基于S7200的引黃閘測流系統(tǒng)設(shè)計
摘要： 介紹了基于西門子S7200的引黃閘測流系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)方法，并詳細介紹了測流系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和PLC的配置。
Abstract：
Key words :
</a>控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：纜道、纜道電機、測流鉛魚、PLC控制系統(tǒng)以及測流視頻系統(tǒng)等。測流房牽引機構(gòu)和測流鉛魚如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 
3.測流系統(tǒng)設(shè)計
3.1信號的獲取
1）、行程脈沖信號
主要是用來檢測測流鉛魚的水平和垂直運行距離，通過此距離來計算河面寬度和水深，方法是在牽引鉛魚的鋼絲繩纜道電機傳動軸上安裝水平和垂直旋轉(zhuǎn)編碼器，通過計數(shù)編碼器脈沖達到測量距離的目的。
2）、水面水底信號和流速信號
水面水底信號和流速信號的測量有一定的技巧。此信號通過測流鉛魚獲取，鉛魚底部安裝觸底托板，鉛魚從空中觸及水面和河底后都會發(fā)出脈沖信號。鉛魚頭部安裝測速儀，鉛魚到達水中后，測速儀轉(zhuǎn)動，發(fā)出脈沖信號。而測流鉛魚是隨鋼絲繩纜道一起運動的，為了獲得信號而又不拖信號電纜，采用了如下方法：在鉛魚垂直鋼絲繩纜道上捆綁兩節(jié)干電池，正極信號接至鋼絲繩纜道，串接點接至鉛魚，通過鉛魚脈沖開關(guān)進入水中。PLC連接此信號時，一根從水中引出，一根從電機底座（鋼絲繩纜道連接電機底座）引出，兩根信號正反接可分別獲得流速和水面水底信號。由于兩個信號來自于一根信號線，只是通過正負來區(qū)分，為了能接入PLC，通過光耦進行了信號轉(zhuǎn)換和隔離，光耦輸出端接到PLC的COM端和信號端，如圖3所示。
3）、水面深度和流速的測量
在鉛魚下降過程中，當(dāng)PLC收到第一個水面/水底信號時，負責(zé)計深度脈沖（即垂直電機產(chǎn)生的脈沖）的計數(shù)器啟動，當(dāng)PLC收到第二個水面/水底信號時，該計數(shù)器停止計數(shù)，所得脈沖數(shù)傳送到上位機處理轉(zhuǎn)換成實際的深度值。
在測量時，在測點處先進行深度測量，測量后的深度值會在上位機上顯示，若深度小于1.5m，在鉛魚上升時，操作人員可在約深度值60%處停下鉛魚進行流速測量，若深度大于1.5m，在鉛魚上升時，操作人員可在約深度值20%和80%處停下鉛魚進行流速測量。
流速的信號來源在鉛魚尾部的一個螺旋槳上，該螺旋槳每旋轉(zhuǎn)20圈，發(fā)送一個脈沖給PLC，因此在測點鉛魚停下時，PLC中的測速計數(shù)器開始啟動計數(shù)，同時定時器也啟動，當(dāng)測速完成時，即100S后，測速計數(shù)器停止計數(shù)，若該點為一點測速，則所得脈沖數(shù)即為該點脈沖數(shù)，若該點為兩點測量，則兩次測的脈沖數(shù)的算術(shù)平均為該點的脈沖數(shù)。若這是一個合格的測速過程，所得脈沖數(shù)存儲到PLC，若這是一個不合格的測速過程，即測速時間少與100S，或當(dāng)需兩點測量時，只測了一點，則計數(shù)器脈沖數(shù)不存儲到PLC。PLC中存儲的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成實際的流速值送往上位機處理和顯示
3.2 PLC控制設(shè)計
本系統(tǒng)由一臺SIEMENS S7-200PLC（CPU型號為226/AC/DC/繼電器）和兩臺SANKEN變頻器組成。根據(jù)PLC的輸出信號，由變頻器實現(xiàn)電機的控制；PLC的輸出指令由上位機給定。測得的數(shù)據(jù)（水深和流速）分別傳送到上位機。上位機將得到的數(shù)據(jù)處理得到流量值PLC的輸入輸出信號。
輸入信號共18個,具體分配如下：
I0.0 水平位移信號（水平電機脈沖）；I0.1 測到水面/水底/流速信號
I0.2 垂直位移信號(垂直電機脈沖)；I0.5 西攝象頭被盜信號
I0.6 東攝象頭被盜信號；I0.7 中間攝象頭被盜信號
I1. 0 鉛魚被盜信號；I1.5 前進按扭；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 現(xiàn)場/上位機轉(zhuǎn)換開關(guān)
I2.4 總停按扭；I2.5 水平控制變頻器故障信號；I2.6垂直變頻器故障信號
輸出信號共14個，分成3組。
第一組：Q0.0到Q0.3，這4個輸出點連接4個24V直流繼電器(C1到C4)，,繼電器的常開觸點連接變頻器，實現(xiàn)兩臺電機的正反轉(zhuǎn)，同時繼電器的觸點還連接到控制臺上的電機運動狀態(tài)指示燈（即前進，后退，上升，下降）；
第二組：Q0.4到Q0.7，其中Q0.4和Q0.5連接兩個指示燈，分別為現(xiàn)場/上位轉(zhuǎn)換和總停，Q0.6和Q0.7連接兩個220V交流繼電器(C5和C6)，這兩個繼電器的觸點連接報警指示燈(帶蜂鳴器)；
第三組：Q1.1到Q1.6,為無源觸點，直接連接到變頻器，對電機進行速度控制。
輸出信號具體分配如下：
Q0.0 前進；Q0.1 后退；Q0.2 上升；Q0.3 下降
Q0.4 現(xiàn)場/上位機指示燈；Q0.5 總停指示燈
Q0.6 外部報警信號指示燈；Q0.7 變頻器報警信號指示燈
Q1.1 變頻器水平高速；Q1.2 變頻器水平中速
Q1.3 變頻器水平低速；Q1.4 變頻器垂直高速
Q1.5 變頻器垂直中速；Q1.6 變頻器垂直低速
4、上位機
上位機以Simatic WinCC為SCADA軟件，和S7200通訊，實現(xiàn)測流自動控制。上位機同時裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件，以便實施監(jiān)視測流設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。
5、結(jié)束語
系統(tǒng)投入運行后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。不但實現(xiàn)了在控制室自動測流，提高了測流的準確性，而且大大節(jié)約了勞動力，減輕了工作人員的勞動強度。運行三年多來效果顯著，是引黃閘的理想的測流控制系統(tǒng)。
參考文獻：
[1]陽憲惠 《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》 清華大學(xué)出版社 1999.6
[2] SIEMENS STEP7 MicroWin32 編程手冊
[3] SIEMENS WINCC 組態(tài)手冊（1-6）
3.測流系統(tǒng)設(shè)計
3.1信號的獲取
1）、行程脈沖信號
主要是用來檢測測流鉛魚的水平和垂直運行距離，通過此距離來計算河面寬度和水深，方法是在牽引鉛魚的鋼絲繩纜道電機傳動軸上安裝水平和垂直旋轉(zhuǎn)編碼器，通過計數(shù)編碼器脈沖達到測量距離的目的。
2）、水面水底信號和流速信號
水面水底信號和流速信號的測量有一定的技巧。此信號通過測流鉛魚獲取，鉛魚底部安裝觸底托板，鉛魚從空中觸及水面和河底后都會發(fā)出脈沖信號。鉛魚頭部安裝測速儀，鉛魚到達水中后，測速儀轉(zhuǎn)動，發(fā)出脈沖信號。而測流鉛魚是隨鋼絲繩纜道一起運動的，為了獲得信號而又不拖信號電纜，采用了如下方法：在鉛魚垂直鋼絲繩纜道上捆綁兩節(jié)干電池，正極信號接至鋼絲繩纜道，串接點接至鉛魚，通過鉛魚脈沖開關(guān)進入水中。PLC連接此信號時，一根從水中引出，一根從電機底座（鋼絲繩纜道連接電機底座）引出，兩根信號正反接可分別獲得流速和水面水底信號。由于兩個信號來自于一根信號線，只是通過正負來區(qū)分，為了能接入PLC，通過光耦進行了信號轉(zhuǎn)換和隔離，光耦輸出端接到PLC的COM端和信號端，如圖3所示。
3）、水面深度和流速的測量
在鉛魚下降過程中，當(dāng)PLC收到第一個水面/水底信號時，負責(zé)計深度脈沖（即垂直電機產(chǎn)生的脈沖）的計數(shù)器啟動，當(dāng)PLC收到第二個水面/水底信號時，該計數(shù)器停止計數(shù)，所得脈沖數(shù)傳送到上位機處理轉(zhuǎn)換成實際的深度值。
在測量時，在測點處先進行深度測量，測量后的深度值會在上位機上顯示，若深度小于1.5m，在鉛魚上升時，操作人員可在約深度值60%處停下鉛魚進行流速測量，若深度大于1.5m，在鉛魚上升時，操作人員可在約深度值20%和80%處停下鉛魚進行流速測量。
流速的信號來源在鉛魚尾部的一個螺旋槳上，該螺旋槳每旋轉(zhuǎn)20圈，發(fā)送一個脈沖給PLC，因此在測點鉛魚停下時，PLC中的測速計數(shù)器開始啟動計數(shù)，同時定時器也啟動，當(dāng)測速完成時，即100S后，測速計數(shù)器停止計數(shù)，若該點為一點測速，則所得脈沖數(shù)即為該點脈沖數(shù)，若該點為兩點測量，則兩次測的脈沖數(shù)的算術(shù)平均為該點的脈沖數(shù)。若這是一個合格的測速過程，所得脈沖數(shù)存儲到PLC，若這是一個不合格的測速過程，即測速時間少與100S，或當(dāng)需兩點測量時，只測了一點，則計數(shù)器脈沖數(shù)不存儲到PLC。PLC中存儲的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成實際的流速值送往上位機處理和顯示
3.2 PLC控制設(shè)計
本系統(tǒng)由一臺SIEMENS S7-200PLC（CPU型號為226/AC/DC/繼電器）和兩臺SANKEN變頻器組成。根據(jù)PLC的輸出信號，由變頻器實現(xiàn)電機的控制；PLC的輸出指令由上位機給定。測得的數(shù)據(jù)（水深和流速）分別傳送到上位機。上位機將得到的數(shù)據(jù)處理得到流量值PLC的輸入輸出信號。
輸入信號共18個,具體分配如下：
I0.0 水平位移信號（水平電機脈沖）；I0.1 測到水面/水底/流速信號
I0.2 垂直位移信號(垂直電機脈沖)；I0.5 西攝象頭被盜信號
I0.6 東攝象頭被盜信號；I0.7 中間攝象頭被盜信號
I1. 0 鉛魚被盜信號；I1.5 前進按扭；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 現(xiàn)場/上位機轉(zhuǎn)換開關(guān)
I2.4 總停按扭；I2.5 水平控制變頻器故障信號；I2.6垂直變頻器故障信號
輸出信號共14個，分成3組。
第一組：Q0.0到Q0.3，這4個輸出點連接4個24V直流繼電器(C1到C4)，,繼電器的常開觸點連接變頻器，實現(xiàn)兩臺電機的正反轉(zhuǎn)，同時繼電器的觸點還連接到控制臺上的電機運動狀態(tài)指示燈（即前進，后退，上升，下降）；
第二組：Q0.4到Q0.7，其中Q0.4和Q0.5連接兩個指示燈，分別為現(xiàn)場/上位轉(zhuǎn)換和總停，Q0.6和Q0.7連接兩個220V交流繼電器(C5和C6)，這兩個繼電器的觸點連接報警指示燈(帶蜂鳴器)；
第三組：Q1.1到Q1.6,為無源觸點，直接連接到變頻器，對電機進行速度控制。
輸出信號具體分配如下：
Q0.0 前進；Q0.1 后退；Q0.2 上升；Q0.3 下降
Q0.4 現(xiàn)場/上位機指示燈；Q0.5 總停指示燈
Q0.6 外部報警信號指示燈；Q0.7 變頻器報警信號指示燈
Q1.1 變頻器水平高速；Q1.2 變頻器水平中速
Q1.3 變頻器水平低速；Q1.4 變頻器垂直高速
Q1.5 變頻器垂直中速；Q1.6 變頻器垂直低速
4、上位機
上位機以Simatic WinCC為SCADA軟件，和S7200通訊，實現(xiàn)測流自動控制。上位機同時裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件，以便實施監(jiān)視測流設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。
5、結(jié)束語
系統(tǒng)投入運行后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。不但實現(xiàn)了在控制室自動測流，提高了測流的準確性，而且大大節(jié)約了勞動力，減輕了工作人員的勞動強度。運行三年多來效果顯著，是引黃閘的理想的測流控制系統(tǒng)。
參考文獻：
[1]陽憲惠 《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》 清華大學(xué)出版社 1999.6
[2] SIEMENS STEP7 MicroWin32 編程手冊
[3] SIEMENS WINCC 組態(tài)手冊（1-6）
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