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摘要：根据被控对象的特点，本文提出一种基于Schneider Twido系列可编程控制器（PLC）和组态软件结合的单元式闸控系统。提出一种新型、完整、可靠和稳定的控制体系结构，保证了控制单元的安全运行，有效提高了水利多闸管理的自动化水平，在现代闸泵控制的远程化和智能化方面具有重要的借鉴意义。
关键词：控制单元；可编程控制器；自动化
Abstract: according to the characteristics of the controlled objects, this paper proposes a Schneider Twido series based on programmable controller (PLC) and configuration software combines the unit of gating system. The present paper presents a new type, complete and reliable and stable control system structure, to ensure the safe operation of the control unit, effectively improve the water gate more automatic level of management, in the modern brake pump control of the remote, and intelligent has an important reference meanings.
Keywords: control unit; Programmable controller; automation
中圖分类号： TF321.8 文献标识码：A文章编号：
一 、项目概况
近几年来，自动化、信息化、集成化的控制在水利行业取得了突飞猛进的发展。尤其在十二五规划中，国家对水利行业的大力扶持，所以在大型水利工程水库、闸门、泵站运行中更好的应用信息化、自动化控制成为当务之急。
宁波市姚江大闸位于宁波市江北区，甬江支流姚江的下游，流域集雨面积1934km 2 。姚江大闸是姚江流域最主要的阻咸蓄淡、抗旱排涝骨干水利工程，设计灌溉面积52万亩。
姚江大闸于1958年9月动工兴建，到1959年7月基本竣工后投入运行。水闸共36孔，每孔净宽3.3米，净高4.4米，总净宽118.8米。设计过闸流量725m3/s，启闭形式为电动螺杆式启闭机。工程经过50年的运行，存在设备结构老化、闸门漏水严重等现象，闸门控制运行系统及运行管理条件落后。为确保姚江大闸安全运行，发挥其工程效益，提高水闸现代化管理水平，急需对水闸进行加固改造。同时，对水闸的控制系统进行技术改造，以满足现代水利发展的需求。水闸控制系统采用先进新型的可编程控制器对现场闸门单元进行控制，通过通讯网络对整个系统进行管理，组成一个完整的单元式闸控系统。
二、方案及对比
目前，自动化控制在水闸的应用形式基本属于传统集成式，这种方式适用于个数较少的闸门。一旦遇到闸门孔数过多的情况，若仍采用传统的集成方式进行控制，工作量、设备的浪费不但不可避免，批量集中观察、控制闸门的实现也非常困难。随着水利信息化建设的发展和完善，多闸门集中控制是今后的发展方向。
2.1自动化集成模式比选
2.1.1匹配化集成策略
优点：闸门控制站建设经济性好，根据闸门数量和采集参数，选择1至2个PLC进行控制和采集，因此控制成本会降低；技术方案成熟，更加适用于闸门孔数较少地区；控制柜少，摆放空间小。
缺点：建设速度较慢，对于每个站都需要特定的组态编程，如果对于多孔闸门，现场安装工作量大，故障查找困难；由于这类系统一个模块的故障可能造成整个系统的故障，所以系统的可靠性低，对要求较高的控制系统一般不采用这种方案；扩展性差；可维护性弱。
2.1.2模块化集成策略
优点：闸门控制站建设具有标准化；互换性好；建设速度快；现场布线合理；批量集成；从可靠性的方面考虑，由于具有分布式系统的优点，一个模块的故障不会造成整个系统的故障，所以系统的可靠性高、可维护性好；从开发编程考虑，每个模块技术路线一致，通用性强，开发周期更短、重用性更高、更稳定。
缺点：采用的PLC模块数量多，系统成本高；技术路线复杂。
2.1.3单元式闸门控制系统特点
独立性：每个闸门单元本身都是一个独立的整体，由本单元内部可编程控制器控制、通过内部机电设计达到控制闸门的目的。
整体性：虽然每个单元都是一个相对的独立个体，控制系统由多个不同功能类别的单元重组形成一个整体。系统整体性强，各单元模块由总线串联形成一个完整的整体。
互换性：同系列单元采用相同方案设计，具有极好的互换性。传统的集成式后期维护、扩建工程时，需要更新全部设备及软件，而单元式闸控系统只需要更换或增加单元即可，大大降低了物力、人力和时间成本。
三、闸门控制方法
在姚江大闸控制上，采用单元式闸控系统，为提高防洪排涝控制的集中化、自动化程度提供了保证。
3.1单元式闸控系统结构
由于姚江大闸有36孔闸门，数量较大，直接集中控制难以保证电源供给的稳定性和现场信息监测与控制指令下达的实时性，故可将其分为6组，每6孔闸门组成一个独立的单元式闸控系统。
图1单元式闸控系统结构示意图
3.2 单元式闸控系统组成
对于闸门单元式闸控系统，主要包含闸门测控单元、公用信息单元、测控供电单元、UPS和后备电池单元等部分。单组单元式螺杆闸门测控系统组成如下图所示。
图2单组单元式螺杆闸门测控系统组成
3.2.1 公共信息单元
公共信息单元是就地控制系统和远程上位机之间的纽带，主要完成就地控制系统和远程上位机之间的双向通信：就地控制系统所采样取得的信息和数据需要经过公共信息单元向上级上位机软件传输，同时上位机下达的一些数据和命令需要通过公共信息单元传递到就地控制系统。
除此之外，公共信息单元还扮演通讯协议上的转换角色，它将上位机与之传输的TCP/IP协议和各个单元与之通信的Modbus协议进行转换，以确保通信的安全性和实时性。
同时，公共信息单元还显示相关数据、信息、系统报警等。
3.2.2 供电单元
供电单元由24VDC开关电源、隔离变压器、各种保护设备、报警扬声器组成，为整个系统进行安全、可靠、稳定地提供电源。供电单元面板上装有电流、电压表，能准确显示当前瞬时电流电压值。
电源先进入隔离变压器再进入开关电源，为测控柜内各闸门操控单元提供电源。本单元具有过压、过流、短路保护功能，以防止因外部线路原因系统内元部件损坏。当外部电压、电流过高时，供电单元会给出报警并自动开启保护，以确保其他单元的安全性。
3.2.3闸门单元
闸门单元由可编程控制器、继电器、触摸屏、报警灯、紧急停止按钮等设备组成。以单个闸门为控制对象，基于可编程控制器（PLC）的先进工业控制方式为手段，单元化为特点，综合利用成熟可靠的传感、电子和通信技术，并具有较强的通用性和用户可定制性、可扩展性。
闸门单元能实时地将闸门现状、电力参数、操作提示等信息并通过触摸屏显示。自动地将闸门开度信息和现场设备状态发送至公共信息单元，再由公共信息单元统一发送至控制中心测控软件，做到实时监控以确保安全性。
闸门单元根据用户输入的开度，自动地将闸门启闭至指定的开度。同时接收由上位机软件管理员发来的测控指令，根据远程设定开度，自动发出启闭驱动指令并连通动力回路，将闸门启闭至指定开度，同时接收闸门传感器传来的闸位信息，实现远程控制。
闸门单元在控制闸门启闭过程中始终保持对闸门状态和电气参数的监测，一旦过程中出现有可能损坏闸门设备或电气设备的异常故障，测控系统则能够及时发出报警并自动停门，确保现场设备安全。
3.2.4 其他设备
其他设备主要由控制设备和现场设备组成。控制设备为可编程控制器PLC，在该系统里采用Schneider的小型控制器Twido系列；现场设备主要包括：接触器、继电器、变频器、限位开关、水位传感器、闸位传感器、指示灯以及视频摄像机和云台等。PLC通过其自带的RJ45以太网口接收来自数据层的测控指令，完成现场设备的控制，同时将现场采集的状态信息实时上传到工控机。
在相邻层之间通过工业以太网相连，远距离通信时以光纤为传输媒介，不仅在根本上防雷，还具有较大的带宽和较强的抗干扰性，解决了远程通讯的可靠性难题，同时也提高了系统的可扩展性。
四、经验总结
在该系统设计、安装、调试过程中，笔者充分体会到基于现场总线技术的PLC单元式闸控系统的优点。PLC的可靠性、上位监控软件的易用性和网络的强大可扩展尤为突出，成功解决了大型闸门系统难以集中远程测控的难题。不仅在宁波市姚江大闸工程中发挥作用，同时，在目前我国水利行业自动化水平较低的情况下，本系统的成功经验也为单元式闸控系统提供了很好的示范作用。
参考文献：
张东升. 基于PLC与现场总线的西河闸门控制系统的开发[J]. 工业控制计算机，2007,5
化雪梅. 灌区斗口闸门自动控制系统设计与运行[J]. 甘肃水利水电技术，2009,1
王金伟. 闸门群PLC控制体系结构优化分析[J]. 中国水能及电气化，2009,7
赵刚. 海龙水库闸门控制系统的改造[J] 魅力中国，2009,6
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：控制单元；可编程控制器；自动化
Abstract: according to the characteristics of the controlled objects, this paper proposes a Schneider Twido series based on programmable controller (PLC) and configuration software combines the unit of gating system. The present paper presents a new type, complete and reliable and stable control system structure, to ensure the safe operation of the control unit, effectively improve the water gate more automatic level of management, in the modern brake pump control of the remote, and intelligent has an important reference meanings.
Keywords: control unit; Programmable controller; automation
中圖分类号： TF321.8 文献标识码：A文章编号：
一 、项目概况
近几年来，自动化、信息化、集成化的控制在水利行业取得了突飞猛进的发展。尤其在十二五规划中，国家对水利行业的大力扶持，所以在大型水利工程水库、闸门、泵站运行中更好的应用信息化、自动化控制成为当务之急。
宁波市姚江大闸位于宁波市江北区，甬江支流姚江的下游，流域集雨面积1934km 2 。姚江大闸是姚江流域最主要的阻咸蓄淡、抗旱排涝骨干水利工程，设计灌溉面积52万亩。
姚江大闸于1958年9月动工兴建，到1959年7月基本竣工后投入运行。水闸共36孔，每孔净宽3.3米，净高4.4米，总净宽118.8米。设计过闸流量725m3/s，启闭形式为电动螺杆式启闭机。工程经过50年的运行，存在设备结构老化、闸门漏水严重等现象，闸门控制运行系统及运行管理条件落后。为确保姚江大闸安全运行，发挥其工程效益，提高水闸现代化管理水平，急需对水闸进行加固改造。同时，对水闸的控制系统进行技术改造，以满足现代水利发展的需求。水闸控制系统采用先进新型的可编程控制器对现场闸门单元进行控制，通过通讯网络对整个系统进行管理，组成一个完整的单元式闸控系统。
二、方案及对比
目前，自动化控制在水闸的应用形式基本属于传统集成式，这种方式适用于个数较少的闸门。一旦遇到闸门孔数过多的情况，若仍采用传统的集成方式进行控制，工作量、设备的浪费不但不可避免，批量集中观察、控制闸门的实现也非常困难。随着水利信息化建设的发展和完善，多闸门集中控制是今后的发展方向。
2.1自动化集成模式比选
2.1.1匹配化集成策略
优点：闸门控制站建设经济性好，根据闸门数量和采集参数，选择1至2个PLC进行控制和采集，因此控制成本会降低；技术方案成熟，更加适用于闸门孔数较少地区；控制柜少，摆放空间小。
缺点：建设速度较慢，对于每个站都需要特定的组态编程，如果对于多孔闸门，现场安装工作量大，故障查找困难；由于这类系统一个模块的故障可能造成整个系统的故障，所以系统的可靠性低，对要求较高的控制系统一般不采用这种方案；扩展性差；可维护性弱。
2.1.2模块化集成策略
优点：闸门控制站建设具有标准化；互换性好；建设速度快；现场布线合理；批量集成；从可靠性的方面考虑，由于具有分布式系统的优点，一个模块的故障不会造成整个系统的故障，所以系统的可靠性高、可维护性好；从开发编程考虑，每个模块技术路线一致，通用性强，开发周期更短、重用性更高、更稳定。
缺点：采用的PLC模块数量多，系统成本高；技术路线复杂。
2.1.3单元式闸门控制系统特点
独立性：每个闸门单元本身都是一个独立的整体，由本单元内部可编程控制器控制、通过内部机电设计达到控制闸门的目的。
整体性：虽然每个单元都是一个相对的独立个体，控制系统由多个不同功能类别的单元重组形成一个整体。系统整体性强，各单元模块由总线串联形成一个完整的整体。
互换性：同系列单元采用相同方案设计，具有极好的互换性。传统的集成式后期维护、扩建工程时，需要更新全部设备及软件，而单元式闸控系统只需要更换或增加单元即可，大大降低了物力、人力和时间成本。
三、闸门控制方法
在姚江大闸控制上，采用单元式闸控系统，为提高防洪排涝控制的集中化、自动化程度提供了保证。
3.1单元式闸控系统结构
由于姚江大闸有36孔闸门，数量较大，直接集中控制难以保证电源供给的稳定性和现场信息监测与控制指令下达的实时性，故可将其分为6组，每6孔闸门组成一个独立的单元式闸控系统。
图1单元式闸控系统结构示意图
3.2 单元式闸控系统组成
对于闸门单元式闸控系统，主要包含闸门测控单元、公用信息单元、测控供电单元、UPS和后备电池单元等部分。单组单元式螺杆闸门测控系统组成如下图所示。
图2单组单元式螺杆闸门测控系统组成
3.2.1 公共信息单元
公共信息单元是就地控制系统和远程上位机之间的纽带，主要完成就地控制系统和远程上位机之间的双向通信：就地控制系统所采样取得的信息和数据需要经过公共信息单元向上级上位机软件传输，同时上位机下达的一些数据和命令需要通过公共信息单元传递到就地控制系统。
除此之外，公共信息单元还扮演通讯协议上的转换角色，它将上位机与之传输的TCP/IP协议和各个单元与之通信的Modbus协议进行转换，以确保通信的安全性和实时性。
同时，公共信息单元还显示相关数据、信息、系统报警等。
3.2.2 供电单元
供电单元由24VDC开关电源、隔离变压器、各种保护设备、报警扬声器组成，为整个系统进行安全、可靠、稳定地提供电源。供电单元面板上装有电流、电压表，能准确显示当前瞬时电流电压值。
电源先进入隔离变压器再进入开关电源，为测控柜内各闸门操控单元提供电源。本单元具有过压、过流、短路保护功能，以防止因外部线路原因系统内元部件损坏。当外部电压、电流过高时，供电单元会给出报警并自动开启保护，以确保其他单元的安全性。
3.2.3闸门单元
闸门单元由可编程控制器、继电器、触摸屏、报警灯、紧急停止按钮等设备组成。以单个闸门为控制对象，基于可编程控制器（PLC）的先进工业控制方式为手段，单元化为特点，综合利用成熟可靠的传感、电子和通信技术，并具有较强的通用性和用户可定制性、可扩展性。
闸门单元能实时地将闸门现状、电力参数、操作提示等信息并通过触摸屏显示。自动地将闸门开度信息和现场设备状态发送至公共信息单元，再由公共信息单元统一发送至控制中心测控软件，做到实时监控以确保安全性。
闸门单元根据用户输入的开度，自动地将闸门启闭至指定的开度。同时接收由上位机软件管理员发来的测控指令，根据远程设定开度，自动发出启闭驱动指令并连通动力回路，将闸门启闭至指定开度，同时接收闸门传感器传来的闸位信息，实现远程控制。
闸门单元在控制闸门启闭过程中始终保持对闸门状态和电气参数的监测，一旦过程中出现有可能损坏闸门设备或电气设备的异常故障，测控系统则能够及时发出报警并自动停门，确保现场设备安全。
3.2.4 其他设备
其他设备主要由控制设备和现场设备组成。控制设备为可编程控制器PLC，在该系统里采用Schneider的小型控制器Twido系列；现场设备主要包括：接触器、继电器、变频器、限位开关、水位传感器、闸位传感器、指示灯以及视频摄像机和云台等。PLC通过其自带的RJ45以太网口接收来自数据层的测控指令，完成现场设备的控制，同时将现场采集的状态信息实时上传到工控机。
在相邻层之间通过工业以太网相连，远距离通信时以光纤为传输媒介，不仅在根本上防雷，还具有较大的带宽和较强的抗干扰性，解决了远程通讯的可靠性难题，同时也提高了系统的可扩展性。
四、经验总结
在该系统设计、安装、调试过程中，笔者充分体会到基于现场总线技术的PLC单元式闸控系统的优点。PLC的可靠性、上位监控软件的易用性和网络的强大可扩展尤为突出，成功解决了大型闸门系统难以集中远程测控的难题。不仅在宁波市姚江大闸工程中发挥作用，同时，在目前我国水利行业自动化水平较低的情况下，本系统的成功经验也为单元式闸控系统提供了很好的示范作用。
参考文献：
张东升. 基于PLC与现场总线的西河闸门控制系统的开发[J]. 工业控制计算机，2007,5
化雪梅. 灌区斗口闸门自动控制系统设计与运行[J]. 甘肃水利水电技术，2009,1
王金伟. 闸门群PLC控制体系结构优化分析[J]. 中国水能及电气化，2009,7
赵刚. 海龙水库闸门控制系统的改造[J] 魅力中国，2009,6
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。