基于S7200的引黄闸测流系统设计

摘要：介绍了基于西门子S7200的引黄闸测流系统的设计及实现方法，并详细介绍了测流系统的硬件构成和PLC的配置。
    关键词： S7200  引黄闸    测流
    Abstract:This article introduces the design and implement method of the system of the Yellow River’s gate of diversion irrigation. It also introduces the hardware organization and PLC configuration of the measurement of water current system.
    Keywords：S7200  Yellow River’s gate  measurement of water current
1、引言
    引黄涵闸的流量测量对于灌区的清淤、水量调度以及水费的征收有着十分重要的意义，因此黄河下游各个引黄闸都有测流系统，但大多是手动在现场操作，然后通过人工计算流量。本设计利用西门子的PLC实现自动控制并在上位机上自动计算流量。
2、测流系统的构成
    自动化测流控制系统主要包括以下设备：缆道、缆道电机、测流铅鱼、PLC控制系统以及测流视频系统等。测流房牵引机构和测流铅鱼如图1所示，系统结构如图2所示。

         
3.测流系统设计
    3.1信号的获取
    1）、行程脉冲信号
    主要是用来检测测流铅鱼的水平和垂直运行距离，通过此距离来计算河面宽度和水深，方法是在牵引铅鱼的钢丝绳缆道电机传动轴上安装水平和垂直旋转编码器，通过计数编码器脉冲达到测量距离的目的。
    2）、水面水底信号和流速信号
    水面水底信号和流速信号的测量有一定的技巧。此信号通过测流铅鱼获取，铅鱼底部安装触底托板，铅鱼从空中触及水面和河底后都会发出脉冲信号。铅鱼头部安装测速仪，铅鱼到达水中后，测速仪转动，发出脉冲信号。而测流铅鱼是随钢丝绳缆道一起运动的，为了获得信号而又不拖信号电缆，采用了如下方法：在铅鱼垂直钢丝绳缆道上捆绑两节干电池，正极信号接至钢丝绳缆道，串接点接至铅鱼，通过铅鱼脉冲开关进入水中。PLC连接此信号时，一根从水中引出，一根从电机底座（钢丝绳缆道连接电机底座）引出，两根信号正反接可分别获得流速和水面水底信号。由于两个信号来自于一根信号线，只是通过正负来区分，为了能接入PLC，通过光耦进行了信号转换和隔离，光耦输出端接到PLC的COM端和信号端，如图3所示。


    3）、水面深度和流速的测量
    在铅鱼下降过程中，当PLC收到第一个水面/水底信号时，负责计深度脉冲（即垂直电机产生的脉冲）的计数器启动，当PLC收到第二个水面/水底信号时，该计数器停止计数，所得脉冲数传送到上位机处理转换成实际的深度值。
    在测量时，在测点处先进行深度测量，测量后的深度值会在上位机上显示，若深度小于1.5m，在铅鱼上升时，操作人员可在约深度值60%处停下铅鱼进行流速测量，若深度大于1.5m，在铅鱼上升时，操作人员可在约深度值20%和80%处停下铅鱼进行流速测量。      
    流速的信号来源在铅鱼尾部的一个螺旋桨上，该螺旋桨每旋转20圈，发送一个脉冲给PLC，因此在测点铅鱼停下时，PLC中的测速计数器开始启动计数，同时定时器也启动，当测速完成时，即100S后，测速计数器停止计数，若该点为一点测速，则所得脉冲数即为该点脉冲数，若该点为两点测量，则两次测的脉冲数的算术平均为该点的脉冲数。若这是一个合格的测速过程，所得脉冲数存储到PLC，若这是一个不合格的测速过程，即测速时间少与100S，或当需两点测量时，只测了一点，则计数器脉冲数不存储到PLC。PLC中存储的脉冲数转换成实际的流速值送往上位机处理和显示
    3.2 PLC控制设计
    本系统由一台SIEMENS S7-200PLC（CPU型号为226/AC/DC/继电器）和两台SANKEN变频器组成。根据PLC的输出信号，由变频器实现电机的控制；PLC的输出指令由上位机给定。测得的数据（水深和流速）分别传送到上位机。上位机将得到的数据处理得到流量值PLC的输入输出信号
    输入信号共18个,具体分配如下：
    I0.0 水平位移信号（水平电机脉冲）；I0.1 测到水面/水底/流速信号
    I0.2 垂直位移信号(垂直电机脉冲)；I0.5 西摄象头被盗信号
    I0.6 东摄象头被盗信号；I0.7 中间摄象头被盗信号
    I1. 0 铅鱼被盗信号；I1.5 前进按扭；I1.6 下降按扭；I1.7 上升按扭
    I2.0 后退按扭；I2.1 水平停止按扭；
    I2.2 垂直停止按扭；I2.3 现场/上位机转换开关
    I2.4 总停按扭；I2.5 水平控制变频器故障信号；I2.6垂直变频器故障信号
    输出信号共14个，分成3组。
    第一组：Q0.0到Q0.3，这4个输出点连接4个24V直流继电器(C1到C4)，,继电器的常开触点连接变频器，实现两台电机的正反转，同时继电器的触点还连接到控制台上的电机运动状态指示灯（即前进，后退，上升，下降）；
    第二组：Q0.4到Q0.7，其中Q0.4和Q0.5连接两个指示灯，分别为现场/上位转换和总停，Q0.6和Q0.7连接两个220V交流继电器(C5和C6)，这两个继电器的触点连接报警指示灯(带蜂鸣器)；
    第三组：Q1.1到Q1.6,为无源触点，直接连接到变频器，对电机进行速度控制
    输出信号具体分配如下：
    Q0.0 前进；Q0.1 后退；Q0.2 上升；Q0.3 下降
    Q0.4 现场/上位机指示灯；Q0.5 总停指示灯
    Q0.6 外部报警信号指示灯；Q0.7 变频器报警信号指示灯
    Q1.1 变频器水平高速；Q1.2 变频器水平中速
    Q1.3 变频器水平低速；Q1.4 变频器垂直高速
    Q1.5 变频器垂直中速；Q1.6 变频器垂直低速
4、上位机
    上位机以Simatic WinCC为SCADA软件，和S7200通讯，实现测流自动控制。上位机同时装有视频监控系统软件，以便实施监视测流设备的运转情况。
5、结束语
   系统投入运行后，系统稳定可靠。不但实现了在控制室自动测流，提高了测流的准确性，而且大大节约了劳动力，减轻了工作人员的劳动强度。运行三年多来效果显著，是引黄闸的理想的测流控制系统。
参考文献：
[1]阳宪惠 《现场总线技术及其应用》 清华大学出版社 1999.6
[2] SIEMENS       STEP7 MicroWin32 编程手册
[3] SIEMENS       WINCC 组态手册（1-6）