西门子S7-200 PLC系统在远程闸门控制系统中的应用方案

本文针对通济堰取水枢纽工程中的闸群控制提出解决方案，该系统闸门数量为17孔，加上需改造的旧闸门5孔，总数达到22孔。而控制中心距离最远的一孔闸门为500米。实现这么大数量的闸门的远程控制，工控机显然无法满足系统稳定、工程难度低、施工费用少的要求。
　　在该工程设计中，利用ProfiBus 现场总线将PLC组网，由上位机来实现对闸门启闭机的远程控制。并将闸门开度、坝前和坝后水位、闸门荷重情况传送至上位机。由上位机根据现场PLC提供的信息对闸门运行状态进行监视，并在故障发生时提供故障信息。
　　本系统的核心控制器件采用德国西门子公司的S7-200，通讯总站采用S7-300。未采用中继站的情况下，通讯能力最远达到1200米，完全能够该工程的远程控制需求。
　　
　　1 结构及功能
　　该系统采用的是三层通讯组网方式，最底层的是由22台S7-200组成的相互独立的现场控制单元，中间层是由一台S7-300构成的通讯主站，上层是由上位机及服务器组成用户层。
　　除通讯功能外，该系统还具有以下功能：
　　控制功能：系统采用两种控制方式，即自动（即远方集中控制）和手动控制。
　　监测功能：系统自动采集闸门位置、闸门荷重、上下游水位及电气器件运行状态的信息。
　　保护功能：判断电机过载、闸门上下越限、电源供电异常、闸门失速/卡滞等，并对故障进行实时处理。
　　
　　2 系统硬件设计
　　
　　2.1 系统总线设计
　　
　　在通济堰的22孔闸门中，每孔闸门用一个S7-200（CPU224）作为智能控制单元，构成一个现地控制柜。每个PLC 通过ProfiBus总线与一台S7-300（CPU315-DP）通讯，通讯由每个PLC所带的通讯模块（EM277）来实现。PLC-300作为系统的主站，负责收集从站（S7-200）上传的信息和下达命令。PLC-300与一台上位机通过CP6511卡相连，上位机作为远程操作平台。
　　
　　2.11 ProfiBus-DP总线
　　
　　DP总线电缆是西门子公司提供的专用总线电缆，其技术参数如表一所示。DP总线连接器选用9针D型RS485适用的连接器。
　　
　　DP总线安装布线采用的是总线型拓扑结构，由于方案中只存在22个从站，因此可将22孔闸门的PLC从站挂在同一段中，而无须加载中继器。注：DP总线型结构中每个网段最大可挂载32个从站，且在无中继器的情况下每个网段最长距离为1900米。电缆最大长度取决于传输速率。
　　
　　以DP总线方式连接各个从站，需要在第一个和最后一个站加装终端电阻，而中间的各个从站则只需将A、B数据线连接到总线上即可。
　　DP总线采用西门子专用的线缆和接头，通讯总线电缆入柜时屏蔽层与柜体连接接地。在线路铺设时，将通讯总线与17控制线一起布设，至于同一个电缆槽中。通讯总线在室外段通过地线铺设。
　　
　　2.2 系统数据采集
　　
　　在上位机对闸门启闭机施行控制的时候，需要实时地将闸门的闸位信息上传至微机。还要将闸前和闸后的水位信息同时上传。同时，还需要不间断地将闸门启闭机的荷重告知上位机，以便监控闸门是否出现卡滞。
　　在这个系统中，对闸位的监测采用旋转编码器来实现。由于旋转编码器的输出信号是16位的数字信号，所以必须增加一个PLC的16位数字量模块（EM221-16DI）。
　　水位信息由投入式压力水位传感器测量闸前闸后水位，S7-200自带有模拟量模块，水位传感器可直接接入，无须另加信号模块。
　　
　　3 系统软件设计
　　
　　系统上位机的用户层解决方案采用西门子的WinCC作为组态软件编制用户操作界面，并且实现与S7-300的通讯接口的衔接。操作界面采用人性化的图形界面。用户在利用组态软件下达对闸门的控制命令，同时能够在界面上看到闸门的实时状态，包括：闸门位置、闸门荷重、上下游水位、以及9类故障信息。
　　
　　而S7-200与S7-300的内部程序编制则采用西门子的Step7来实现。
　　由于本系统要实现精确控制闸门启闭高度的技术要求，所以程序设计考虑用户可以自行选择采用开环控制或者是闭环控制的控制方式。
　　
　　4 结束语
　　
　　本系统作为PLC在另一种领域的应用，对于PLC的功能作了进一步的尝试。系统所采用的三层分布式网络结构在保证通信过程畅通的前提下，确保了各个控制单元的安全。系统的设计能够满足工程现场长达500米的控制距离的需求，并能实现对控制对象的远程监控。该系统已经在通济堰渠首取水改造工程信息自动化系统中投入使用，并且性能稳定，取得了预先的效果。