摘要：利用西门子公司的PLC模块作为控制核心，对西门子S7-200在远程闸门控制系统中的应用进行了设计。给出了闸门控制系统硬件构成和系统软件编程框图。介绍了ProfiBus的特点及在系统应用中的实现。采用Step7进行了PLC程序的编制，并在控制现场进行了调试。整个系统运行正常，控制效果达到预期目标。
关键词：PLC，S7-200，S7-300，ProfiBus，闸门控制
Application of SIMATIC S7－200 in Remote Sluice Control System
SHI Yi-tan，GU Zhong-bi，ZHOU Xin-zhi
(College of Electronic & Information, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610064, China)
ABSTRACT:A design of Application of SIMATIC S7－200 in Remote Sluice Control System was finished , PLC modules from SIMATIC Corp was used as controlling kernel . Both hardware structure and software architecture of Remote Sluice Control System was given. Characteristic and realization of Profibus used in System was introduced . a PLC program was finished using Step7 ,and was tested in Controlling Locale .system run steadily and the expect of anticipating was gained.
KEYWORDS: PLC,S7-200,S7-300,ProfiBus, Sluice Control
0引言
传统的闸门控制方式需要人员到现场操作闸门启闭机或者使用一般工控机来实现。这样的控制方式不能适应闸门孔数多，控制中心距离闸房较远的控制需求。工控机对闸门集中控制的方式在闸门孔数较多时，不能够避免铺设线路过多过杂的状况，也无法保证系统的稳定运行。并且对于远程控制的实现存在着线路故障的风险。
本文针对通济堰取水枢纽工程中的闸群控制提出解决方案，该系统闸门数量为17孔，加上需改造的旧闸门5孔，总数达到22孔。而控制中心距离最远的一孔闸门为500米。实现这么大数量的闸门的远程控制，工控机显然无法满足系统稳定、工程难度低、施工费用少的要求。
在该工程设计中，利用ProfiBus 现场总线将PLC组网，由上位机来实现对闸门启闭机的远程控制。并将闸门开度、坝前和坝后水位、闸门荷重情况传送至上位机。由上位机根据现场PLC提供的信息对闸门运行状态进行监视，并在故障发生时提供故障信息。
本系统的核心控制器件采用德国西门子公司的S7-200，通讯总站采用S7-300。未采用中继站的情况下，通讯能力最远达到1200米，完全能够该工程的远程控制需求。
结构及功能
该系统采用的是三层通讯组网方式，最底层的是由22台S7-200组成的相互独立的现场控制单元，中间层是由一台S7-300构成的通讯主站，上层是由上位机及服务器组成用户层。
除通讯功能外，该系统还具有以下功能：
控制功能：系统采用两种控制方式，即自动（即远方集中控制）和手动控制。
监测功能：系统自动采集闸门位置、闸门荷重、上下游水位及电气器件运行状态的信息。
保护功能：判断电机过载、闸门上下越限、电源供电异常、闸门失速/卡滞等，并对故障进行实时处理。
图1 系统总线结构图
2 系统硬件设计
2.1 系统总线设计
在通济堰的22孔闸门中，每孔闸门用一个S7-200（CPU224）作为智能控制单元，构成一个现地控制柜。每个PLC 通过ProfiBus总线与一台S7-300（CPU315-DP）通讯，通讯由每个PLC所带的通讯模块（EM277）来实现。PLC-300作为系统的主站，负责收集从站（S7-200）上传的信息和下达命令。PLC-300与一台上位机通过CP6511卡相连，上位机作为远程操作平台。
2.11 ProfiBus-DP总线
DP总线电缆是西门子公司提供的专用总线电缆，其技术参数如表一所示。DP总线连接器选用9针D型RS485适用的连接器。
表1 总线电缆技术参数
DP总线安装布线采用的是总线型拓扑结构，由于方案中只存在22个从站，因此可将22孔闸门的PLC从站挂在同一段中，而无须加载中继器。注：DP总线型结构中每个网段最大可挂载32个从站，且在无中继器的情况下每个网段最长距离为1900米。电缆最大长度取决于传输速率。传输速率与长度如表二所示。
表2 总线电缆传输速率
以DP总线方式连接各个从站，需要在第一个和最后一个站加装终端电阻，而中间的各个从站则只需将A、B数据线连接到总线上即可。
DP总线采用西门子专用的线缆和接头，通讯总线电缆入柜时屏蔽层与柜体连接接地。在线路铺设时，将通讯总线与17控制线一起布设，至于同一个电缆槽中。通讯总线在室外段通过地线铺设。
系统数据采集
在上位机对闸门启闭机施行控制的时候，需要实时地将闸门的闸位信息上传至微机。还要将闸前和闸后的水位信息同时上传。同时，还需要不间断地将闸门启闭机的荷重告知上位机，以便监控闸门是否出现卡滞。
在这个系统中，对闸位的监测采用旋转编码器来实现。由于旋转编码器的输出信号是16位的数字信号，所以必须增加一个PLC的16位数字量模块（EM221-16DI）。
水位信息由投入式压力水位传感器测量闸前闸后水位，S7-200自带有模拟量模块，水位传感器可直接接入，无须另加信号模块。
系统软件设计
系统上位机的用户层解决方案采用西门子的WinCC作为组态软件编制用户操作界面，并且实现与S7-300的通讯接口的衔接。操作界面采用人性化的图形界面。用户在利用组态软件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状态，包括：闸门位置、闸门荷重、上下游水位、以及9类故障信息。
而S7-200与S7-300的内部程序编制则采用西门子的Step7来实现。
由于本系统要实现精确控制闸门启闭高度的技术要求，所以程序设计考虑用户可以自行选择采用开环控制或者是闭环控制的控制方式。
程序闭环控制子系统流程图：