1. 引言
隨著科技發展和社會進步,在我國的水利事業中計算機監控技術已被廣泛應用于泵站監控、船閘監控、閘門監控、變電站監控等方面。在船閘自動化監控方面，可編程控制器（PLC）技術較為成熟地應用使得船閘監控系統也逐漸趨于完善。PLC具有可靠性高，開發周期短，使用操作方便、便于現場編程調試等特點。船閘自動監控系統在運行時能根據控制要求手動或自動啟閉閘門、監測閘室上下游水位及閘室內水位、監測各閘門閘位、定開高啟閉閘門、監測系統設備狀態。
本文根據中山東河水利船閘自動監控系統的設計、調試、運行實踐，提出船閘自動監控系統的設計原則和方法。經工程的運行檢驗證明是可行的。
2. 船閘閘門自動控制系統構成
2.1 系統的組成
中山東河水利船閘監控系統監控中心建在水利樞紐監控中心室內。系統由一臺遠程控制計算機(操作員站)、一臺上位機(工程師站)、一臺網絡報警打印機、兩套由PLC可編程控制器組成的現地監控單元、現地操作單元、數據采集系統及執行機構、上下游水位傳感器及閘位傳感器等設備組成。見系統構成圖見圖1：
圖1：東河船閘控制系統方案
2.2 系統的監控范圍
◆ 船閘上、下閘首閘門自動監控；
◆ 上、下游及閘室內水位自動監測；
◆ 閘門位置及狀態的實時自動監測；
◆ 啟閉機房設備狀態的實時自動監測；
◆ 通航燈的自動控制；
3. 船閘閘門自動控制系統的設計
3.1 系統的設計原則與要求
（1） 實用性與先進性。在方案設計中特別強調系統的實用性與先進性相結合。在確保實用效益的基礎上，采用成熟的自動控制技術、計算機技術、安全防范技術。
（2） 可靠性與安全性。根據《水閘技術管理規程》SL75-94、《水閘工程管理設計規范》SL170-96等規范要求，選用合理設備，設計高可靠性的軟、硬件控制系統，使船閘的控制更安全可靠。
（3） 經濟性和可擴展性。在滿足系統設計要求的前提下，選用性價比高的傳感器設備、監控設備及通信設備。所采用的設備要充分考慮易升級換代，并且在升級時可以最大限度地保護原有的硬件設備和軟件投資。
3.2 系統主要設備的選型
（1） 主回路供電采用帶電分勵的空氣開關，可用于現場無人職守的遠程操作方式。該裝置動作可靠并有過載、欠壓、短路保護功能，且可以通過控制回路分勵控制，增加系統對電機的保護措施。在現場無人職守情況下，起到在電機停機后接觸器異常觸點粘連情況下，自動分斷電機主回路，保護電機的作用。
（2） 閘門啟閉機主回路的電源通斷采用交流接觸器控制電機的正轉、反轉。
（3） 控制回路采用PLC控制。本系統采用的PLC為德國西門子公司的S7-200系列。具體配置如下。CPU：CPU226(24點DI，16點DO)；DI：EM221(8點) ；DO：EM222(8點)；AI：EM231(4路)；以太網模塊：CP243-1；中文文本顯示器：TD200；編程軟件：STEP 7-Micro/WIN。該型號CPU具有2個RS-485串行通信口。一個串口采用Profibus總線協議與TD200顯示器通信，另一個串口用來編程，系統通過CP243-1的以太網口，采用TCP/IP協議與系統上位機通信，以實現系統的遠程自動監控。
（4） 船閘閘門現地監控單元的操作面板上有手動、自動、檢修三檔轉換開關，用來設置閘門的控制狀態；手動狀態時閘門的上升、下降、停止由面板上的按鈕控制；可以通過面板上的中文顯示器查看各閘門的當前開啟高度及上下游和閘室內的水位值。
（5） 閘門開度傳感器和船閘上、下游水位傳感器均選用格雷碼機械編碼式傳感器，該傳感器數據準確、穩定、誤差小、可靠性高、工作壽命長。
（6） 船閘內水位采用康宇測控儀表KYB900壓力式水位傳感器。上下游水位考慮到進出船只造成的影響，采用的是德國VEGA的超聲波液位計。輸出4-20mA模擬量信號。
3.3 主回路與控制回路設計
船閘分上閘首和下閘首二個啟閉機房，各配備一臺閘門現地監控單元。由于上下閘首監控單元工作原理相似，本文僅對上游監控單元做介紹。
該系統可采用手動控制和自動控制二種工作方式，其控制原理說明如下
（1） 手動控制。將控制機柜面板上的轉換開關置于手動位置,當按下上升按鈕時，交流接觸器1得電，其觸點閉合，啟閉機電路接通，電機正轉，閘門上升。當按下停止按鈕或閘門到上限位時控制回路斷開，電機停止運轉；當按下下降按鈕，交流接觸器2得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機反轉，閘門下降。當按下停止按鈕或閘門到下限位時控制回路斷開，電機停止運轉。
（2） 自動控制。先將控制機柜面板上的轉換開關置于自動位置，當中心控制室需要控制閘門運行時，由上位機發送命令，當命令為上升控制時，PLC控制相應中間繼電器觸點閉合，使交流接觸器1得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機正轉，閘門上升。當上位機發送停止命令或閘門到上限位時控制回路斷開，電機停止運轉；當發送下降命令時，PLC控制相應中間繼電器觸點閉合，交流接觸器2得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機反轉，閘門下降。當上位機發送停止命令或閘門到下限位時控制回路斷開，電機停止運轉。
3.4 系統功能：
3．4．1現地監控單元功能：
① 接收上位機調度運行命令，發送現場采集的各類設備運行實時參數與狀態信號。
② 根據上位機指令可進行上、下扉門、通航燈的控制。具有安全連鎖功能。
③ 船閘閘門控制范圍為從全關到全開、或從全開到全關。在中間任何位置可允許進行緊急停止操作。
④ 系統具有多重聯鎖功能，具有開、關、停故障報警等功能。有效地保障了系統現場設備的安全運行。
⑤ 根據上下游水位及通航要求，對上下游水位及閘室內水位進行水位平信號的檢測，并將該信號與上下閘首及扉門的控制進行聯鎖，以防誤動作。自動控制船閘的上行、下行的自動操作。同時自動控制通航紅綠燈，確保通航安全。
船閘監控系統中從上游經過船閘駛往下游時上閘首的整體控制流程如圖2所示。上閘首動作完成后，下閘首開始動作，其過程與上閘首相似。當船從下游經過船閘駛往上游時整體控制流程與圖2相似，此處不再贅述。
3．4．2 上位機功能：
① 采集現地監控單元設備運行實時數據。采集上下游、船閘內水位信號，船閘上、下閘首和上下扉門開度信號。
② 動態顯示船閘的操作過程。
③ 顯示水位動態曲線。
④ 具有船閘啟、閉運行自動記錄功能。
⑤ 編制打印運行日志、月志、年統計表。
⑥ 保留系統原手動操作功能。
⑦ 建立實時數據庫及歷史數據庫。
⑧ 具有查詢，報警功能。
⑨ 具有良好的中文人機界面。
4. 結束語
西門子S7-200在東河船閘監控系統中的成功應用，其重要功能發揮體現在：
1、 充分利用西門子S7-200的高可靠性和開放性，在通訊上發揮S7-200以太網OPCSERVER方式實現與上位機進行通訊，使得監控在數據交換上有了快而穩的優勢。
2、 TD200和S7200CPU可在同一平臺上進行組態，減化工程師編程維護的工作量。且TD200無論是菜單屏還是報警消息，都可以嵌入CPU數據變量，并且數據是作為地址單元間接訪問，因此數據地址不會隨消息的修改（甚至翻譯）而改變。
3、 充分利用S7-200可為每一路模擬量輸入選擇軟件濾波器。且選用的S7-200的模擬量濾波功能不必再另行編制用戶的濾波程序。方便有效地解決了現場河水的水位和咸度數據采集波動帶來的影響。
該系統自2004年7月投入運行以來，運行狀況良好，在中心控制室可以利用計算機實現對上下閘首的閘門全程控制，并能在計算機上監測到閘門設備狀態，故障情況以及上下游水位等實時數據。從而使工作人員對閘門的運行控制及時準確，也改善了工作環境和工作強度。是一個運行可靠的船閘自動化監控系統。
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