闸门控制方案

1、基本概况
工程概况
集中控制柜控制闸门为6孔螺杆式启闭机。

设计依据
GB6162 《抗干扰国家标志》
GB3453 《数据通信基本型控制规程》
GB3454 《数据终端DTE和数据电路终端设备DCE之间的接口定义》
GB2318 《操作系统标志》
GB2887 《计算机现场技术要求》
GB7450 《电子设备雷击保护规则》
GB7260 《不间断电源设备》
GBJ138 《水位观测标准》
DL/T578 《水电厂计算机监控系统基本技术条件》
IEEE 《电气和电子工程师协会标准》
GB50171 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》
GBJ42-81《工业企业通信设计技术规定》
GA/T75-94《安全防范工程程序与要求》
GB/T16676-1996《安全防范工程设计规范》
《公共安全防范工程管理暂行规定》
全部监控设备均按照有关规范、规定、标准、总体设计报告中的有关技术指标进行，当技术指标、规范标准之间有差异时，按技术要求高的标准执行。

施工期间如遇国家有关规程、规范的修订或新的规范颁布，则以新的规程规范为准。

设计原则
系统设计时遵循下述原则：
1、控制系统简单可靠，高度冗余，操作灵活，维护方便。

2、系统采用成熟的、高可靠性的光纤以太网作为系统的控制网络，以光纤作为传输介质，同时以高可靠性的工控机、PLC作为控制核心。

3、充分体现系统的先进性，并且把设备的长期可靠运行放到第一位，系统配置和设备选型符合计算机及PLC发展迅速的特点，充分利用计算机、网络领域的先进技术，使系统整体性能达到当代先进水平。

4、人机接口功能强大，操作方便、简单。

5、采用模块化结构设计，便于维护和系统升级。

6、结构设计新颖、美观，充分体现先进性。

7、系统的设计和制造完全符合规范和国家相关标准。

8、选用的设备可靠性高、适应恶劣环境且系统防雷抗干扰能力强。

环境条件
a.室内环境(监控中心、启闭机等)：运行温度为50C～400C，相对湿度为30%～90%。

b.室外环境：运行温度为-200C～450C，相对湿度为30%～90%；三个底孔闸室夏季潮湿严重。

c.电磁环境：监控中心、配电室及启闭机房等除钢筋混凝土结构外，无任何特殊的电磁屏蔽。

d.电源环境：三相交流380V±10%，50Hz±2%，中性点接地电源；
单相交流220V±10%，50Hz±2%电源。

e.接地环境：系统接地可使用水库公用接地网。

2、闸门监控系统设计
系统结构
闸门自动化系统设置1个监控中心、1个现地监控单元及系统连接网络。

a．监控中心：设一台闸门监控主机及其他相关设备，并安装上位机软件，可分析、处理及管理有关数据和信息，并可随意检索各种监测内容并打印。

b．现地控制单元：设置一台现地集中控制柜。

控制方式为现地手动、集中自动及远程监控。

水位监测为两路。

c．系统网络：各现地监控单元采集其所属各类监控信号，再由通信电缆、光缆送到管理处监控中心。

系统详细功能描述及性能指标：
1)现地控制单元
闸门现地控制单元主要完成数据采集与处理、事件检测、控制与调节、人机接口与通信等功能。

闸门现地控制单元可手动实现闸门控制，也可实现与闸门监
控中心进行网络数据通信，接收控制指令，对现地控制单元发出启闭信号；并通过传感器接收闸门现场信息，向闸门监控中心反馈闸门现场运行工况、故障信号等信息。

●硬件设备：
由PLC、现场控制柜、免维护电瓶、传感器和其他仪表等设备构成。

负责采集、传输系统的各种参量，并对机电设备进行控制。

PLC选用施耐德Micro系列产品。

闸门的开度通过专用传感器设备组网与PLC的一个RS-485进行通讯。

采用这种结构可以减少投资和提高数据采集的精确度。

PLC块通过RS485通讯接口作为主站使用，通过通信电缆与中心站的上位机进行通讯。

PLC（可编程逻辑控制器）是测控终端站的关键，负责采集数据和实现控制，可根据监控终端的采集数据和控制设备的数量不同而配置相应的规模，也利于将来系统的扩展。

●软件设备：
由PLC编程设计软件构成。

负责可编程控制器的管理及系统中各种数据的分析和处理等工作
具体功能描述如下：
(1)数据采集功能
①可采集闸门开度数据
测量范围：0-40M；
分辨力：1CM；
②可采集水位数据
测量范围：0-40M；
分辨力：1CM；
③可采集每孔闸门开关量输入：闸门行程开关限位接点、闸门开度测量仪位置接点、闸门执行电器辅助接点、控制开关转换接点及故障信号引入接点；
④状态量采集
a. 闸门上升或下降接触器状态；
b. 闸位行程开关状态；
c. 启闭机保护装置状态；
d. 有关操作按钮或开关状态；
e. 电动机状态；
(2)闸门控制功能
①现地控制：将现地控制柜上的操作模式转换开关打到现地控制，通即可通过设定开度仪，使闸门自动开启/关闭到指定位置。

在闸门运行过程中，现场操作员可通过开度仪和相应指示灯实时观测闸门运行状态。

当闸门运行到指定高度时，闸门自动运行停止；当闸门出现越限（超越上、下限）、超载等故障时，闸门自动停止运行。

现地控制优先于远程控制；
②远程控制：PLC通过有线网络接收闸门监控中心或控单元工控机的指令，自动完成闸门的开启或关闭。

将现地控制柜上的操作模式转换开关打到集中控制，即可通过上位机操作闸门自动开启/关闭到指定位置。

操作人员将通过计算机发布闸门运行指令，并通过有线光缆下达到相应闸门监控站的PLC。

PLC在接到传来的控制命令后，自动启动闸门运行，并控制闸门运动到指定值。

在闸门运行过程中，上位机将实时采集闸位信息及根据需求查询来自PLC的闸门运行状态信息，并通过以太网远程数据通信网发送到中心站或分中心站，使中心站或分中心站操作员在计算机上实时掌握闸位、水位信息，以便实现定闸位控制，并可实时掌握闸门在运行过程中的状态。

③手动控制：将现地控制柜上的操作模式转换开关打到手动控制，通即可通过集中控制柜上的按钮开启、关闭和停止闸门。

手动控制优先于现地控制和远程控制；
④控制互锁功能：闸门控制时，二次回路中加入必要的互锁条件，同时在PLC 程序中也加入必要的互锁条件，以防止闸门误动作。

(3)信号显示
在现地控制屏面板设置一些相关信号灯
①闸门状态(开、关、停)指示；
②闸门位置 (上限、下限) 指示；
③集中控制屏上的开度仪实时显示闸门开度值；
④电机过流、缺相指示
⑤控制柜电源指示
⑥操作模式指示
(4)数据远传
闸门现地控制单元通过RS485接口由光纤将有关信息送至监控中心的工控机。

(5)报警功能设计
在闸门运行过程中，当系统发生故障时，能够立即报警，并可根据需求和实际情况手动或自动终止当前闸门运行操作。

闸门现场操作人员和远程中心站操作人员均可通过现场操作控制显示装置和计算机屏幕实时掌握故障发生。

对于远程中心站人员，当系统发生故障时，会立即得到报警，同时在显示方面无论显示器当前在显示哪幅画面，故障窗口都能立即弹出，报告故障内容，故障内容如下：
电机过流、缺相。

闸门运行超上下限
计算机串口控制故障
典型闸门控制系统中的几种报警为：
闸门越上限：当闸门到达机械最高点位置时，安装在闸门上的上
限位置传感器动作并向闸门现地控制柜发出信号，闸门现地控制
柜立刻停止闸门动作，并由PLC记录，同时报警。

闸门越下限：当闸门到达机械最低点位置时，安装在闸门上的下
限位置传感器动作并向闸门现地控制柜发出信号，闸门现地控制
柜立刻停止闸门动作，并由PLC记录，同时报警。

启闭机电动机过流：当闸门启闭机运行时，发生闸门被意外情况
（如异物卡住、钢丝绳拉偏）卡滞或启闭机发生机械故障使电动
机负荷增大，将使“电动机智能保护控制器”动作并向闸门现地
控制柜发出信号，闸门现地控制柜立刻停止闸门动作，并由PLC
记录，同时报警。

启闭机电动机缺相：当闸门启闭机运行时，发生启闭机电动机电
源缺相时，将使“电动机智能保护控制器”动作并向闸门现地控
制柜发出信号，闸门现地控制柜立刻停止闸门动作，并由PLC记
录，同时报警。

2)监控中心
监控中心站是整个自动化系统的核心，由主计算机、人机接口设备和外围设备组成，实现对闸门的全面监控。

它是系统的管理中心，负责完成数据采集、数据处理、安全监视、远方控制以及自动化管理等功能。

它主要由以下儿部分组成：
●硬件设备：
由中心监控工作站、打印机、通信设备、UPS电源等设备构成。

●软件设备：
由Windows 2000中文版、VB脚本和SQL2000数据库软件等构成。

系统特点：采用UPS供电，并配置电源避雷器，保证整个系统在恶劣环境下的正常工作。

系统主要功能如下：
①数据采集与处理
闸门监控计算机自动从各现场测控单元采集各种实时运行参数，掌握各设备动作情况，收集报警信息；对实时数据和历史数据按要求进行筛选整理，并存入数据库。

②安全运行监视
安全运行监视包括各设备运行实时监视及参数在线修改、状变监视、越限检查、过程监视、趋势分析和监控系统异常监视。

●运行实时监视及参数在线修改：运行值班人员通过LCD对系统内各主设备的运行状态和运行参数进行实时监视控制及在线修改参数。

对职责不同的各级运行人员，其操作权限的内容也各不相同。

对监控系统监控的所有设备，具有一定操作权限的运行值班人员能在线修改运行参数。

●状变监视：发生自动状变和受控状变时，均应在LCD上显示。

●越限检查：检查设备异常状态并发出报警，异常状态信号LCD上显示并记录。

●过程监视：当闸门上升或下降指令下达后，监控系统能自动显示相应的设备操作监视画面。

画面能以流程框图的形式实时显示全部工况执行过程中每一步骤及执行情况，提示在工况执行过程受阻时的部位及其原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。

●趋势分析：对某些运行参数的变化如水库水位、输水量、闸门开度等进行趋势分析，及时发现故障征兆，越限报警，自动显示、记录和打印。

●监控系统异常监视：监控系统的硬件或软件发生事故则立即发出报警信号，并在LCD及打印机上显示记录，指示故障部位。

③实时控制和调节
监控系统按照闸门当前运行控制方式和预定的决策参数进行控制调节，满足各闸门的实时控制要求。

操作员通过操作员工作站的显示器、键盘等，对监控对象进行下列控制与调节。

●对单孔闸门操作，运行人员通过主控计算机或现场测控单元进行操作，完
成对闸门的控制与调节；
●对双孔闸门操作，运行人员通过主控计算机或现场测控单元进行操作，完
成对双孔闸门的联动控制与调节；
●控制和开度调节，系统根据预定的原则及运行人员实时输入的命令，进行闸门正常升降、停机、自动复位等操作，发生故障时自动停止闸门运行。

在开机过程中，能显示闸门当前实际开度和各主要启闭设备依次推进过程和执行情况，记录操作的时间和检测操作是否成功。

系统可由升降命令或设给定值的方式进行闸门的自动调节；
●闸门开度等测量显示；
●各种整定值和限值的设定；
●显示器的显示图形、表格、参数限值、报警信息、状态量变化等画面和表格、报表的选择与调用；
●打印记录；
●报警复归：当设备发生事故或事件后，在LCD上自动推出事故或事件画面发出报警信号，当运行人员已了解事故或事件的情况后，可对报警信号手动复归；
④记录和报告
对所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表等记录下来，并能以中文格式在CRT上显示，在打印机上打印。

打印记录分为定时打印记录、事故故障打印记录、操作打印记录及召唤打印记录等工作方式：
●操作事件记录：将所有操作自动按其操作顺序记录下来，包括操作对象、操作指令、操作开始时间、执行过程、执行结果及操作完成的时间、操作员的姓名等。

●报警事件记录。

自动将各种报警事件按时间顺序记录其发生的时间、内容和项目等，生成报警事件汇总表。

●定值变更记录。

自动将所有的定值变更情况作记录，包括变更对象、变更数值、操作员的姓名等，以备随时查询。

●报表。

按时、日、月生成各种统计报表，也可根据操作员的指令随时生成各种报表。

●趋势记录。

记录重要监视量的运行变化趋势。

⑤事件顺序记录
可对整个闸门系统主要设备的事故及故障信号、监控系统的故障信号等进行事件顺序记录。

根据故障信号发生的时间顺序，记录发生的故障信号的名称、变位时间，显示、打印和存档。

时间包括年、月、日、时、分、秒。

⑥事故追忆和相关量记录
记录在事件发生前5s和后20s时间里重要实时参数的变化情况。

追忆量除了打印外还可以用曲线在CRT上显示。

相关量记录：自动记录与事故、故障有关的参数。

⑦正常操作指导和事故处理操作指导
正常操作：操作顺序提示，能根据当前的运行状态判断设备是否允许操作并给出相应的标志，如操作是不允许的，则提示其闭锁原因并尽可能提出相应的处理办法；操作票编辑、显示、打印、运行报表显示、打印等。

事故处理：在出现故障征兆或发生事故时，由监控系统提出事故处理和恢复运行的指导性意见。

⑧屏幕显示
画面显示是计算机监控系统的主要功能之一，画面调用将允许以自动或召唤方式实现。

自动方式是当有事故发生时或进行某些操作时有关画面能够自动推出，召唤方式则操作某些功能键或以菜单方式调用所需画面。

画面种类包括各种系统图、棒形图、曲线、表格、提示语句等，画面应清晰稳定、构图合理、刷新速度快且操作简单。

●系统诊断
软件故障诊断：软件运行时，若遇故障应能自动给出故障性质及部位，并提供相应的软件诊断工具。

在系统进行在线诊断时，不能影响计算机系统对设备的监控功能。

●软件开发及运行人员培训
软件编辑人员可以通过工作站的计算机，在线或离线方便地进行应用软件、显示画面和数据库等编辑、调试、装入、卸除和修改，在线进行上述工作时应能保证正常的计算机监控系统功能的正常运行。

利用操作员工作站兼作培训工作站，进行运行人员的操作培训、计算机监控系统的维护培训、事故处理培训、软件开发培训以及管理培训。

通信系统
系统方案信息流向说明如下
各闸门在现地通过现地控制柜控制闸门启闭。

闸门开度信息、上下限位信息、启闭机载荷信息、闸门状态传输到各闸门现地控制单元，通过PLC将信息传输到闸门监控中心站。

在超限时，由现地控制单元自动完成闸门锁定功能。

闸门监控中心的工控机能通过光纤RS485通信方式接收由现地控制单元和水库水位计自动传输来的各闸门的工况数据。

闸门监控中心的的工控机通过光纤RS485通信方式控制现地控制单元的闸门启闭。

通信接口说明如下：
PC与PLC之间采用光纤进行通信；网络采用RS485网络，网络协议为Profibus －Dp协议。

下位机与PLC之间采用双绞线电缆进行通讯，网络协议采用ModbusRTU协议，传输速率为9600bit/s。

避雷措施
a.所有控制柜仪表采用一组54AH24V免维护电瓶供电，防止仪表受到雷击或交流电波动干扰;交流充电控制器前端装电源避雷器；
b.上位供电通过UPS，前端加装电源避雷器；
c.对外网口装网络避雷器；
d.室外接入PLC的控制信号应加装信号避雷器；
e.信号输入输出均采用光电隔离。

f．电缆铺设采用穿钢管防雷铺设。

系统的安全性和可靠性保障措施
a.保障仪表、仪器的稳定性、可靠性和安全性：仪表、PLC、PC机、通信器件、小型元器件均采用国际或国内知名品牌;
b.整个系统设计的合理性:系统采用成熟的、高可靠性的光纤以太网作为系统的控制网络,以高可靠性的PLC、工控机作为控制核心,保障了数据传输、数据处理的可靠性和及时性;
c.软件系统的可靠性:在硬件系统可靠性的基础上,软件系统也要用各种可能的互锁条件进行处理、发送数据。

将可预知的和不可预知的错误均进行相应的处理,提高软件系统的可靠性、抗干扰性和模糊分析处理能力;
d.保障电源的稳定性和安全性:二次回路采用直流屏供电，并实时监测一次回路交流电的三相电压和电流,利用软件对电压和电流数据进行处理,当发生故障时进行相应的报警和处理;系统中设计电机启动均为硬启动，在启动过程中不可避免的造成供电回路的电流、电压的波动过大，由此将会造成控制回路中的仪器仪表的故障率增大，使得整个控制系统的可靠性大大降低。

为了避免这种情况的出现，为此我们特别设计的控制柜采用直流屏供电，使得整个控制回路的电源和一次回路的主电源完全隔离，大大增加了本系统的稳定性和可靠性。

e.保障电机的可靠性和安全性:用电机保护器实时监测电机的电流,以预防电机过载、过压、欠压、缺相、堵转运行,从而预防闸门发生故障,当发生故障时软件和硬件均进行相应的处理;配置使用智能电机保护器，取代原系统设计中的热继电器，采用智能电机保护器在闸门运行过程中可以自动判断电机的荷载，，避免电机的过载、过流、欠压运行，从而最大限度的保证闸门及电机运行的安全性和可靠性。

f.整个系统的有效可靠接地,采取切实有效的防雷措施，保证了系统在恶劣环
境下的正常工作。

g.本系统全部采用数字通信，避免由模拟量传输造成的各种误差，采用高速光纤和485通信，保证数据的实时性和可靠性。

3.系统配置表
4.系统主要硬件设备选型说明及技术指标
PLC
PLC选用施奈德公司的产品
TSX3721001, 100/240VAC电源,无 I/O，具有内存扩展和通讯扩展端口，最大可扩展至256点。

TSXDMZ28DR为施奈德公司的PLC，开关量混合,16点输入/12点输出。

TSXSCP114为施奈德公司的Premium/Micro RS232/RS485 PCMCIA多协议卡。

TSXSCPCM403为施奈德公司的网络通信模块。

(6) PLC必须选用在国内已普遍使用的国际名牌产品；且须满足下列要求：
A.一般要求
所有的PLC应配电池及Flash Rom ，并满足：
控制模块为组合模块式结构
支持热插拔
离散I/O容量：≥1024个通道
User Memory:≥128K,装载存储器内置96K，可扩展至4M（配置2M）。

块的嵌套级：每个程序执行8级
用户程序保护：口令保护
扫描速度：≤K
B.其总的要求如下：
a.按安装要求，ＰＬＣ有足够的容量，包括：
－－框架数量应有20％的备用余量。

－－输入、输出量应有20％的备用余量（包括模拟量和数字量）
－－备用余量应包括端子、端子的接线等。

b.模拟量的输入、输出应为：全隔离，分辨率12-15Bit，带滤波功能，响应时间小于5ms。

c.模拟量的输入模块应提供端子与端子间，端子与地间的绝缘保护，使之可以承受1200VDC或AC峰值电压而不致损坏，可继续正常工作。

d.模拟量输入模块应为：4～20mADC
e.模拟量输出模块应为：4～20mADC带短路保护。

f.数字量的输入／输出应为：全光电隔离，可自动滤噪，响应时间小于１ms。

g.数字量的输入模块应提供端子与端子间、端子与地间的绝缘保护，使之可以承受1200VDC或AC峰值电压而不致损坏，可继续正常工作。

h.数字量的输入模块应为：24VDC
i.每个数字量输入应提供LED方式的可视指示，用来表示输入端的信号状态，当LED亮时，指示外部的触点闭合。

j.数字量输出模块：24vDC，; 每个数字量输出模块都应在隔离边界的PLC 一方提供LED方式的可视指示，用来表示输出的工况。

当LED亮时，指示输出端被激活。

每个输出量配置中间继电器，扩大容量。

应提供状态和诊断指示器，用来指示PLC系统隔离和诊断的故障以及用户软件结构上的错误。

l. 通讯模块：支持工业以太网，支持国际通用领域的通讯总线，有RS232、
RS485接口且具有ASCII码通讯驱动软件。

通讯协议符合国际电话与电报顾问委员会标准一致。

m.电源模块具有过电流和过电压保护装置
PLC具有模块型电源，当外部电源是220VAC时，变动范围在195V~264V，频率变动范围在47~63Hz。

电源装置可以承受2500V/S DC或者1800VAC电压的冲击。

n.系统以及内部的组件（例如：处理器、存贮器等）应采用模块排列，并提供扩展和维修的方便，所有的模块应采用框架式安装，并可以方便的拆装。

o.所有的PLC应适用于工业环境和电气干扰的环境下工作。

闸门开度仪
采用国产的闸门开度仪XZ-9M.
闸门开度量程：与传感器相同（10m，20m，40m，80m等）。

分辨力：与传感器相同（1cm，1mm等）。

测量精度：与传感器相同，即±%×量程±1cm（或1mm）。

显示范围：或
显示方式：2×4位LED显示。

上排4位为闸门开度值）显示（红），字高”。

下排4位为限位显示（绿），字高”。

传感器与显示器之间连接方式：多芯电缆（14~20芯）。

输入码制（传感器输出码制）：循环码（葛雷码）或其它码制（需定制）。

传感器与显示器之间有线距离：可达2km。

数据远传方式：
RS-485（XZ-9MA型），用一对双绞线传输联网。

数据远传距离：。

RS-485口通信协议：1)MOD-WS1（MODBUS）；2）SDI-12。

人工预置功能
1) 限位（闸门升降限位）预置：出厂时为任意值。

2) 上限预置：出厂时为最大开度值。

3) 下限预置：出厂时为零。

4）分段数值预置
5）通信站号预置：出厂时通常设为01。

报警、控制功能
报警控制信号：继电器触点。

触点容量：1A24VDC，。

显示器与传感器耦合：光电隔离
工作环境温度：0℃ ~ +50℃，相对湿度：85%（+25℃）。

电源：120VAC~ 264VAC，47~440Hz。

功耗：<5W。

保险丝2A。

外形尺寸：120×120×120mm。

屏装开孔尺寸：111×111mm。

工业控制计算机
工业控制计算机选用台湾研华工控机，机器耐高低温、防尘、防潮、防腐、防电压波动、防电磁干扰，性能优异, 保证了上位机的高可靠运行。

主板：PCA-6006
· SOCKET 478 PENTIUM 4/CELERON可达
· 支持INTEL HYPER-THREADING TECHNOLOGY
· 6个USB 接口
· INTEL 845GV芯片组，400/533MHZ FSB
· 板载高性能VGA控制器，共享系统内存
· 双10/100BASE-T网络控制器
· 支持双10/100 BASE-T网络控制器或双10/100/1000 BASE-T网络控制器（可选）
· 硬件状态监控
· HISA驱动器
机箱:IPC-610H
· 4U 机架安装机箱，支持 14 槽 ISA 或 ISA/PCI 底板
· 配有 300 W ATX PFC PS/2 电源
· 易于安装的前端抽取磁盘驱动器托架，可安装三个半高
驱动器
· 前端接线的 USB & PS/2 键盘 I/O 接口
· 前面板系统LED · 应用于冲击、振动和高温等恶劣环
境下
· 可选 ATX 主板版本和 400 W PFC P/S
IPC-610-H 是 4U 高 14 槽机架安装工业电脑机箱，专为任务关键应用而设计。

此机箱包括一个通用 14 槽无源底板、带 PFC（功率因数补偿）电源的高效 300 W ATX 和易于维护的双冷却风扇。

机箱前面板上的系统状态 LED 指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。

带有两个高 CFM 风扇的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。

前端接线的 USB 和 PS/2 键盘 I/O 接口可以连接各种外部设备，以便进行数据传输、备份和输入。

灵活的机械设计支持单PS/2 电源或冗余电源（通过更换电源托架）。

CPU Pentium 4 ；内存512M DDRAM；硬盘80G ST7200；显卡64M集成 AGP；52X光驱；软驱SONY ；网卡10/100M自适应。

显示器:飞利浦170S5
尺寸:17英寸,点距:,亮度性能：250cd/m2,对比比率：450：1,最大色彩: ,。