1、引言

李家岸引黃涵閘是黃河下游的一座大型自流引水閘，該引黃閘位于齊河縣晏城鎮(zhèn)李家岸村，相應臨黃堤左岸樁號123+210，三連九孔，鋼筋混凝土箱式涵洞結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土平板閘門，9臺固定卷揚式啟閉機，啟閉機型號QPQ，啟閉能力1×80，設計引水流量100m3/s，設計引水水位26.72m，設計灌溉面積267萬畝。為了解決引黃渠的水文狀況的及時監(jiān)控和統(tǒng)一管理的問題，設計了李家岸水文監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)設計

李家岸水文監(jiān)控管理系統(tǒng)是一套集現(xiàn)場檢測儀表、現(xiàn)場控制單元、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)、上位監(jiān)控管理及遠程監(jiān)控管理的現(xiàn)代化綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主站采用Siemens的Simatic S7-300，主要完成與下位采集單元、上位監(jiān)控計算機及遠程上級管理單位進行有線及無線的通訊任務。主控制器采用雙通訊口的S7-200系列PLC的CPU-226，作為終端采集單元及控制器，配合各種檢測設備對各個檢測量進行數(shù)據(jù)采集和設備控制。為了保證控制的可靠性，與上級中心PLC通訊選用Profibus-DP擴展模塊EM277，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議進行閘房與控制室之間的通訊。為了增強現(xiàn)場單元的信息導出，在現(xiàn)場使用了SIEMENS公司的TD200液晶觸摸顯示屏。

系統(tǒng)采用西門子WINCC5.1作為上位監(jiān)控軟件。主要完成實時監(jiān)控，參數(shù)的修改，報警記錄及各個單元的數(shù)據(jù)采集、匯總，生成報表等功能。上位監(jiān)控系統(tǒng)有5部分組成。閘門監(jiān)控畫面作為主畫面模擬顯示涵閘概貌及各個閘門的啟閉狀況和實時高度。數(shù)據(jù)歸檔畫面主要表格及曲線的形式顯示從下位單元采集上來的數(shù)據(jù)，具有實時及歷史曲線打印和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，歷史數(shù)據(jù)的時間段在三個月內(nèi)可自由選擇。報表打印畫面能夠按照完成統(tǒng)一要求的格式進行歷史及在線的數(shù)據(jù)報表及曲線打印，對于報警信息可實現(xiàn)在線打印。報警畫面可以提供最近一千次的報警信息內(nèi)容查詢，包括報警時間、故障地點及部分故障原因。此外在該系統(tǒng)中報警信息條及操作權(quán)限信息及更改按鈕貫穿于每個操作界面，使操作員在每個畫面操作時，都不會錯過任何重要信息。操作權(quán)限可根據(jù)操作員身份的不同而設定，并可以在在線狀態(tài)下修改個人密碼，工程師應具有最高權(quán)限。此系統(tǒng)可以用日期、時間、操作員姓名以及新舊數(shù)據(jù)之間的比較來記錄系統(tǒng)運行時的操作過程。

WinCC集成的視頻監(jiān)視功能為在上位機上實現(xiàn)實時監(jiān)控提供了可能，通過視頻采集卡監(jiān)控畫面可以嵌入監(jiān)控界面，為統(tǒng)一的管理提供了方便。此外，通過上位機進行視頻采集，可以充分利用大硬盤的優(yōu)勢進行硬盤錄像，可以長時間的保存影像資料。

3、現(xiàn)場總線在系統(tǒng)中的應用

3.1 關(guān)于Profibus總線

Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中國國家標準（GB/T20540-2006 PROFIBUS規(guī)范）的國際性的開放式的工業(yè)現(xiàn)場總線標準，目前世界上許多自動化生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設備提供PROFIBUS接口，廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力、等其他領(lǐng)域自動化。PROFIBUS根據(jù)應用特點分為： PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。

Profibus-DP采用RS-485進行傳輸，通常稱為H2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，共用一根導線對。波特率從9.6kbit/s到12Mbit/s。RS485操作容易，總線結(jié)構(gòu)允許增加和減少站點，分布投入不會影響到其他站點的操作。PROFIBUS-DP的基本功能和特性如下：

（1）遠距離高速通訊：波特率從96kbps到12Mbps;最大距離，12Mbps時100m，15Mbps時200m，還可以用中繼器加長；

（2）分布式結(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主站與從站為主/從傳遞。每段可達32個站，用連接器連接段，最多可達126個站；

（3）易于安裝：因為RS-485的傳輸技術(shù)簡單，雙絞線的敷設不需要專業(yè)知識，總線結(jié)構(gòu)使得一個站點的裝卸不影響其它站點的正常的工作，系統(tǒng)的安裝還可以分別進行，后期安裝的系統(tǒng)不會對前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙；

（4）診斷功能：經(jīng)過擴展的Profibus-DP的診斷功能能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集；

（5）開放式通信網(wǎng)絡；

（6）可靠性和保護機制。

3.2 有線通訊系統(tǒng)

系統(tǒng)應用CPU315-2作為Profibus-DP主站，屬于第一類DP主站，測流單元和閘門控制單元采用兩套S7-200CPU加EM277 PROFIBUS-DP接口作為DP從站形成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行通訊。

EM 277 Profibus-DP可以作為PROFIBUS-DP從站，也可用作與其他MPI主站通訊的通訊口。使用S7-300/400的XGET/XPUT功能時，S7-200可以通過該模塊與S7-300/400連接。使用MPI協(xié)議或PROFIBUS協(xié)議的STEP 7-Micro/WIN軟件和PROFIBUS卡，以及OP面板或TD200， 均可通過EM 277模塊與S7-200通訊。該系統(tǒng)中可以通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡實現(xiàn)在中央控制室對各個監(jiān)測單元從站進行在線程序的監(jiān)測、編輯、修改等功能。

最多可將6臺設備連接到EM 277 Profibus-DP模塊，其中為編程器和OP各保留一個連接，其余4個可由任何MPI主站使用。為了使EM 277 PROFIBUS-DP模塊可以與多個主站通訊，所有主站必須工作在相同的波特率下。

當EM 277 Profibus-DP模塊用作MPI通訊時，其MPI主站必須使用DP模塊的站址向S7-200發(fā)送信息，發(fā)送到EM 277 DP模塊的MPI信息，將會被傳送到S7-200上。EM 277模塊是從站模塊，它不能使用NETR和NETW功能在S7-200間通訊。盡管自由口是S7-200的一個特性，但EM 277模塊不能用作自由口方式通訊，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.3 無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)包含兩部分，一部分是檢測單元與中央控制單元之間的通訊，一部分是中央控制單元與上級監(jiān)測站之間的通訊。中央控制單元的PLC S7-315-2DP擴展兩個CP340 RS-232通訊模板，分別負責與上傳電臺和下傳電臺的通訊。采用分頻傳輸?shù)姆椒ㄟ_到互不干擾的目的。下傳CP負責接收來自水位檢測單元的數(shù)據(jù)。上傳CP負責向上傳送該監(jiān)測站的所有數(shù)據(jù)。硬件網(wǎng)絡配置圖如圖2所示。

（1）本地無線通訊系統(tǒng)

超聲波測水位系統(tǒng)，是采用單片機控制無線數(shù)傳電臺，定時向中心控制站發(fā)送水位實時檢測值。因此，S7-300的CP340-RS-232只要處于接收狀態(tài)便可以定時接收到發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)分站站址號將接收緩沖區(qū)接收來的數(shù)據(jù)傳送到相應的數(shù)據(jù)塊即可。測沙單元是由中心S7-300PLC控制時序，從站S7-200PLC在收到主站發(fā)來的信號時返回檢測數(shù)據(jù)。在無線通訊時應注意，主站與從站進行無線通訊時，要采用時分編址和碼分編址的技術(shù)，此外為了避免從站之間的數(shù)據(jù)干擾要采用字節(jié)奇偶校驗方法加以校驗。

測沙單元從站PLC采用自由口通訊模式，是自行設計的通訊程序，現(xiàn)將通訊部分程序介紹如下：

MAIN

NETWORK 37

LD SM0.7 // COMMENT：當檢測到上電信號，調(diào)初始化子程序SBR0，

A SM0.1 //特殊標志寄存器SM0.1在上電的第一個周期為ON。

CALL SBR_0

NETWORK 38

LD SM0.7 //COMMENT：當檢測到PLC從STOP切換到RUN狀態(tài)時，特殊標志寄存

EU //器SM0.7為ON一個周期，調(diào)初始化子程序SBR0，EU為上升沿檢測。

CALL SBR_0

NETWORK 39

LDN SM0.7 //COMMENT：當檢測到PLC從RUN切換到STOP狀態(tài)時，調(diào)子程

CALL SBR_1 //序SBR1，更改通訊參數(shù)為PPI通訊協(xié)議，以保證正常的程序下載。

SBR0

NETWORK 1 // COMMENT：設置通訊口參數(shù)為自由口通訊方式，

LD SM0.0 //9.6k波特率，8為數(shù)據(jù)位，無校驗方式，開中斷，

MOVB 16#09，SMB30 //允許相應通訊口接收數(shù)據(jù)中斷事件8，并

ENI //指定中斷事件8所對應的中斷程序號為INT_11。

ATCH INT_11，8

SBR1

NETWORK 1 //COMMENT：恢復通訊口參數(shù)為PPI通訊方式，并斷開

LD SM0.0 //通訊口接收數(shù)據(jù)中斷事件8與通訊口發(fā)送數(shù)

MOVB 16#C0， SMB30 //據(jù)中斷事件9，以保證正常的程序下載。

DTCH 8

DTCH 9

INT11

NETWORK 1 // COMMENT：比較接收緩沖區(qū)SMB0的第一個字節(jié)，

LD SM0.0 //與站點號比較如果站點好正確則繼續(xù)接收，

AB= SMB2，VB1 //送計數(shù)個數(shù)到累加器AC1，將接收緩沖塊首地址

MOVW +6，AC1 //送VD688，同時更改接收中斷事件8所對應的

MOVD &VB640，VD688 //中斷程序號為INT_12，返回中斷；如果不正確

ATCH INT_12，8 //則繼續(xù)等待，保持接收中斷程序序號INT_11。

CRETI

INT12

NETWORK 1 // COMMENT：將接收數(shù)據(jù)依次送到接收緩沖塊，

LD SM0.0 //地址加一，計數(shù)累加器AC1減一。

MOVB SMB2，＊VD688

INCD VD688

DECW AC1

NETWORK 2

LD SM1.0 //COMMENT：當計數(shù)累加器AC1減到零時，將接收

MOVW VW640，AC0 //到的字節(jié)作異或，存放到AC0，同時更

XORW VW642，AC0 //改接收中斷事件8所對應的中斷程序號為INT_13

ATCH INT_13，8

INT13

NETWORK 1 // COMMENT：屏蔽接收事件中斷8

LD SM0.0

DTCH 8

NETWORK 2

LDW= AC0，VW644 // COMMENT：比較發(fā)送的較驗字與接受的較驗字是否一致，

MOVB 18，VB600 //如果一致則準備返回數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)發(fā)送表，

MOVW VW0，VW601 //第一個字節(jié)為數(shù)據(jù)個數(shù)，第二個字為從站號，

BMB VB200，VB603，16 //接下來是16個字節(jié)的返回數(shù)據(jù)，同時指定

ATCH INT_14， 9 //發(fā)送中斷事件9所對應的中斷程序號為INT_14，發(fā)送

XMT VB600， 0 //數(shù)據(jù)；將接收緩沖塊的數(shù)據(jù)送到真正地接受區(qū)域，返回

MOVD VD640， VD400 //中斷。

CRETI

NETWORK 3

LD SM0.0 // COMMENT：如果較驗字不一致，更改接收中斷事件

ATCH INT_11， 8 //8所對應的中斷程序號為INT_11，準備下一次接收。

INT14

NETWORK 1 // COMMENT：發(fā)送完成后，屏蔽掉發(fā)送事件中斷，

LD SM0.0 //指定接收中斷事件8所對應的中斷程序號為INT_11，準備

DTCH 9 //下一次接收。

ATCH INT_11，8

（2）遠程無線通訊系統(tǒng)

黃河系遠程無線通訊系統(tǒng)可以采用微波、衛(wèi)星通訊及無線傳輸?shù)仁侄?。根?jù)系統(tǒng)的實際情況，選用了較為經(jīng)濟、靈活的通訊方式，即采用兩套S7-300PLC加CP340進行無線傳輸，使用CP340的RS232通訊協(xié)議進行CP模板與無線數(shù)傳電臺之間的數(shù)據(jù)交換。CP340帶有處理器與緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)的發(fā)送接受通過SEND和RECEIVE功能塊完成，不占用CPU的資源。由于引黃涵閘地處偏僻，距離城市較遠，通訊不便，使用這種通訊方式可以達到50公里的通訊距離，而且不受氣候及地形的影響。在使用不同傳輸頻段的條件下，通過CP地址號區(qū)分，可以實現(xiàn)上傳與下傳同時進行而不會出現(xiàn)相互沖突。

在無線通訊中，字節(jié)校驗十分重要。由于無線通訊往往受到外界各種因素的干擾，不但會引起檢測數(shù)據(jù)的錯誤，嚴重的情況可造成現(xiàn)場設備的誤動作。系統(tǒng)中首字節(jié)作為站址號，第二個字節(jié)作為自行規(guī)定的確認碼，數(shù)據(jù)段最后一個字節(jié)作為所有字節(jié)的校驗字節(jié)，是通過按位進行異或運算生成校驗字節(jié)。由于CP模塊接受數(shù)據(jù)的時間往往會大于主CPU的循環(huán)掃描時間，加之主從站之間的通訊是通過分時進行的，所以在由接受緩沖區(qū)送往接受數(shù)據(jù)區(qū)時，應確保位于始端的確認碼和位于末端的校驗碼同時正確時方可進行傳送。無線通訊的另一個缺點就是實時性比較差，尤其是在多站點之間進行無線通訊時，各個分站的動作要等待大循環(huán)周期的到來，運用時分編址和碼分編址的思想可以提高從站的響應速度。具體方法是在上位機對某個分站進行操作時，將該站站號和標志位同時送到下位主PLC，主站PLC接受到該標志位時，將依據(jù)分站號在接下來的3個小周期內(nèi)連續(xù)對該分站進行數(shù)據(jù)收發(fā)控制，將采集單元的數(shù)據(jù)及時采集上來，同時把上位機的控制命令迅速送達執(zhí)行機構(gòu)。

4 、結(jié)束語

本系統(tǒng)是一個較為完整的測控系統(tǒng)，包含檢測、控制、通訊、監(jiān)控和編程等各個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)中應用了現(xiàn)場總線、無線數(shù)據(jù)傳輸、PLC、上位監(jiān)控等先進的通訊控制手段以及超聲波測水位、紅外測沙等先進的檢測手段。系統(tǒng)圓滿完成了澆灌任務，產(chǎn)生了巨大的社會影響和經(jīng)濟效益。

本文的創(chuàng)新點：在工程實施中，尤其解決了無線通訊，克服了長期滯留下來信號無法傳輸?shù)膯栴}，解決了黃河通訊長期落后的通訊方式，為黃河遠程監(jiān)控的實施提供了保障。

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