信息化和现代化的发展[1-3]。作为面广量大的小型闸站控制系统在防汛和水资源调度中承担了重要角色[4-6]，但由于重视力度不够、投入不足，系统“成本倒挂”现象严重；加之闸站所处的工作环境普遍比较恶劣，现有闸站监控系统中的机械系统、传感设备装置等元器件老化较快，经常出现误动、拒动现象，并且部分元器件只能在现地操作时观测[7-8]，使得自动测控技术在小型闸站控制领域未能得到广泛推广和应用，严重制约了我国水利信息化和现代化的全面发展。目前已有诸多学者开展了基于以太环网ARM[10]TCPIP[11]等技术的闸站自动控制系统建设研究，并取得了一定的研究成果，但均未能很好地解决小型闸站自动控制系统建设“成本倒挂”严重的问题。在此基础上，基于x86构架和工业现场总线技术研制了一体化闸门自动测控系统，此系统具有集成自动化程度高、适应性好、价格优势明显、操作简便、对运行管理人员要求低、安装和维修方便等特点，可以大幅提高系统的可靠性和稳定性，能够充分适应小型闸门自动控制系统的特殊需求。系统架构与功能在系统设计时遵循整体实用性、先进性和可扩充性原则，同时为保证设计方案的科学性、合理性，系统设计过程中还充分考虑安全可靠性、互连性及经济性等因素。11系统架构系统通过计算机实时监视闸门的开度，闸门上、下限位置，启闭机工作状态等，按操作指令自动完成闸门启闭机起停，实现闸门升降停操作，闸门开度大小及状态的实时显示，上、下游水位实时显示，故障报警及运行记录等。系统采用分布式的网络结构[12]，按功能分为监测层、控制层及调度层56所示。监测层对水文及闸位信息（闸内外水位、雨量、闸位、水泵启停等数据）统一收集及监测；控制层通过通信信道，实现对监测站点（监测层）的调度控制和信息查询；调度中心实现的功能包括信息汇集存储、决策支持和系统调度等，调度中心通过信息收集处理系统（计算机网络和监测软件系统），接收来自有关监测站所提供的数据信息，实现综合调水。实时查询远程管理调度中心备份中心调度层分控制中心命令下达授权查询系统整体架构12系统功能系统能够实时、准确、有效地完成所有被控对象的安全监视和控制，能够对所控制机电设备的运行情况进行全面监视。为可靠完成闸门的升降停操作，系统应具备如下功能：1）模块化功能设计，可定制个性化功能；2）对系统相关信息的实时采集、处理、存储及查询；3）可实现手动自动，现地远方等多种控制；4）直观的操作界面，操作员可方便地对机组及辅助设备进行相应操作；5）操作员安全等级设置，操作员采用多级口令登陆；6）动态图形模拟系统运行过程和各类设备动7）故障报警、越限报警、事故停机及事故追忆功能；8）本地及远程视频监视功能；9）数据的远距离传输、快速数据处理和强大的逻辑管理功能。13系统性能特点一体化闸门自动测控系统的性能优势如下：1）对工作环境的适应性强，如工作温度为65，工作湿度为5%～90%，对电压波动适应性强，防灰尘、防雷措施好等。2）实现了闸门自动控制功能的固化设计，可根据用户的不同需求实现闸站控制系统的个性化定制。3）采用国际通用的ModbusCANOPENETHERCAT工业现场总线结构，对多个工作站点实现组网通信；基于x86构架和工业现场总线技术，支持直接接入以太网等多种先进技术，实现全局智能控制；数据采集实时，数据处理高效，人机接口友好，数据库完善，自诊断功能强。000个，高性能的分布式总线扩展模块，支持类型丰富，这是泵闸控制系统实现智能化的基础。5）开发了符合国际标准的组态软件，可实现远程维护和访问，异常报警实时显示。系统硬件设计一体化闸门监控系统的硬件主要由PLC控制、人机界面、现地控制和通信设备等个单元组成。21PLC控制单元系统采用自主研发的IDEABOXmini控制器，控制器主要由接口板、CPU主控板、端子板及扩展模块等几部分组成，如图所示。DB头，其中一个为RS-232RS-485接口，另一个为CANOPEN接口接口板内部连接线CPU主控板GoogolLink模拟量及其他接线接口，其中USB接口GoogolLink数字量及其他接线控制器采用高速DSP和高性能FPGA技术，具有更快的数据处理和更强的逻辑管理功能，其主板及端子板设计结构分别如图中，HSIO表示高速输入端子；PWM表示脉冲输出；FPGA表示现场可编程门阵列；CPLD表示复杂可编程逻辑器；ICOP表示基于X86的嵌入式控制；VGA表示视频图形阵列；各端子接口说明如表所示。VGALANDISPLAYRJ45USBETHERNET*2ICOPA9121GoogolLinkHSIO*2PWM*2FPGAEP2C5SJA1000CanCOM*2232主板设计结构图图CN1CN2CN3CN4CN5CN6CN7GoogolLinkHSIO*2PWM*2CPLDXO640INPUT*16OUTPUT*8AD*8DA*2HSIO*2PWM*2端子板设计结构图配合实时运行系统，控制单元实时性能保证在ms以内。控制器标配10100MbpsEthernet接口，RS-232485接口，CANopen总线接口，能够支持多种总线协议。通过CANopen总线连接远程从站及伺服单元。控制器供电为5V，3A，由后级电源模块提供。 22 人机界面单元 端子接口说明编号 CN1 CN2 CN3 CN4 CN5 CN6 CN7 接口 Googol Link 接口 10 IO端子 10 IO端子 10 IO端子 10 位端子 10 位端子 10 位端子 说明 接端子及其他扩展模块 位通用输入+24 位通用输入+24 位通用输出（700mA）+ 24 AD输入（16 DA输出（16 PWM输出 远程数据监测 实时以太网 现场控制层 GPRS 无线网络通讯拓扑图鉴于小型闸站具有分布广、数量大、运行时间 少等特点，为进一步优化此类自动控制系统设计， 对于无需采用远程控制的闸站自动控制系统，本设 计采用 WOP-2100T 系列可编程人机界面 [13] ，运行 管理人员可以利用触摸屏完成闸门的升降停等操 作，降低系统建设和运行管理成本。 23 通信设备单元 系统可以采用以下多种方式实现远程通讯的功 能，用户可以根据闸站具体情况选择单一或联合的 通讯方式： 1）使用 3G 方式传输。支持高速数据传输的蜂 窝移动通讯技术，在室外和行车环境中能够分别支 持至少 384kbits 的传输速率。 2）使用无线 GPRS 方式。此时需要添加 GPRS 模块，现场智能采集终端通过 RS-232 GPRS模块连接，经过封包形式发送到 GPRS 数据网络，通过 GPRS 数据网络将数据传送至管理 中心，实现系统采集数据与管理中心系统的实时在 线连接，传输速率可提升至 80 kbits，拓扑结构如 所示。周凌辉等：一体化闸门自动测控系统设计 3）公网通讯。系统本身支持公网通讯，只需 在服务器端网络宽带中制定 个固定IP 地址和端口 号，完成 IP 地址设置并连接到服务器，通过公共数 58传感器 CANopen数据采集 数据处理 地理数据 地理信息处理 泵闸站控制中心 闸站监控网络数据传输 软件界面图标题栏 变量声明区 程序区 编译信息区 状态栏 对象组织器 据网络即可实现系统采集数据与管理中心系统的实 时在线 数据采集与处理单元 数据采集处理单元采用工业化标准的数据传输 接口及控制，实现实时数据的交换 [14] 。根据各监测 点的实际情况配备高性能的室外摄像机和专用数据采 集设备（如水位计、开度仪、雨量计，以及水泵启停 信号采集设备等），进行实时监测、图像监视、报警 等，实现对泵闸站工程内外水位、闸门运行高度、水 泵开关和重要图像运行工况的实时监测，并实现与外 部系统的信息共享，拓扑结构如图 系统软件设计一体化闸门自动控制系统软件需要采集闸门运 行数据保存到监控中心的数据库中，并以图形、报 表、动画等形式向用户展示系统运行情况。同时， 为保证系统运行及数据的安全，降低人员误操作造 成的损失，系统采用用户分级权限访问机制。 为满足小型闸控系统软件高度模块化、软件 测试和程序调整简化、程序间数据共享性好、开放 式的接口和服务、支持格式化规范等需求，一体化 闸门自动控制系统软件采用 SOFTPRO 软件开发平 台，界面如图 所示，该平台是一种适用于基于IEC61131—3 国际标准的工业控制器和 PLC 组件的 编程工具，采用该平台的优势在于： 1）软件设计人员可根据自身编程习惯进行项目 开发。SOFTPRO IEC61131－3编程系统，自动 化软件系统的内核。SOFTPRO 软件包中包括符合 IEC61131－3 标准的 种编程语言，即指令表语言、功能块图连续功能图、梯形图、结构化文本、顺序 功能图，同时也可支持 VC++ 开发语言编程。 2）系统按照开放式的接口和服务，支持格式化 规范，采用的 GRT 软件包可以在 WindowsCE2000 XPQNX 平台上运行，实时性能保证在 ms以内， 而且对计算机的硬件和软件没有特殊的扩展要求。 3）系统集成 HMI（Human Machine Interface）， 59 周凌辉等：一体化闸门自动测控系统设计参考文献： 基于PLC 的闸门现场监 控及关键技术[J] 工业控制计算机，2006, 19 基于PLC 水电站闸门监控系统的研究[D] 武汉： 武汉理工大学，2012: 1-3 蒋斌，黄海田，王朝俊江苏水利信息化与自动化的现状 及其发展方向[J] 水利水文自动化，2010 杨栋梁水闸自动化控制系统[J] 中国仪器仪表，2009 水闸自动化系统的设计及其实现[J]电工技术， 2001 罗圈背水库闸门自动控制系统设计与实现[J] 水利科技与经济，2011, 17 水闸自动化监控系统的建设[J]科技创新导报， 2009 水闸监控系统的设计与应用研究[D]武汉：武汉理 工大学，2008: 1-5 张兴华以太环网技术在闸门自动化控制系统中的应用 水利科技与经济，2013,19 10: 119-120 [10] 基于ARM 的远程自动控制 计量闸门控制系统[J] 水利科技与经济，2014 57-59[11] 基于MODBUS TCPIP协议的远程闸门集控系 工业控制计算机，2013,26 27-29[12] 基于PLC 和组态软件的分布式闸门控制系统设 武汉：武汉理工大学，2011:2-4 [13] 26-27[14] 陈晓东，王高鹏 水闸监控系统中的数据采集与传输[J] 水利信息化，2011 48-51具有可视化功能。生成的画面可以在编程系统内部 显示，也可以直接显示在 Windows 平台的目标控制 器或内部浏览器上，提供给用户良好的操作界面。 4）支持自动化网络控制的远程数据接口。系统 采用 Web Server 软件包，可以提供 Web接口， 遵循 TCPIP 通讯协议，可通过局部以太网、英特 网，与各地用户和控制器进行数据、人机交互，并 可通过 Website 实现网络人机界面功能。 结语随着国家关于中小水闸除险加固项目的上马 及各地方对水利信息化的日益重视，对于成熟、可 靠、性价比高的闸门监控专用产品的需求量必将快 速增长。一体化闸门自动测控系统采用基于 x86 架和工业现场总线技术，实现了小型水利闸站通用功能的固化设计，很好地解决了小型闸站自动控制 系统建设“成本倒挂”严重等问题，具有较大的推 广应用价值，必将带来显著的经济和社会效益。 Design IntegratedAutomatic Measurement ControlSystem GatesZHOU Linghui LIZhenhai DONGWanjun SHANGXiaojun DONGBo WaterOffice Agriculture Machine Bureau Yixing,Yixing 214200, China； NanjingAutomation Institute WaterConservancy WaterResources, Nanjing 210012, China； WaterComplex Management Office Wangyuriver Changshu,Changshu 215519, China Abstract: integratedautomatic measurement controlsystem small-scalegates, informationcollection, automatic control, communication network,video surveillance opennetwork information controlplatform, based X86platform fieldbus technology, solidificationdesign automaticcontrol function personalizedcustomization carriedout according specialneeds systemcan work well harshoperating environments fullmission, strong expansion, friendly man-machine interface, low requirements operators,high reliability, convenient installation, economy systemcan fulfil schedulingdemands waterresources Key words: gate; integrated automatic measurement controlsystem; MINIBOX; SOFTPRO

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