怀洪新河西起安徽怀远县、东至江苏洪泽湖，全长300余公里，是国家治理淮河的关键工程之一。其中在安徽蚌埠境内有三座水闸，即怀远县何巷分洪闸、五河县西坝口节制闸、固镇县新胡洼节制闸（包括一孔船闸），由蚌埠市河道局统一管理。由于三闸和总局四地相距都在几十公里以上，为实现远程统一调度，特设计了三闸联动计算机监控系统。
2．系统功能
1）实时监测。对各扇闸门开关状态及开度、上下游水位值、工作电源、电机状态等运行状态实时监视，并在现场及上位机中显示。
2）现场闸门控制。在操作现场对闸门操作，并可在现场信号灯、仪表等显示单元中观察操作进程。
3）远方闸门控制。在控制室的工控机和继电器柜的触摸屏上，根据水文调度方案和闸门标准控制方案进行远方操作。远方操作优先级低于现场操作，现地柜的急停按钮可以中断任何类型的操作。
4）闸门启闭优化。可根据闸门启闭特性、操作规程，编程确定闸门最优运行模式（如可分段开启、成组开启、确定最优开启闸数和开度等）。
5）完备的网络功能。可在互联网上发布信息，将异地三个闸门的运行状态和水位集中显示在蚌埠河道局的服务器上，使调度中心能实时掌握信息，集中管理，统一调度。
6）故障显示和报警。具有电机过热、超限制数量同时启动、闸门开拒动、关拒动、下滑等故障的报警功能及保护手段。
7）事件纪录、流量统计及打印功能。能够对开关闸的时间、开度等作记录，对较长时期的上下游水位和流量作趋势统计，便于分析闸门的运行情况和效益。
3．系统组成
整个闸门监控系统由远程监视单元、集中控制单元、现场执行单元、闸门位置、水位、电机状态采集装置构成，如图1所示：
图1 系统结构图
由系统结构图可以看到，系统可分为四层：
第一层为远程监视单元。在蚌埠河道局总调度室建立网上工作站，通过互联网利用西门子的WinCC Web Navigator软件把三地上位机WinCC的数据传送至工作站，以便于实时查询三闸状况，作出统一规划。在四地均有微波发射接受装置，还可通过微波通信传输现场有线电视的图像信息，在内线电话中交流信息、发布指令，以备洪水损坏网上通信线路时使用。
第二层为集中控制单元，由工控机、触摸屏、PLC构成。在三地各闸上均设有工控机和触摸屏，工控机放在控制室中，触摸屏放在现场继电器柜上，二者同级，由一个选择开关选择，都能察看现场信息、对现场的十余台启闭电机进行操作。工控机、触摸屏通过MPI总线连在同一个下位PLC上，由二者发出指令，PLC判断执行；PLC还不断检测电机状态、闸门开度、水位值，并将结果送往二者显示。
第三层为现地监控单元，由操作箱、旋转编码器、显示仪表组成。每个启闭电机均有一个操作箱，上面有远控、现地选择开关，当开关处于远控时，工控机、触摸屏操作有效；当开关处于现地时，操作箱上的按钮有效，以保证在PLC失电的情况下仍能单个手动开关闸门。而电机轴上的旋转编码器将开度信息送给仪表在面板上显示，同时仪表又将其转化为电流信号转给PLC。
第四层为传动机构和执行机构。当PLC或现地柜发出开关指令时，电机运转由传动装置带动闸门开启关闭。
4．系统软硬件配置
本系统PLC采用西门子S7-300系列、PLC程序编辑软件采用西门子Step7V5.2；工控机选用研华工控机，加装西门子CP5613A2网卡，与PLC的MPI口相连，操作系统采用Windows2000 Professional、上位组态软件采用西门子WinCC5.1、远程网上通讯软件采用西门子WinCC Web Navigator，触摸屏采用施奈德XBTG－5230，除触摸屏外各部分完全兼容。PLC的CPU型号314-1AF10-0AB0，0.1微秒指令执行时间，48K工作内存，另加24K存储卡，可备份指令和保存数据块，MPI总线运行波特率187.5Kbps,CPU共可接32个模块，根据点数实际加载10个模块左右，用IM365扩展一个机架；系统开关量检测和输出使用DC24V、32点的SM321、SM322，水位和闸门开度检测采用4-20mA信号，使用8通道16位的SM331，采样频率50Hz。组态软件WinCC5.1集编辑、运行功能于一体，还可在激活时加载Web Navigator，向远方网上工作站发送信息。施奈德的触摸屏XBTG－5230要和西门子的PLC通讯需重载通用的Boot程序，与MPI接口连线如图2所示：
图2 施奈德触摸屏与西门子PLC的MPI接口连线图
5．系统软件设计
图3 软件流程图
如图3所示，系统的主要控制程序放在PLC中，包括模拟量采样滤波及线性变换、故障判断及报警、单孔及成组控制程序；而流速和流量积算程序因为实时性要求低、分支选择语句多、查表程序复杂，放在工控机上执行。
系统控制方案有单孔和成组两种，单孔即每孔闸门的开、关、停和自动动作到指定开度的控制方案；成组即每地闸门根据工艺要求和实际操作经验形成的一组闸门的联动控制方案，三地闸门各不相同，应在当地工作人员的要求和指导下完成。
闸门开度和上下游水位经仪表转换后变为标准的4-20mA信号，再经PLC转换变为0-27648的整数值，要成为实际显示的开度和水位值，还必须经过程序线性变换；由于采用模拟信号，不可避免的会有干扰，因此还要有滤波程序。
故障判断有三种：开拒动、关拒动、下滑故障判断。程序采用每三秒记一次电机状态和开度值的方法，如连续两次为开闸状态但开度未增加或增加极小，则视为开拒动故障；连续两次为关闸状态但开度未减小或减小极小，则视为关拒动故障；连续两次为停机状态但开度减小，则视为下滑故障。这样时间上会有3-6秒误差，但不用每个闸门都使用3个单独的定时器，减小了几十个定时器的数目。任一故障都会引发报警，直至被人工消除。
流速和流量积算放在WinCC的全局脚本中执行，每10秒循环执行一次，结果存储在PLC上，使触摸屏也能查询；流速还可在WinCC中存档，形成历史趋势，以供查询评估。
在WinCC中集成了完善的图形监控、故障报警、用户管理、事件纪录、历史统计、报表打印等功能，作为一种优秀的组态软件，完全能够满足系统要求；在加入Web Navigator后，三地闸门成为服务器端，蚌埠总局通过客户端即可实时了解三地闸门的运行情况，并据此发布指令。这样便形成了一个完整的三闸联动计算机监控系统。
6．结语
本闸门监控系统基于标准工业控制器件及先进的组态和网络技术，完全能够满足实际运行所需要求，并具有很高的可靠性和一定的扩展能力，对于中小型水闸十分适用。该系统是确定防洪、灌溉方案时的依据，能及时可靠地提供信息资料，并能迅速地根据指令完成联动操作，具有巨大的安全和经济效益。
参考文献:
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