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摘要： 结合贵州某电厂泄水闸监控系统改造工程，探讨了西门子S7-1200PLC与上位机组态软件相配合在闸门监控系统中的应用对相邻闸门的开度控制进行了分析与处理。
关键词： 西门子; S7-1200PLC; 水电站泄水闸门; 监控系统
中图分类号： TM93 文献标识码： A
Abstract： Combining with the reconstruction project of the sluice gate monitoring system of a power plant in Guizhou， the application of Siemens S7-1200 PLC and the IPC configuration software in the monitoring system of the sluice gate is discussed， and the opening control of the adjacent sluice gate is analyzed and handled.
Key words： Siemens， S7-1200 PLC， Sluice gate of hydropower station， Monitoring system
1 引言
PLC是在结合我国工业发展情况基础上发明的数字运行电子系统，具有可编程控制功能，在系统中设置了可编程存储器，工业生产中可以结合实际生产需要将控制程序输入到存储器中，从而提高控制系统的针对性，在我国机械生产、工业生产中有着广泛的应用。而在水电站中的应用能够为水电站的安全、稳定运行提供坚实的保障，降低水电站发生故障的几率，为此，需要对PLC在水电站自动控制系统中的运用以及串行通讯进行具体的分析。
2 PLC在水电站自动控制系统中运用的结构与原理
PLC作为一种可编程逻辑控制器，其具有一套完整的编程程序，水电站可以根据实际控制情况，将控制要求以PLC语言算法进行转换，输入到系统中，系统会对输入信息进行处理，转换成水电站的控制要求输出信息。但输入控制要求信号过程中，必须排除干扰信号对控制器的影响，否则会影响控制效果。
PLC的主要应用结构为计算机结构，具体的部分有CPU、ROM、RAM以及输入、输出电路接口。其具备的功能有：指令接受、指令读取、指令执行、指令中断处理。其中ROM为水电站编制的控制要求存储位置，并记录已完成的控制程序;RAM一般存储控制中产生的逻辑变量以及内部程序运行应用的各项工作单元;输入电路接口主要负责的是信号转换，调整为系统能够执行与处理的信号语言;输出电路接口主要负责的是将控制信号输出，对现场的控制系统发挥作用，是控制信号的执行單元。
与传统的继电控制系统相比，PLC控制系统具有一定的优势，例如，在水电站油压装置的控制上，其主要功能是为自动补气，主要通过油压信号器节点的信号来控制继电器IKM的开合，实现油压的调整，当油压上升到上限时，继电器IKM处于闭合状态;但油压下降到下限值低于额定要求时，继电器IKM也处于闭合状态;从而影响到补气阀的开关状态，这样的控制能够始终将水电站的油压控制在额定要求范围内。而使用PLC系统进行控制后，可以直接输入控制信号代替继电控制系统的中间介质，代替IKM等元件，直接进行控制驱动。从这个角度来看，继电控制系统主要是通过各独立元件发挥作用来保障控制功能的实现，而PLC主要是通过输入的控制信号以及软元件来完成最终的控制要求，将控制信号输入到水电站的线圈、接线、触点等位置上。PLC内部到软元件，代替传统继电控制系统中的继电接触器，提高了控制的稳定性。而且PLC控制主要通过程序完成，继电控制系统主要是通过控制元件完成，PLC控制更灵活、方便。
S7-1200是西门子近年来推出的小型PLC，具有Profinet网络接口，增加了对Modbus规约的支持，使得上位机监控软件和HMI的选择范围更加广泛，能够在监控系统中直接应用国产组态软件，节约了项目成本，缩短了工程实施时间，取得了良好的经济效益与社会效益。
3 工程概况
贵州某电厂溢流坝22孔平板闸门，有两种不同的型号，由不同厂家设计、调试，其中#1-#10闸门为湖北咸宁三合机电生产制造，#11-#22闸门为广东江海机电生产制造。两种泄洪门自动化控制均不具有远方自动控制系统功能，无法实现远程操作。贵州某电厂所在地区雷暴天气频繁，电厂运行人员需要到坝顶手动操作闸门，存在一定的风险。
本次改造项目中，更换了新的S7-1200系列PLC控制器，增加了站控级上位机系统、光纤网络通信设备以及不间断电源设备。
3.2监控系统结构
贵州某电厂泄水闸监控系统采用分层分布结构，以光纤通信环网为界分为上位机系统与下位机系统两层。监控系统结构如图1所示。
上位机系统位于电厂中控室，由两台互为备份的监控主机、一台通讯机及一台工程师站组成，上位机监控软件采用南京南瑞集团公司自主研发的NC3.0组态软件，该软件既有基于信箱方式的专用通讯驱动程序，也有基于Modbus规约的通用通讯驱动程序，在工程应用中具有很高的灵活性。
下位机系统由分布在泄水闸坝顶闸房中的22套现地控制单元（LCU）组成，各LCU配备有西门子S7-1200系列PLC、光纤收发器、WeinView触摸屏、闸门开度仪、编码器等设备。 4 工程配置
4.1 PLC程序配置
首先在TIAPortal中对PLC进行硬件组态，在本项目中，完整的硬件配置包括CPU、点对点通信板、开关量输入模块、模拟量输入模块和开关量输出模块。硬件模块配置完成后，双击Profinet模块，在属性页中填写IP地址和子网掩码，以配置以太网地址，如图2所示。
初次下载程序时，TIA会自动搜索局域网内可用的CPU模块，并列出其MAC地址，对照印刷在CPU壳体上的MAC地址选择需要下载的对象。
4.2 基于Modbus规约的上下位机通讯
S7-1200PLC与NC3.0通过Modbus规约进行通信时，PLC作为Master，上位机作为Slave，如图3所示。
S7-1200PLC作为Modbus主站时，一个Profmet接口最多可以支持8个连接，但每个连接需要有不同的CONNECTID和端口号。上位机有两台互为主从的操作员站，因此在PLC中需要设置两个连接，端口号分别设置为502，504（上位机驱动程序与PLC保持同步）。
4.3 基于双相脉冲编码器的开度处理
贵州某水电站部分闸门配置了双相脉冲编码器，直接接入PLC，需要使用S7-1200的高速计数模块进行闸门开度处理。
在CPU属性页中，首先勾选启用第1组高速计数模块，计数类型选择A/B计数器，硬件输入选择%10.0与%10.1，其他默认，然后再将数字量输入的10.0与10.1通道滤波时间修改为0.05ms，以实现20kHz的高速计数功能。计数输出存放于ID1000寄存器中。
脉冲型编码器的缺点在于开度数据不能掉电保持，为解决此问题，在程序中新建数据块，在属性页中修改保持性为保持，将高速计数器输出数值赋值到该数据块，在Startup程序块中将此数据赋值为高速计数器的初始值，以此实现闸门开度的掉电保持功能。
5 相邻闸门的开度控制
贵州某电厂主河道宽近300m，岔河宽80余m，分别有15孔闸门和7孔闸门，多孔闸门组合成整体，发挥蓄水、泄洪功能。由于坝顶高度25m，而一扇闸门高度仅3m，因此相邻闸门开度差不得大于3m，否则闸门会出现缺口的危险。
为实现相邻闸门开度联动功能，在NC3.0中通过编写脚本，在控制令下发之前，对相邻闸门开度差值进行计算，大于3m时控制令不予下发。同时，闸门状态可以设置为“运行”或“检修”，当某一闸门确因检修等原因需提升至全开时，放下检修门，置闸门状态为“检修”，则忽略相邻闸门开度，直接下发控制令至PLC并执行操作。
6 S7-1200PLC与水电站控制系统其它控制设备间的串行通讯
S7-1200PLC与水电站控制系统中其它控制设备间的通讯主要通过三种方式来完成，第一种是PLC控制软件间的通讯、第二种是PLC与上位计算机之间的通讯、第三种是PLC与水电站中其它智能装置间的通讯。在集散控制系统设计上，通过物理连接的方式将PLC与主控计算机以星型、总线型、环型等方式连接，使连接产生的局域网更科学、更合理，但还需要注意到以下事项：
一是物理层的协议问题：PLC与其它控制设备的通信会应用到接收线路、驱动电路、通信介质接口等元件而且还要考虑到插件的类型、功能与数量，保障数字信号编码的准确，查看硬件功能是否满足控制链路的要求。
二是链路层的协议问题：通过对链路的控制，能够根据控制系统的要求组成适应格式的信息帧。
三是通讯中信息数据的更新问题：PLC在与主控计算机连接成局域网后就必须尊重通讯协议，根据每个设备的物理地址，与其保持实时有效的通讯连接。其中数据的交换主要通过计算机查询方式来完成，主控计算机可以按照一定的周期规律对PLC设备进行查询，但PLC设备对主控计算机的查询进行回应后，数据就开始进行交换。而数据信息的更新主要是通过主控计算机的广播方式来完成，根据不同节点按照主控计算机的要求进行数据信息的更新。另外，通过例外报告法也可以完成信息数据的更新，其主要是根据事先在PLC内编制的信息预定表，了解不同节点PLC的信息变化情况和变化数量，然后再根据主控计算机的要求调整PLC编制的预定表。
四是差错可以利用抗干扰编码进行控制，通过抗干扰编码的制定可以自动进行差错纠正。
五是通过S7-1200PLC与上位计算机进行串行通讯需要两组程序来完成，一组程序是PLC的通讯程序，另一组是上位计算机的通讯程序。例如，利用FX2N系列的RS通讯指令进行PLC通讯程序编制，可以将操作数S放置在数据传输区域的首地址，这样在传入中就可以接收到来自相应数据地址单元中的信息反馈，通过传输参数的辨认，实现通讯，但是在正式通讯之前必须对设置的指令进行激活，FX2N系列的数据长度在8位至16位之间。
7 结束语
综上所述，利用S7-1200与NC3.0组态软件的配合，可以实现贵州某水电站泄水闸的远程监控目标，不仅大大减轻了运行人员的劳动强度，而且为电厂安全运行提供了可靠保障，还通过网络将闸门运行参数发送至水情调度系统，实现了流量调控的自动化，提高了电厂运行综合效能，达到了事半功倍的效果。
参考文献：
[1]曹 闯. 基于西门子S7-400PLC和IMC平台的水电站监控系统设计[J]. 电工技术，2017（06）：6+9.
[2]李秋林. 西门子S7-300PLC在普梯水电站综合自动化系统中的应用[J]. 中国水能及电气化，2006（09）：55-57.
[3]胡顺彬，陈 琦. 基于S7-200PLC的水电站辅机自动化监控系统设计和实现[J]. 水利科技与经济，2005（10）：602-603+609.
作者简介：
付 雯（1983-），女，汉族，貴州镇宁人，讲师/工程师，硕士研究生，研究方向：工业机器人技术与应用。
收稿日期：2018-09-12
关键词： 西门子; S7-1200PLC; 水电站泄水闸门; 监控系统
中图分类号： TM93 文献标识码： A
Abstract： Combining with the reconstruction project of the sluice gate monitoring system of a power plant in Guizhou， the application of Siemens S7-1200 PLC and the IPC configuration software in the monitoring system of the sluice gate is discussed， and the opening control of the adjacent sluice gate is analyzed and handled.
Key words： Siemens， S7-1200 PLC， Sluice gate of hydropower station， Monitoring system
1 引言
PLC是在结合我国工业发展情况基础上发明的数字运行电子系统，具有可编程控制功能，在系统中设置了可编程存储器，工业生产中可以结合实际生产需要将控制程序输入到存储器中，从而提高控制系统的针对性，在我国机械生产、工业生产中有着广泛的应用。而在水电站中的应用能够为水电站的安全、稳定运行提供坚实的保障，降低水电站发生故障的几率，为此，需要对PLC在水电站自动控制系统中的运用以及串行通讯进行具体的分析。
2 PLC在水电站自动控制系统中运用的结构与原理
PLC作为一种可编程逻辑控制器，其具有一套完整的编程程序，水电站可以根据实际控制情况，将控制要求以PLC语言算法进行转换，输入到系统中，系统会对输入信息进行处理，转换成水电站的控制要求输出信息。但输入控制要求信号过程中，必须排除干扰信号对控制器的影响，否则会影响控制效果。
PLC的主要应用结构为计算机结构，具体的部分有CPU、ROM、RAM以及输入、输出电路接口。其具备的功能有：指令接受、指令读取、指令执行、指令中断处理。其中ROM为水电站编制的控制要求存储位置，并记录已完成的控制程序;RAM一般存储控制中产生的逻辑变量以及内部程序运行应用的各项工作单元;输入电路接口主要负责的是信号转换，调整为系统能够执行与处理的信号语言;输出电路接口主要负责的是将控制信号输出，对现场的控制系统发挥作用，是控制信号的执行單元。
与传统的继电控制系统相比，PLC控制系统具有一定的优势，例如，在水电站油压装置的控制上，其主要功能是为自动补气，主要通过油压信号器节点的信号来控制继电器IKM的开合，实现油压的调整，当油压上升到上限时，继电器IKM处于闭合状态;但油压下降到下限值低于额定要求时，继电器IKM也处于闭合状态;从而影响到补气阀的开关状态，这样的控制能够始终将水电站的油压控制在额定要求范围内。而使用PLC系统进行控制后，可以直接输入控制信号代替继电控制系统的中间介质，代替IKM等元件，直接进行控制驱动。从这个角度来看，继电控制系统主要是通过各独立元件发挥作用来保障控制功能的实现，而PLC主要是通过输入的控制信号以及软元件来完成最终的控制要求，将控制信号输入到水电站的线圈、接线、触点等位置上。PLC内部到软元件，代替传统继电控制系统中的继电接触器，提高了控制的稳定性。而且PLC控制主要通过程序完成，继电控制系统主要是通过控制元件完成，PLC控制更灵活、方便。
S7-1200是西门子近年来推出的小型PLC，具有Profinet网络接口，增加了对Modbus规约的支持，使得上位机监控软件和HMI的选择范围更加广泛，能够在监控系统中直接应用国产组态软件，节约了项目成本，缩短了工程实施时间，取得了良好的经济效益与社会效益。
3 工程概况
贵州某电厂溢流坝22孔平板闸门，有两种不同的型号，由不同厂家设计、调试，其中#1-#10闸门为湖北咸宁三合机电生产制造，#11-#22闸门为广东江海机电生产制造。两种泄洪门自动化控制均不具有远方自动控制系统功能，无法实现远程操作。贵州某电厂所在地区雷暴天气频繁，电厂运行人员需要到坝顶手动操作闸门，存在一定的风险。
本次改造项目中，更换了新的S7-1200系列PLC控制器，增加了站控级上位机系统、光纤网络通信设备以及不间断电源设备。
3.2监控系统结构
贵州某电厂泄水闸监控系统采用分层分布结构，以光纤通信环网为界分为上位机系统与下位机系统两层。监控系统结构如图1所示。
上位机系统位于电厂中控室，由两台互为备份的监控主机、一台通讯机及一台工程师站组成，上位机监控软件采用南京南瑞集团公司自主研发的NC3.0组态软件，该软件既有基于信箱方式的专用通讯驱动程序，也有基于Modbus规约的通用通讯驱动程序，在工程应用中具有很高的灵活性。
下位机系统由分布在泄水闸坝顶闸房中的22套现地控制单元（LCU）组成，各LCU配备有西门子S7-1200系列PLC、光纤收发器、WeinView触摸屏、闸门开度仪、编码器等设备。 4 工程配置
4.1 PLC程序配置
首先在TIAPortal中对PLC进行硬件组态，在本项目中，完整的硬件配置包括CPU、点对点通信板、开关量输入模块、模拟量输入模块和开关量输出模块。硬件模块配置完成后，双击Profinet模块，在属性页中填写IP地址和子网掩码，以配置以太网地址，如图2所示。
初次下载程序时，TIA会自动搜索局域网内可用的CPU模块，并列出其MAC地址，对照印刷在CPU壳体上的MAC地址选择需要下载的对象。
4.2 基于Modbus规约的上下位机通讯
S7-1200PLC与NC3.0通过Modbus规约进行通信时，PLC作为Master，上位机作为Slave，如图3所示。
S7-1200PLC作为Modbus主站时，一个Profmet接口最多可以支持8个连接，但每个连接需要有不同的CONNECTID和端口号。上位机有两台互为主从的操作员站，因此在PLC中需要设置两个连接，端口号分别设置为502，504（上位机驱动程序与PLC保持同步）。
4.3 基于双相脉冲编码器的开度处理
贵州某水电站部分闸门配置了双相脉冲编码器，直接接入PLC，需要使用S7-1200的高速计数模块进行闸门开度处理。
在CPU属性页中，首先勾选启用第1组高速计数模块，计数类型选择A/B计数器，硬件输入选择%10.0与%10.1，其他默认，然后再将数字量输入的10.0与10.1通道滤波时间修改为0.05ms，以实现20kHz的高速计数功能。计数输出存放于ID1000寄存器中。
脉冲型编码器的缺点在于开度数据不能掉电保持，为解决此问题，在程序中新建数据块，在属性页中修改保持性为保持，将高速计数器输出数值赋值到该数据块，在Startup程序块中将此数据赋值为高速计数器的初始值，以此实现闸门开度的掉电保持功能。
5 相邻闸门的开度控制
贵州某电厂主河道宽近300m，岔河宽80余m，分别有15孔闸门和7孔闸门，多孔闸门组合成整体，发挥蓄水、泄洪功能。由于坝顶高度25m，而一扇闸门高度仅3m，因此相邻闸门开度差不得大于3m，否则闸门会出现缺口的危险。
为实现相邻闸门开度联动功能，在NC3.0中通过编写脚本，在控制令下发之前，对相邻闸门开度差值进行计算，大于3m时控制令不予下发。同时，闸门状态可以设置为“运行”或“检修”，当某一闸门确因检修等原因需提升至全开时，放下检修门，置闸门状态为“检修”，则忽略相邻闸门开度，直接下发控制令至PLC并执行操作。
6 S7-1200PLC与水电站控制系统其它控制设备间的串行通讯
S7-1200PLC与水电站控制系统中其它控制设备间的通讯主要通过三种方式来完成，第一种是PLC控制软件间的通讯、第二种是PLC与上位计算机之间的通讯、第三种是PLC与水电站中其它智能装置间的通讯。在集散控制系统设计上，通过物理连接的方式将PLC与主控计算机以星型、总线型、环型等方式连接，使连接产生的局域网更科学、更合理，但还需要注意到以下事项：
一是物理层的协议问题：PLC与其它控制设备的通信会应用到接收线路、驱动电路、通信介质接口等元件而且还要考虑到插件的类型、功能与数量，保障数字信号编码的准确，查看硬件功能是否满足控制链路的要求。
二是链路层的协议问题：通过对链路的控制，能够根据控制系统的要求组成适应格式的信息帧。
三是通讯中信息数据的更新问题：PLC在与主控计算机连接成局域网后就必须尊重通讯协议，根据每个设备的物理地址，与其保持实时有效的通讯连接。其中数据的交换主要通过计算机查询方式来完成，主控计算机可以按照一定的周期规律对PLC设备进行查询，但PLC设备对主控计算机的查询进行回应后，数据就开始进行交换。而数据信息的更新主要是通过主控计算机的广播方式来完成，根据不同节点按照主控计算机的要求进行数据信息的更新。另外，通过例外报告法也可以完成信息数据的更新，其主要是根据事先在PLC内编制的信息预定表，了解不同节点PLC的信息变化情况和变化数量，然后再根据主控计算机的要求调整PLC编制的预定表。
四是差错可以利用抗干扰编码进行控制，通过抗干扰编码的制定可以自动进行差错纠正。
五是通过S7-1200PLC与上位计算机进行串行通讯需要两组程序来完成，一组程序是PLC的通讯程序，另一组是上位计算机的通讯程序。例如，利用FX2N系列的RS通讯指令进行PLC通讯程序编制，可以将操作数S放置在数据传输区域的首地址，这样在传入中就可以接收到来自相应数据地址单元中的信息反馈，通过传输参数的辨认，实现通讯，但是在正式通讯之前必须对设置的指令进行激活，FX2N系列的数据长度在8位至16位之间。
7 结束语
综上所述，利用S7-1200与NC3.0组态软件的配合，可以实现贵州某水电站泄水闸的远程监控目标，不仅大大减轻了运行人员的劳动强度，而且为电厂安全运行提供了可靠保障，还通过网络将闸门运行参数发送至水情调度系统，实现了流量调控的自动化，提高了电厂运行综合效能，达到了事半功倍的效果。
参考文献：
[1]曹 闯. 基于西门子S7-400PLC和IMC平台的水电站监控系统设计[J]. 电工技术，2017（06）：6+9.
[2]李秋林. 西门子S7-300PLC在普梯水电站综合自动化系统中的应用[J]. 中国水能及电气化，2006（09）：55-57.
[3]胡顺彬，陈 琦. 基于S7-200PLC的水电站辅机自动化监控系统设计和实现[J]. 水利科技与经济，2005（10）：602-603+609.
作者简介：
付 雯（1983-），女，汉族，貴州镇宁人，讲师/工程师，硕士研究生，研究方向：工业机器人技术与应用。
收稿日期：2018-09-12