专利名称：工业控制网络型综合自动化系统平台及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种工业控制网络型综合自动化系统平台及控制方法，属于综合自动化测 量与控制领域。
背景技术：
随着社会经济和技术的进步，水利行业信息化和自动化的应用需求进一步增强。对于 地处偏远地区或山区的小型水利枢纽、水电站、水库以及农田水利工程的主要水工设施， 如，泄洪闸、灌溉引水闸、进水闸、尾水闸等，不仅要求能够在现场实行自动化测量和电 气控制，而且要求能够在管理中心(楼)对几公里或者是几十公里以外的水工建筑设施进 行远程测量和电气控制。
目前，面向小型水利枢纽、水库、水电站以及农田水利工程的自动化测量和电气控制 设备，不具备低成本的远方控制性能，以及综合性的自动化测量与电气控制性能。
目前，已有的低成本现场设备仅仅能够实现常规的继电器逻辑的手动控制方式，不能 够实现可编程自动化测量和电气控制，也不能够通过光纤传输实现远方控制。已具备远方 控制和传输性能的设备成本较高，不适合小型水利枢纽、水库、水电站以及农田水利工程 的推广应用。另外，小型水利枢纽、水库、水电站以及农田水利工程的运行、维护及管理 人员的技术水平一般不高，难以维护和管理较复杂的测控设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种工业控制网络型综合自 动化系统平台，满足现代化的小型水利枢纽、水库、水电站以及农田水利工程的自动化测 量和电气控制需求。
本发明工业控制网络型综合自动化系统平台，其特征在于包括监控中心设备和N个现 场控制单元，其中N为自然数，所述监控中心设备包括监控主机、打印机、多口光纤收发 器和UPS电源，其中UPS电源的输出端分别与打印机的电源接口、监控主机的电源接口和 多口光纤收发器的电源接口连接，多口光纤收发器与监控主机电连接，监控主机与打印机 电连接；第一现场控制单元与第二现场控制单元电连接，第二现场控制单元至第N现场控 制单元分别与多口光纤收发器电连接。
34.所述的现场控制单元的控制方法，其特征在于包括如下步骤
a. )采用PLC电路采集现场众多个传感器的传感器数据块；
b. )当数据块中有字符接收超时，则与该接收超时的数据块字符对应的现场传感器发生 故障，采用PLC电路发送确认信号即采用PLC电路重新采集与该接收超时的数据块字符 对应的现场传感器；
c. )当重复N次采集步骤b所述的接收超时的数据块字符对应的现场传感器，该现场传 感器对应的数据块字符接收任然超时，则停止采集通过文本显示器显示故障的现场传感 器并退出控制；
d. )当数据块中有字符接收没有超时，则采用PLC电路通过光纤收发器发送控制指令至 电机控制回路控制闸门；
e. )当步骤d所述的控制动作没有结束，则返回步骤a;
f. )当步骤d所述的控制动作结束，则通过光纤收发器接收监控主机的指令；
g. )当执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤c退出控制；
h. )当没有执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤a。
本发明适用于现代化的小型水利枢纽、水库、水电站以及农田水利工程的闸门、荷重、 水位、流量、扬压力及电气参数等的综合自动测量和水工设施的电气控制，运行维护方便、 成本低、功能综合、可远方控制管理，具有较高的性价比，有利于推广应用。
图1是本发明的系统连接原理方框图2是本发明的现场控制单元方框图3是本发明的监控主机应用软件功能模块方框图4是本发明的现场控制单元的电机控制回路电原理图I ;
图5是本发明的现场控制单元的电机控制回路电原理图II;
图6是本发明的现场控制单元的PLC电原理图I ;
图7是本发明的现场控制单元的PLC电原理图II;
图8是本发明的现场控制单元的PLC电原理图III;
图9是本发明的现场控制单元的控制方法流程图。
具体实施例方式
如图1所示。本发明工业控制网络型综合自动化系统平台，其特征在于包括监控中心 设备和N个现场控制单元，其中N为自然数，所述监控中心设备包括监控主机、打印机、 多口光纤收发器和UPS电源，其中UPS电源的输出端分别与打印机的电源接口、监控主机 的电源接口和多口光纤收发器的电源接口连接，多口光纤收发器与监控主机电连接，监控
4主机与打印机电连接；第一现场控制单元与第二现场控制单元电连接，第二现场控制单元 至第N现场控制单元分别与多口光纤收发器电连接。
现场控制单元的套(个)数可以根据需要布设，可以是1 16套(个)。每个现场控制 单元还连接有若干个测量传感器，测量传感器也是根据需要布设，其种类可以允许开关量 或模拟量的传感器接入现场控制单元的机柜。现场控制单元的核心部件采用PLC (可编程 控制器)，实现对闸门、水位、扬压力及电气参数等的自动测量和水工设施的现场电气控制。
监控中心设备包括一台多口光纤收发器、 一台监控主机(微型计算机)、 一台打印机及 一台UPS电源等。监控主机通过多口光纤收发器与下属的各个现场控制单元的单口光纤收 发器连接，采用光纤数据传输方式，传输协议是基于Profibus-DP现场总线协议。监控主机 通过自己的以太网络接口与上级部门通信。
如图2所示。现场控制单元包括电源、电机控制回路、PLC电路、文本显示器和光纤收 发器，其中电源的输出端分别与电机控制回路的电源接口、 PLC电路的电源接口、文本显示 器的电源接口和光纤收发器的电源接口连接，文本显示器与PLC电路电连接，光纤收发器 与PLC电路电连接，PLC电路与电机控制回路电连接。
图3是本发明的监控主机应用软件功能模块方框图。
监控主机应用软件主要由以下软件模块组成数据库系统模块、数据采集和控制操作 模块、通信服务模块、显示处理模块、系统管理模块和参数设置模块等。
数据库系统包括实时数据库和历史数据库的管理，以及为各处理程序生成维护系统运 行所要求的全部数据文件。监视控制和数据采集的功能能够处理所有的输入、输出，根据 任务的优先级，操作反映及系统事件表安排所有的控制任务，能提供与现场控制单元的所 有通信联系。能采集从现场控制单元传来的数据，监视数据通信的差错。接受操作员的命 令，并把命令传向现场控制单元。通信服务的功能处理所有的通信接口服务请求，提供在 线和离线现场控制单元、监控主机和远程CPU之间的连接，为操作员提供询问系统和指导 系统要执行动作的人机对话能力。系统管理的功能能够对整个系统进行管理，分析系统中 所有已知设备的状态，以确定该设备的"冷"、"热"状态。参数设置的功能允许操作员对 系统进行参数修改和设置。显示处理的功能能够进行图形和数据显示，记录控制所有的信 息送到硬盘上存储，包括系统事件和操作员引起的信息。
图4是本发明的现场控制单元的电机控制回路电路原理图I。
对照图4， 380VAC电源经三相线U10、 V10、 W10端接入自动空气开关QFll，自动空 气开关QFll控制380VAC电源通断。在三相线UIO、 VIO、 W10上，其中相线UIO、 V10 间接电压表PV，电压表PV的两个接触点与相线UIO、 V10之间分别加连保险丝FU1、FU2。 闸门上升交流接触器KMll、闸门下降交流接触器KM12通过热继电器FR1连接电机1M。
5在闸门下降交流接触器KM12和自动空气开关QF11之间的Wll处留一输出端Wll。互感 器TA与电流表PA对应连接，在互感器TA与电机1M之间的V12、 W12之间连接制动器 YB。
图5是本发明的现场控制单元的电机控制回路电原理图II 。
对照图5，自动空气开关QF12通过接线点"1"、 "3"接通220VAC电源，并导出接线 点"2"、 "4"。自动空气开关QF12的接线点"2"和"4"分别与电源控制指示灯HL4连接。 自动空气开关QF12的接线点"4"分别与热继电器FR1接点的"96"接线点、电源监视继 电器KA1的停"14"接线点、闸门停止指示灯HL3的"2"接线点、闸门上升指示灯HL1 的"2"接线点、闸门下降指示灯HL2的"2"接线点连接。转换开关SA1与闸门停止按钮 SB3、升门按钮SB1、闸门下降交流接触器KM12的第二辅助常闭接点、第一辅助继电器 SGP11常闭接点、闸门上升交流接触器KMll的线包串联连接。
对照图5，转换开关SA1分别与闸门上升交流接触器KMll的第一辅助常开接点和第 一继电器K1串联连接。转换开关SA1与第二继电器K2串联连接。闸门下降交流接触器 KM12的第一辅助常开接点和降门按钮SB2与闸门上升交流接触器KM11的第一辅助常闭 接点对应连接。闸门上升交流接触器KMll的第一辅助常闭接点与第二辅助继电器SGP12 常闭接点、闸门下降交流接触器KM12的线包串联连接。
对照图5，闸门上升交流接触器KMll的辅助常闭接点"21"、 "22"与闸门下降交流接 触器KM12的辅助常闭接点"21"、 "22"及闸门停止指示灯HL3串联连接。闸门上升交流 接触器KMll的辅助常开接点"13"、 "14"与闸门上升指示灯HL1串联连接。闸门下降交 流接触器KM12的辅助常闭接点"13"、 "14"与闸门下降指示灯HL2串联连接。
对照图5，自动空气开关QF13接220VAC电源。QF13的两端分别接三相插座CZ1、 加热驱湿器WKQ，以及24伏PLC电源EIP (型号PS307)。
图6是本发明的现场控制单元的PLC电原理图I 。
对照图6，现场控制单元的核心部件采用PLC (可编程控制器)，选择德国西门子公司 的S7-200系列PLC产品设计，CPU模块采用型号是CPU226(带24输入接口/16输出接口 )， 采用型号是6ES7 216-2AD23-OXB8， LCD文本显示器WBS采用型号是TD200，光纤收发 器GF1采用型号是GQSIOO。
对照图6， CPU模块的PortO端口与LCD文本显示器WBS输入端口对应连接，Portl 端口与光纤收发器GF1的输入IN端口对应连接。
CPU模块带有24个开关量输入接口和16个开关量输出接口， CPU模块上的开关量输 入接口 "I1"端口接PLC电源EIP(型号PS307)的负端，开关量输入接口的"I2"、"I3" "19"端口，及"110" "114"端口——对应连接馈线X2:l x2:13。 X2:l x2:13可以接收闸门传感器开关量信号的输入。开关量输入口的"124" "126"端口对应连接转换开 关SA1。
图7是本发明的现场控制单元的PLC电原理图II 。
对照图7， CPU模块上的开关量输出接口 "Q1"、 "Q23"端口接PLC电源EIP的负端， "Q2"、 "Q24"端口接PLC电源EIP的正端，"Q22"端口接大地。开关量输出接口的"Q3" 端口接自动升门继电器K1的线包，"Q4"端口接自动降门继电器K2的线包。开关量输出 接口的"Q5"、 "Q6"和"Q7"端口分别与故障指示灯HL5、现地手动指示灯HL6、现地 自动指示灯HL7及远方自动指示灯HL8对应连接。
图8是本发明的现场控制单元的plc电原理图m。
对照图8，开关量输入扩展模块采用型号是6ES7 221-lBH22-OXB8，开关量输入扩展 模块的"II"和"17"端口接PLC电源EIP的负端，"114"端口接大地。开关量输入扩展模 块的"12"端口接热继电器FR的接点对应连接，开关量输入扩展模块的"13"端口与电 源监视继电器KA1的接点对应连接，"14"端口与闸门上升交流接触器KMll、 "15"端 口与闸门下降交流接触器KM12 —一对应连接。"18"、 "19"、 "110"和"111"端口分别与 闸门停止按钮SB1、升门按钮SB3、降门按钮SB2和复位按钮SB4—一对应连接。
对照图8，模拟量输入模块采用型号是6ES7 231-OHC22-OXB8，模拟量输入模块的 "116"端口接24伏PLC电源EIP ((型号:PS307)的正端，24伏PLC电源负端接"117" 端口， "117"端口与也"118"端口连接，并接大地。闸门荷重传感器信号输入(1)分别接 入模拟量输入模块的"14" 、 "15" "16"端口。闸门荷重传感器信号输入(2)分别接 入模拟量输入模块的"I7" 、"18" "19"端口。模拟量输入模块的"I10" 、"111" "112" 端口分别接水位传感器信号输入。
对照图8，电流耦合集成电路IC1 (型号是TC1241L)的"5"管脚接第一电阻R1， 第二电阻R2的一端接电流耦合集成电路IC1的"2"管脚，另外一端接"7"管脚，第三电 阻R3的一端接模拟量输入模块的"12"，另外一端接电流耦合集成电路IC1的"3"管脚， 第四电阻R4的一端接电流耦合集成电路IC1的"7"管脚，另外一端接接24伏PLC电源 EIP的正端。扬压力传感器信号输入连接电流耦合集成电路IC1的"6"和"2"管脚，另外 一端接地。
5.对照图9，所述的现场控制单元的控制方法，其特征在于包括如下步骤
a. )采用PLC电路釆集现场众多个传感器的传感器数据块；
b. )当数据块中有字符接收超时，则与该接收超时的数据块字符对应的现场传感器发生 故障，采用PLC电路发送确认信号即采用PLC电路重新采集与该接收超时的数据块字符 对应的现场传感器；C.)当重复N次釆集步骤b所述的接收超时的数据块字符对应的现场传感器，该现场传 感器对应的数据块字符接收任然超时，则停止采集通过文本显示器显示故障的现场传感 器并退出控制；
d. )当数据块中有字符接收没有超时，则采用PLC电路通过光纤收发器发送控制指令至 电机控制回路控制闸门；
e. )当步骤d所述的控制动作没有结束，则返回步骤a;
f. )当步骤d所述的控制动作结束，则通过光纤收发器接收监控主机的指令；
g. )当执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤C退出控制；
h. )当没有执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤a。
现场控制单元的PLC (可编程控制器)通过CPU模块上带有的开关量输入接口采集闸 门传感器开关量数据(见图6)，模拟量输入模块(见图8)直接采集水位传感器数据、闸 门荷重传感器数据(1)及闸门荷重传感器数据(2)，模拟量输入模块(见图8)经过电流 耦合集成电路IC1采集扬压力传感器数据。
传感器数据块接收完毕后，PLC向电机控制回路发送控制指令，以控制闸门启闭机， 如果PLC控制动作没有结束，则返回继续"PLC采集传感器数据块"。
现场控制单元PLC的端口经光纤收发器GF1与监控中心通信(见图6和图1)，以中 断方式随时接收监控中心指令，并执行监控中心指令，直到执行监控中心的指令过程结束。
传感器数据采集和字符接收不正常时，在不超过采集和接收重复3次时返回继续执行 PLC采集传感器数据，否则停止控制动作执行，并向监控中心发送标志信号。
8
权利要求
1. 一种工业控制网络型综合自动化系统平台，其特征在于包括监控中心设备和N个现场控制单元，其中N为自然数，所述监控中心设备包括监控主机、打印机、多口光纤收发器和UPS电源，其中UPS电源的输出端分别与打印机的电源接口、监控主机的电源接口和多口光纤收发器的电源接口连接，多口光纤收发器与监控主机电连接，监控主机与打印机电连接；第一现场控制单元与第二现场控制单元电连接，第二现场控制单元至第N现场控制单元分别与多口光纤收发器电连接。
2. 根据权利要求l所述的工业控制网络型综合自动化系统平台，其特征在于所述现场控制 单元包括电源、电机控制回路、PLC电路、文本显示器和光纤收发器，其中电源的输出 端分别与电机控制回路的电源接口、 PLC电路的电源接口、文本显示器的电源接口和光 纤收发器的电源接口连接，文本显示器与PLC电路电连接，光纤收发器与PLC电路电连 接，PLC电路与电机控制回路电连接。
3. —种基于权利要求1所述的现场控制单元的控制方法，其特征在于包括如下步骤a. )采用PLC电路采集现场众多个传感器的传感器数据块；b. )当数据块中有字符接收超时，则与该接收超时的数据块字符对应的现场传感器发生 故障，采用PLC电路发送确认信号即采用PLC电路重新采集与该接收超时的数据块字符 对应的现场传感器；c. )当重复N次采集步骤b所述的接收超时的数据块字符对应的现场传感器，该现场传 感器对应的数据块字符接收任然超时，则停止采集通过文本显示器显示故障的现场传感 器并退出控制；d. )当数据块中有字符接收没有超时，则采用PLC电路通过光纤收发器发送控制指令至 电机控制回路控制闸门；e. )当步骤d所述的控制动作没有结束，则返回步骤a;f. )当步骤d所述的控制动作结束，则通过光纤收发器接收监控主机的指令；g. )当执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤C退出控制；h. )当没有执行完步骤f所述的监控主机的指令，则返回步骤a。
全文摘要
本发明公开了一种工业控制网络型综合自动化系统平台及控制方法，属于综合自动化测量与控制领域。本发明包括监控中心设备和N个现场控制单元，其中N为自然数，所述监控中心设备包括监控主机、打印机、多口光纤收发器和UPS电源。本发明所述方法通过PLC电路采集实时信息通过光纤接收指令来控制电机回路。本发明运行维护方便、成本低、功能综合、可远方控制管理，具有较高的性价比，有利于推广应用。
文档编号G05B19/418GK101488023SQ200910025580
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月10日 优先权日2009年2月10日
发明者任卓元, 徐立中, 李臣明, 樊棠怀 申请人:河海大学