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黄钲武
珠江水利科学研究院 广东广州 510000
摘要：为提高水库闸门的控制系统的可靠性、安全性、稳定性，使得水库闸门控制系统安全、稳定、可靠地运行，本文以某水库闸门为研究对象，采用可编程控制器（PLC）设计了一套水库闸门控制系统，并从系统硬件、软件、上位机等对该设计进行了详细的介绍，以望能为类似设计提供参考借鉴。
关键词：水库闸门；PLC；系统硬件设计；系统软件设计；上位机设计
引言
随着我国网络信息技术的发展及信息化进程的加快，自动控制技术、计算机网络技术、传感器技术、通信技术等技术也被引入到水库闸门的控制系统中，使得水库闸门的控制系统也由传统的继电器—接触器控制方式向自动化集成水平更高的自动闸门控制方式发展。将PLC应用于水库闸门控制系统中，能够有效提高系统的管理效率、运行能力，降低人力资源成本，减少人为操作失误。对此，笔者对基于PLC的水库闸门控制系统设计进行了介绍。
1 系统组成及硬件设计
该系统设计以某水库的溢洪道和泄洪洞的18孔闸门作为研究对象。系统设计方案以“无人值班、少人值守”为原则，以可编程控制器（PLC）为核心，采用分层、分布式组网，且综合运用传感器技术自动采集现场状况，通过以太网通信技术实现数据传送至远程监控室，便于上位机监视现场，从而实现了闸门的远程监控。水闸远程监控系统拓扑结构见图1。
图1 水闸远程监控系统拓扑结构图
1.1 系统组成
该系统网络结构分现地级、监控级和管理级三个等级。距闸门越近，控制级别越高。
（1）现地级。处于网络的最底层，其控制级别最高。PLC作为网络节点的形式挂靠在工业以太网上。现场电气控制柜中的智能仪器负责采集测量闸门用的编码器、荷重仪的数据，然后将此信号通过RS485接口传送到PLC中；液位仪的数据直接由PLC的模拟量模块采集；同时现场电气控制柜可直接控制启闭机的起停，PLC的I/O模块也可直接采集并控制这些开关量。PLC模块中的模拟量和开关量数据都传送到触摸屏中显示，经处理后传送到上层网络。
（2）监控级。主要包括局域网内的监控主机和服务器等。通过工业以太网交换机将PLC、操作员站和工程师站的主机联系，传输介质为光纤，传输速率为10Mbps，抗干扰能力强，采用星型拓扑结构，其优点是任何一个节点故障，对其他节点的工作不产生影响。
（3）管理级。处于网络的最上层，也称远程监控层，控制级别最低。此局域网与管理层的内部信息网相连通，采用浏览器的方式即可观察水库的设备和周围环境的信息，实现监测、控制、管理和调度的一体化。
1.2 系统硬件设计
闸门监控系统的硬件主要由现地控制单元、PLC控制单元、人机界面单元和通信设备单元四部分组成。
（1）现地控制单元。主要由主回路、控制回路和传感器信息采集三部分组成。主回路和控制回路使用的器件主要有断路器、接触器、熔断器、继电器、指示灯和按钮等；传感器信息采集包括带有RS485接口的绝对型编码器、荷重传感器及电参数模块等。
（2）PLC控制单元。本系统选用了施耐德Premium系列的PLC作为主要控制器，选用TSX573623作为整个过程的中心控制单元，通过以太网模块ETYPORT与工业以太网相连接。另外，还配置了电源模块（PSY）、数字量输入模块（DEY）、数字量输出模块（DSY）及模拟量输入模块（AEY）等。
（3）人机界面单元。放置于现场的触摸屏选用施耐德系列XBTGT5330，可通过其配有的RJ45接口连接到以太网上建立通讯；操作员站和工程师站选用研华IPC-610/AIMB-763VG/E53002.6G/1G/160G工控机作为主机，另配置19寸液晶显示器、UPS电源、打印机。工控机中装有组态王（King View）6.53版组态软件，实现对水库数据信息的监控。
（4）通信设备单元。通信选用工业以太网交换机TP-LINK系列产品TL-SL1226，符合IEEE802.3以太网标准，传输速率为10/100/1000Mbps，具有组网灵活、结构先进、使用简单、安装方便、性能优越等特点。在本系统中，PLC、触摸屏及工控机均可通过工业交换机实现数据的相互传输。鉴于主机位置分布较广，故选用光纤收发器实现远距离传输，光纤收发信号具有高可靠性、远距离传输等特点。
2 系统软件设计
该系统编程软件采用施耐德公司的PL7PROV4.4版本，采用模块式结构编制程序，将复杂的控制任务划分为各个子任务，由相应的程序块执行，主程序可通过不断调用子程序实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。闸门的控制方式分为现地手动控制、现地自动控制和远方自动控制3种，并设有通道报警、掉电报警、限位报警、过流过压保护等。一旦发生故障，则发出声光报警，故障解除后才可重启闸门。闸门程序控制流程见图2。
图2 系统程序流程图
3 模糊控制
闸门控制着水的流量，但流量控制系统具有时变性、非线性及不确定性等特点，若采用常规算法，用一组固定不变的参数进行控制，其超调量及振荡都较强，将出现较长的稳定时间，效果不理想。因此，为提高闸门的调节精度及稳定性、避免闸门的频繁动作，采用模糊控制的方法，用PLC构成模糊控制器对闸门的开度进行实时控制。通过模糊控制可满足对水位控制的快速性、精确性等要求，并具有较好的鲁棒性。闸门控制系统的模糊控制原理见图3。
图3 模糊控制器原理图
该系统选用的模糊控制器为二维模糊控制器。图中，偏差e为r与c的差值；ec为偏差的变化率。以e和ec为输入变量，以控制量的改变量u为输出变量，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理对u进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求。通过输入、输出量的模糊化、建立模糊控制规则、控制决策、生成模糊查询表，再分别
珠江水利科学研究院 广东广州 510000
摘要：为提高水库闸门的控制系统的可靠性、安全性、稳定性，使得水库闸门控制系统安全、稳定、可靠地运行，本文以某水库闸门为研究对象，采用可编程控制器（PLC）设计了一套水库闸门控制系统，并从系统硬件、软件、上位机等对该设计进行了详细的介绍，以望能为类似设计提供参考借鉴。
关键词：水库闸门；PLC；系统硬件设计；系统软件设计；上位机设计
引言
随着我国网络信息技术的发展及信息化进程的加快，自动控制技术、计算机网络技术、传感器技术、通信技术等技术也被引入到水库闸门的控制系统中，使得水库闸门的控制系统也由传统的继电器—接触器控制方式向自动化集成水平更高的自动闸门控制方式发展。将PLC应用于水库闸门控制系统中，能够有效提高系统的管理效率、运行能力，降低人力资源成本，减少人为操作失误。对此，笔者对基于PLC的水库闸门控制系统设计进行了介绍。
1 系统组成及硬件设计
该系统设计以某水库的溢洪道和泄洪洞的18孔闸门作为研究对象。系统设计方案以“无人值班、少人值守”为原则，以可编程控制器（PLC）为核心，采用分层、分布式组网，且综合运用传感器技术自动采集现场状况，通过以太网通信技术实现数据传送至远程监控室，便于上位机监视现场，从而实现了闸门的远程监控。水闸远程监控系统拓扑结构见图1。
图1 水闸远程监控系统拓扑结构图
1.1 系统组成
该系统网络结构分现地级、监控级和管理级三个等级。距闸门越近，控制级别越高。
（1）现地级。处于网络的最底层，其控制级别最高。PLC作为网络节点的形式挂靠在工业以太网上。现场电气控制柜中的智能仪器负责采集测量闸门用的编码器、荷重仪的数据，然后将此信号通过RS485接口传送到PLC中；液位仪的数据直接由PLC的模拟量模块采集；同时现场电气控制柜可直接控制启闭机的起停，PLC的I/O模块也可直接采集并控制这些开关量。PLC模块中的模拟量和开关量数据都传送到触摸屏中显示，经处理后传送到上层网络。
（2）监控级。主要包括局域网内的监控主机和服务器等。通过工业以太网交换机将PLC、操作员站和工程师站的主机联系，传输介质为光纤，传输速率为10Mbps，抗干扰能力强，采用星型拓扑结构，其优点是任何一个节点故障，对其他节点的工作不产生影响。
（3）管理级。处于网络的最上层，也称远程监控层，控制级别最低。此局域网与管理层的内部信息网相连通，采用浏览器的方式即可观察水库的设备和周围环境的信息，实现监测、控制、管理和调度的一体化。
1.2 系统硬件设计
闸门监控系统的硬件主要由现地控制单元、PLC控制单元、人机界面单元和通信设备单元四部分组成。
（1）现地控制单元。主要由主回路、控制回路和传感器信息采集三部分组成。主回路和控制回路使用的器件主要有断路器、接触器、熔断器、继电器、指示灯和按钮等；传感器信息采集包括带有RS485接口的绝对型编码器、荷重传感器及电参数模块等。
（2）PLC控制单元。本系统选用了施耐德Premium系列的PLC作为主要控制器，选用TSX573623作为整个过程的中心控制单元，通过以太网模块ETYPORT与工业以太网相连接。另外，还配置了电源模块（PSY）、数字量输入模块（DEY）、数字量输出模块（DSY）及模拟量输入模块（AEY）等。
（3）人机界面单元。放置于现场的触摸屏选用施耐德系列XBTGT5330，可通过其配有的RJ45接口连接到以太网上建立通讯；操作员站和工程师站选用研华IPC-610/AIMB-763VG/E53002.6G/1G/160G工控机作为主机，另配置19寸液晶显示器、UPS电源、打印机。工控机中装有组态王（King View）6.53版组态软件，实现对水库数据信息的监控。
（4）通信设备单元。通信选用工业以太网交换机TP-LINK系列产品TL-SL1226，符合IEEE802.3以太网标准，传输速率为10/100/1000Mbps，具有组网灵活、结构先进、使用简单、安装方便、性能优越等特点。在本系统中，PLC、触摸屏及工控机均可通过工业交换机实现数据的相互传输。鉴于主机位置分布较广，故选用光纤收发器实现远距离传输，光纤收发信号具有高可靠性、远距离传输等特点。
2 系统软件设计
该系统编程软件采用施耐德公司的PL7PROV4.4版本，采用模块式结构编制程序，将复杂的控制任务划分为各个子任务，由相应的程序块执行，主程序可通过不断调用子程序实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。闸门的控制方式分为现地手动控制、现地自动控制和远方自动控制3种，并设有通道报警、掉电报警、限位报警、过流过压保护等。一旦发生故障，则发出声光报警，故障解除后才可重启闸门。闸门程序控制流程见图2。
图2 系统程序流程图
3 模糊控制
闸门控制着水的流量，但流量控制系统具有时变性、非线性及不确定性等特点，若采用常规算法，用一组固定不变的参数进行控制，其超调量及振荡都较强，将出现较长的稳定时间，效果不理想。因此，为提高闸门的调节精度及稳定性、避免闸门的频繁动作，采用模糊控制的方法，用PLC构成模糊控制器对闸门的开度进行实时控制。通过模糊控制可满足对水位控制的快速性、精确性等要求，并具有较好的鲁棒性。闸门控制系统的模糊控制原理见图3。
图3 模糊控制器原理图
该系统选用的模糊控制器为二维模糊控制器。图中，偏差e为r与c的差值；ec为偏差的变化率。以e和ec为输入变量，以控制量的改变量u为输出变量，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理对u进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求。通过输入、输出量的模糊化、建立模糊控制规则、控制决策、生成模糊查询表，再分别