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摘要：随着我国经济以及科学技术的发展，越来越多的水闸工程开始选择使用自动化系统，系统功能主要包括闸门的电脑控制、水工数据的自动观测、以及水闸数字化视频监控等，水闸自动化系统的建设对于提高水闸管理水平，发挥水闸功能有着重要的意义。
中图分类号： TV66 文献标识码： A 文章编号：
在我国民经济发展中，水利工程占有十分重要的地位和作用，且关系到国家的经济建设，以及人民的生命、财产安全等重大社会问题。在深圳地区，河网密布，河涌众多，雨量充沛，在河涌治理的过程中，闸门自动化控制系统的建设显得十分重要。可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，凭借其结构特点得到了广泛的应用。
一、PLC的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百分之一甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向生产过程的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事系统工程控制打开了方便之门。
4.系统设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
三、闸门自动化控制系统
在闸门自动化控制系统建设或者改造的过程中，闸门控制操作一般分为三级控制模式：第一级为现场在没有电的情况下手动操作模式；第二级为现场控制柜操作电动控制模式；第三级为计算机自动调控控制模式。这三种操作模式中，第一、二级可以脱离PLC系统独立运行。第三级完全依赖PLC系统才能实现其功能。
在闸门自动化控制系统故障、测试、检修或其他特殊情况下，管理人员按第一级或第二级方式临时调度控制闸门，确保生命和财产的安全。对于闸门PLC自动化控制系统来说，其主要监控参数包括：上、下游水位、闸门开度、手/自动选择指示、开闸运行指示、关闸运行指示、故障指示、电源指示、电源合闸指示、开闸控制、关闸控制、电流、电压、功率、有功功率、功率因数等。电量的监测一般采用智能电量仪表，采用MODBUS协议与PLC进行通讯，PLC与上位机通讯可以采用RS232、RS485、TCP/IP通讯协议，通讯介质可以采用电缆、光缆、无线传输。对于单扇闸门的I/O点数目统计为：
DI（开关量输入，水位计、闸门开度仪输入信号采用格雷码）：42点；DO（开关量输出）：2～3点。
闸门自动化控制系统电气控制一次回路图如图1所示：
闸门自动化控制系统二次回路图如图2所示：
三、实例分析
随着深圳市雨季防汛任务的日益繁重,原有的防洪排涝系统控制手段落后,设备陈旧,且泵站水闸分布广泛,站点分散,使得防洪调度管理工作比较被动。为了在城市防汛管理工作中能够科学、及时、准确地监控泵站水闸等防洪设施,高效快速应对水涝灾害,确保城市安全度汛,对水闸进行综合自动化改造，实现基于网络的泵站水闸远程监控系统。
1、系统结构功能
水闸控制系统有3个部分：第一部分：上位机数据组态集监控系统 第二部分：可编程序控制器核心控制系统。用户通过上位机来对水库水文数据、水闸开度等数据进行记录，对水闸进行监控。可编程序控制器接收上位机的指令，完成对数据的采集和设备的控制第三部分：视频监视系统。由于一般中控室都位于与现场相距较远的地方 整个系统的所有数据都使用光纤传送。系统结构如图1所示。
图1 水闸控制系统结构
1.1系统硬件及软件
采用 SiemensS7－300 系列 PLC 来作为水库闸门监控系统核心,与之相配 SiemensSIMATICWinCC7.0 先进组态软件作为远程操作系统软件核心。根据过程变量中的数量和扩展容量及闸门监控系统要求，综合可靠性、使用环境等因素，我们选择西门子 PLCS7－300 控制器作为系统主要硬件，选择系统主要硬件，如表1 所示。
表 1 控制器硬件组成
1.2系統输入和输出量
(1)系统输入量。输入信号：6扇闸门的上升、下降、停止按钮 紧急停机按钮；现场手动/远程/自动转换开关；电源状态检测；闸门位置输入，使用 WFH－2 型全量机械编码水位计传感器，每扇闸门高度用10位的二进制格雷码表示；水库的坝前及坝后水位输入，也使用WFH－2 型全量机械编码水位计传感器，水位用 11位的二进制格雷码表示。
（2）系统输出量。输出信号：6 扇闸门提升、下降、停止动作等，共18点输出。
1.3系统阀位水位数据采集
WFH－2 型全量机械编码水位计是以浮子感测水位，轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。本仪器传感器根据感测天然水体水位的变化，同时通过轴角编码器将水位模拟量A转换为数字编码D。由数字编码D通过传输介质并行输出到控制柜上的显示器，直接显示当前水位，同时，此数字编码D又输入S7－300PLC 控制器当中，进行数据处理。WFH－2 型全量机械编码水位计可以直接显示出闸门提升下降后的实际高度，抗干扰能力强；在系统掉电及再上电后，水位计显示出位置量不变。系统根据工作人员的需求，设置检测报警的参数值，利用系统软件来判断水位计的输出值与设定值的关系，并给出相应的控制指令和报警输出信号。控制系统的总线拓扑结构如图 2 所示。
图 2 控制系统的总线拓扑结构
2、WinCC监控系统软件
系统上位机的用户层均采用西门子PLCS7－300控制器附带的组态软件 WinCC作为用户的操作界面，并且实现与 PLCS7－300控制器的网络通讯接口的连接。操作界面采用符合人性化的图形界面。用户利用组态软件窗口下的各种操作指令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运行状态，包括坝前、坝后水位、阀位、电机运转情况、上下限位情况、自动/手动旋钮位置等信息,详见图3。
图3水闸计算机监控系统
3、视频监控系统
视频监控系统由前端设备和监控设备组成。前设备主要是指各种摄像机、镜头、 云台、护罩、解码器等设备；监控设备包括（终端显示、控制部分）VGA监视器 ，视频监控录像主机、云台镜头控制器、控制键盘、矩阵切换器等。前端设备的功能有：摄像机的功能是用来获取监视现场的图像。云台用来控制摄像机内部电机的转动方向，承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动，调整监控可视范围。镜头调整摄像机的焦距，从而起到调整图像的清晰度和图像的远近。解码器接收主机控制信号，进行模拟量与数字信号之间的转换，输出指令实现对云台的运动方向及镜头焦距的控制。从而保证对监控现场进行全方位的实时监控。后端监控设备的功能：VGA监视器是用来显示视频的设备，视频监控录像主机主要负责对前端监控通过控制键盘发送指令，获取前端监控设备的反馈的一些参数，从而达到控制前端监控设备的目的；矩阵切换器则是在多路信号输入的情况下，可独立地根据监控对像需要选择多路信号进行输出，完成信号的选择。作为自动控制系统的补充，视频监控系统主要用于监视水库上下游水位，中控房设备和闸门运行情况等，工作人员能够对现场关键设备进行直接的观察和了解。
五、总结
水闸自动化系统作为深圳市水闸业务系统中不可缺少的一部分，为水闸运行调度提供决策依据，进一步发挥水闸在服务社会、服务民生，保障水环境安全等方面的重要作用。现代化生产是快节奏、高效益、高自动化的一种生产模式，使得PLC系统成为自动化控制系统的主角，在闸门自动化控制系统建设中，可以充分发挥可编程逻辑控制器的优势，一方面，可以达到无人值守，自动按要求运行，自动检测故障，由它替代人力去工作；另一方面对于老系统的改造方面，可编程控制器的使用，可以使改造变得更简单，费用更少，时间更短。经过多年的发展，深圳市水闸自动化系统建设已初具规模，但还有很多需要改进和完善的地方。今后，我们应总结经验，统筹规划，朝着“建设好、使用好、养护好”的方向，让水闸自动化系统能够更好的发挥作用，为浦东的水利事业添砖加瓦。
中图分类号： TV66 文献标识码： A 文章编号：
在我国民经济发展中，水利工程占有十分重要的地位和作用，且关系到国家的经济建设，以及人民的生命、财产安全等重大社会问题。在深圳地区，河网密布，河涌众多，雨量充沛，在河涌治理的过程中，闸门自动化控制系统的建设显得十分重要。可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，凭借其结构特点得到了广泛的应用。
一、PLC的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百分之一甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向生产过程的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事系统工程控制打开了方便之门。
4.系统设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
三、闸门自动化控制系统
在闸门自动化控制系统建设或者改造的过程中，闸门控制操作一般分为三级控制模式：第一级为现场在没有电的情况下手动操作模式；第二级为现场控制柜操作电动控制模式；第三级为计算机自动调控控制模式。这三种操作模式中，第一、二级可以脱离PLC系统独立运行。第三级完全依赖PLC系统才能实现其功能。
在闸门自动化控制系统故障、测试、检修或其他特殊情况下，管理人员按第一级或第二级方式临时调度控制闸门，确保生命和财产的安全。对于闸门PLC自动化控制系统来说，其主要监控参数包括：上、下游水位、闸门开度、手/自动选择指示、开闸运行指示、关闸运行指示、故障指示、电源指示、电源合闸指示、开闸控制、关闸控制、电流、电压、功率、有功功率、功率因数等。电量的监测一般采用智能电量仪表，采用MODBUS协议与PLC进行通讯，PLC与上位机通讯可以采用RS232、RS485、TCP/IP通讯协议，通讯介质可以采用电缆、光缆、无线传输。对于单扇闸门的I/O点数目统计为：
DI（开关量输入，水位计、闸门开度仪输入信号采用格雷码）：42点；DO（开关量输出）：2～3点。
闸门自动化控制系统电气控制一次回路图如图1所示：
闸门自动化控制系统二次回路图如图2所示：
三、实例分析
随着深圳市雨季防汛任务的日益繁重,原有的防洪排涝系统控制手段落后,设备陈旧,且泵站水闸分布广泛,站点分散,使得防洪调度管理工作比较被动。为了在城市防汛管理工作中能够科学、及时、准确地监控泵站水闸等防洪设施,高效快速应对水涝灾害,确保城市安全度汛,对水闸进行综合自动化改造，实现基于网络的泵站水闸远程监控系统。
1、系统结构功能
水闸控制系统有3个部分：第一部分：上位机数据组态集监控系统 第二部分：可编程序控制器核心控制系统。用户通过上位机来对水库水文数据、水闸开度等数据进行记录，对水闸进行监控。可编程序控制器接收上位机的指令，完成对数据的采集和设备的控制第三部分：视频监视系统。由于一般中控室都位于与现场相距较远的地方 整个系统的所有数据都使用光纤传送。系统结构如图1所示。
图1 水闸控制系统结构
1.1系统硬件及软件
采用 SiemensS7－300 系列 PLC 来作为水库闸门监控系统核心,与之相配 SiemensSIMATICWinCC7.0 先进组态软件作为远程操作系统软件核心。根据过程变量中的数量和扩展容量及闸门监控系统要求，综合可靠性、使用环境等因素，我们选择西门子 PLCS7－300 控制器作为系统主要硬件，选择系统主要硬件，如表1 所示。
表 1 控制器硬件组成
1.2系統输入和输出量
(1)系统输入量。输入信号：6扇闸门的上升、下降、停止按钮 紧急停机按钮；现场手动/远程/自动转换开关；电源状态检测；闸门位置输入，使用 WFH－2 型全量机械编码水位计传感器，每扇闸门高度用10位的二进制格雷码表示；水库的坝前及坝后水位输入，也使用WFH－2 型全量机械编码水位计传感器，水位用 11位的二进制格雷码表示。
（2）系统输出量。输出信号：6 扇闸门提升、下降、停止动作等，共18点输出。
1.3系统阀位水位数据采集
WFH－2 型全量机械编码水位计是以浮子感测水位，轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。本仪器传感器根据感测天然水体水位的变化，同时通过轴角编码器将水位模拟量A转换为数字编码D。由数字编码D通过传输介质并行输出到控制柜上的显示器，直接显示当前水位，同时，此数字编码D又输入S7－300PLC 控制器当中，进行数据处理。WFH－2 型全量机械编码水位计可以直接显示出闸门提升下降后的实际高度，抗干扰能力强；在系统掉电及再上电后，水位计显示出位置量不变。系统根据工作人员的需求，设置检测报警的参数值，利用系统软件来判断水位计的输出值与设定值的关系，并给出相应的控制指令和报警输出信号。控制系统的总线拓扑结构如图 2 所示。
图 2 控制系统的总线拓扑结构
2、WinCC监控系统软件
系统上位机的用户层均采用西门子PLCS7－300控制器附带的组态软件 WinCC作为用户的操作界面，并且实现与 PLCS7－300控制器的网络通讯接口的连接。操作界面采用符合人性化的图形界面。用户利用组态软件窗口下的各种操作指令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运行状态，包括坝前、坝后水位、阀位、电机运转情况、上下限位情况、自动/手动旋钮位置等信息,详见图3。
图3水闸计算机监控系统
3、视频监控系统
视频监控系统由前端设备和监控设备组成。前设备主要是指各种摄像机、镜头、 云台、护罩、解码器等设备；监控设备包括（终端显示、控制部分）VGA监视器 ，视频监控录像主机、云台镜头控制器、控制键盘、矩阵切换器等。前端设备的功能有：摄像机的功能是用来获取监视现场的图像。云台用来控制摄像机内部电机的转动方向，承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动，调整监控可视范围。镜头调整摄像机的焦距，从而起到调整图像的清晰度和图像的远近。解码器接收主机控制信号，进行模拟量与数字信号之间的转换，输出指令实现对云台的运动方向及镜头焦距的控制。从而保证对监控现场进行全方位的实时监控。后端监控设备的功能：VGA监视器是用来显示视频的设备，视频监控录像主机主要负责对前端监控通过控制键盘发送指令，获取前端监控设备的反馈的一些参数，从而达到控制前端监控设备的目的；矩阵切换器则是在多路信号输入的情况下，可独立地根据监控对像需要选择多路信号进行输出，完成信号的选择。作为自动控制系统的补充，视频监控系统主要用于监视水库上下游水位，中控房设备和闸门运行情况等，工作人员能够对现场关键设备进行直接的观察和了解。
五、总结
水闸自动化系统作为深圳市水闸业务系统中不可缺少的一部分，为水闸运行调度提供决策依据，进一步发挥水闸在服务社会、服务民生，保障水环境安全等方面的重要作用。现代化生产是快节奏、高效益、高自动化的一种生产模式，使得PLC系统成为自动化控制系统的主角，在闸门自动化控制系统建设中，可以充分发挥可编程逻辑控制器的优势，一方面，可以达到无人值守，自动按要求运行，自动检测故障，由它替代人力去工作；另一方面对于老系统的改造方面，可编程控制器的使用，可以使改造变得更简单，费用更少，时间更短。经过多年的发展，深圳市水闸自动化系统建设已初具规模，但还有很多需要改进和完善的地方。今后，我们应总结经验，统筹规划，朝着“建设好、使用好、养护好”的方向，让水闸自动化系统能够更好的发挥作用，为浦东的水利事业添砖加瓦。