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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構，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控和統一管理的問題，設計了李家岸水文監控管理系統。
2、系統設計
李家岸水文監控管理系統是一套集現場檢測儀表、現場控制單元、現場執行機構、上位監控管理及遠程監控管理的現代化綜合監控管理系統。系統主站采用Siemens的Simatic S7-300，主要完成與下位采集單元、上位監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據采集和設備控制。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現場總線協議進行閘房與控制室之間的通訊。為了增強現場單元的信息導出，在現場使用了SIEMENS公司的TD200液晶觸摸顯示屏。
系統采用西門子WINCC5.1作為上位監控軟件。主要完成實時監控，參數的修改，報警記錄及各個單元的數據采集、匯總，生成報表等功能。上位監控系統有5部分組成。閘門監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。數據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據，具有實時及歷史曲線打印和歷史數據查詢的功能，歷史數據的時間段在三個月內可自由選擇。報表打印畫面能夠按照完成統一要求的格式進行歷史及在線的數據報表及曲線打印，對于報警信息可實現在線打印。報警畫面可以提供最近一千次的報警信息內容查詢，包括報警時間、故障地點及部分故障原因。此外在該系統中報警信息條及操作權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。操作權限可根據操作員身份的不同而設定，并可以在在線狀態下修改個人密碼，工程師應具有最高權限。此系統可以用日期、時間、操作員姓名以及新舊數據之間的比較來記錄系統運行時的操作過程。
WinCC集成的視頻監視功能為在上位機上實現實時監控提供了可能，通過視頻采集卡監控畫面可以嵌入監控界面，為統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勢進行硬盤錄像，可以長時間的保存影像資料。
3、現場總線在系統中的應用
3.1 關于Profibus總線
Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種已經轉化為中國國家標準（GB/T20540-2006 PROFIBUS規范）的國際性的開放式的工業現場總線標準，目前世界上許多自動化生產廠家都為它們生產的設備提供PROFIBUS接口，廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力、等其他領域自動化。PROFIBUS根據應用特點分為： 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控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現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，總線結構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）分布式結構：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的傳輸技術簡單，雙絞線的敷設不需要專業知識，總線結構使得一個站點的裝卸不影響其它站點的正常的工作，系統的安裝還可以分別進行，后期安裝的系統不會對前期安裝的系統造成妨礙；
（4）診斷功能：經過擴展的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）開放式通信網絡；
（6）可靠性和保護機制。
3.2 有線通訊系統
系統應用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協議或PROFIBUS協議的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。該系統中可以通過PROFIBUS-DP網絡實現在中央控制室對各個監測單元從站進行在線程序的監測、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發送信息，發送到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，網絡結構圖如圖1所示。
3.3 無線通訊系統
無線通訊系統包含兩部分，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。采用分頻傳輸的方法達到互不干擾的目的。下傳CP負責接收來自水位檢測單元的數據。上傳CP負責向上傳送該監測站的所有數據。硬件網絡配置圖如圖2所示。
（1）本地無線通訊系統
超聲波測水位系統，是采用單片機控制無線數傳電臺，定時向中心控制站發送水位實時檢測值。因此，S7-300的CP340-RS-232只要處于接收狀態便可以定時接收到發來的數據，根據分站站址號將接收緩沖區接收來的數據傳送到相應的數據塊即可。測沙單元是由中心S7-300PLC控制時序，從站S7-200PLC在收到主站發來的信號時返回檢測數據。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，此外為了避免從站之間的數據干擾要采用字節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狀態時，特殊標志寄存
EU //器SM0.7為ON一個周期，調初始化子程序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狀態時，調子程
CALL SBR_1 //序SBR1，更改通訊參數為PPI通訊協議，以保證正常的程序下載。
SBR0
NETWORK 1 // COMMENT：設置通訊口參數為自由口通訊方式，
LD SM0.0 //9.6k波特率，8為數據位，無校驗方式，開中斷，
MOVB 16#09，SMB30 //允許相應通訊口接收數據中斷事件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：恢復通訊口參數為PPI通訊方式，并斷開
LD SM0.0 //通訊口接收數據中斷事件8與通訊口發送數
MOVB 16#C0， SMB30 //據中斷事件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SMB0的第一個字節，
LD SM0.0 //與站點號比較如果站點好正確則繼續接收，
AB= SMB2，VB1 //送計數個數到累加器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 //則繼續等待，保持接收中斷程序序號INT_11。
CRETI
INT12
NETWORK 1 // COMMENT：將接收數據依次送到接收緩沖塊，
LD SM0.0 //地址加一，計數累加器AC1減一。
MOVB SMB2，＊VD688
INCD VD688
DECW AC1
NETWORK 2
LD SM1.0 //COMMENT：當計數累加器AC1減到零時，將接收
MOVW VW640，AC0 //到的字節作異或，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據，建立數據發送表，
MOVW VW0，VW601 //第一個字節為數據個數，第二個字為從站號，
BMB VB200，VB603，16 //接下來是16個字節的返回數據，同時指定
ATCH INT_14， 9 //發送中斷事件9所對應的中斷程序號為INT_14，發送
XMT VB600， 0 //數據；將接收緩沖塊的數據送到真正地接受區域，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：發送完成后，屏蔽掉發送事件中斷，
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
黃河系遠程無線通訊系統可以采用微波、衛星通訊及無線傳輸等手段。根據系統的實際情況，選用了較為經濟、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通訊協議進行CP模板與無線數傳電臺之間的數據交換。CP340帶有處理器與緩沖區，數據的發送接受通過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地址號區分，可以實現上傳與下傳同時進行而不會出現相互沖突。
在無線通訊中，字節校驗十分重要。由于無線通訊往往受到外界各種因素的干擾，不但會引起檢測數據的錯誤，嚴重的情況可造成現場設備的誤動作。系統中首字節作為站址號，第二個字節作為自行規定的確認碼，數據段最后一個字節作為所有字節的校驗字節，是通過按位進行異或運算生成校驗字節。由于CP模塊接受數據的時間往往會大于主CPU的循環掃描時間，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送往接受數據區時，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，將依據分站號在接下來的3個小周期內連續對該分站進行數據收發控制，將采集單元的數據及時采集上來，同時把上位機的控制命令迅速送達執行機構。
4 、結束語
本系統是一個較為完整的測控系統，包含檢測、控制、通訊、監控和編程等各個環節。在系統中應用了現場總線、無線數據傳輸、PLC、上位監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。系統圓滿完成了澆灌任務，產生了巨大的社會影響和經濟效益。
本文的創新點：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的問題，解決了黃河通訊長期落后的通訊方式，為黃河遠程監控的實施提供了保障。
責任編輯：gt
工商網監
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