1. Einleitung Der Huaihong-Fluss, der sich über 300 Kilometer vom Kreis Huaiyuan in der Provinz Anhui im ​​Westen bis zum Hongze-See in der Provinz Jiangsu im Osten erstreckt, ist eines der Schlüsselprojekte des nationalen Huai-Flussmanagementprogramms. In Bengbu, Provinz Anhui, befinden sich drei Schleusentore: das Hexiang-Hochwasserumleitungstor im Kreis Huaiyuan, das Xibakou-Kontrolltor im Kreis Wuhe und das Xinhuwa-Kontrolltor (mit einer Schiffsschleuse) im Kreis Guzhen. Alle drei unterstehen der einheitlichen Verwaltung des Flussmanagementamtes der Stadt Bengbu. Da die drei Schleusentore mehrere Dutzend Kilometer voneinander entfernt liegen, wurde ein vernetztes Computerüberwachungssystem entwickelt, um eine einheitliche Fernsteuerung zu ermöglichen. 2. Systemfunktionen 1) Echtzeitüberwachung. Das System überwacht in Echtzeit den Öffnungs- und Schließstatus jedes Schleusentors, die Wasserstände ober- und unterhalb, die Stromversorgung, den Motorstatus und weitere Betriebszustände. Die Daten werden vor Ort und auf dem Host-Computer angezeigt. 2) Torsteuerung vor Ort. Die Torsteuerung erfolgt vor Ort, wobei der Betriebsfortschritt über Signalleuchten, Instrumente und andere Anzeigeeinheiten überwacht wird. 3) Torfernsteuerung. Die Fernsteuerung erfolgt über den Industrie-PC und den Touchscreen des Relaisschranks im Kontrollraum gemäß dem hydrologischen Fahrplan und dem Standard-Torsteuerungsplan. Die Fernsteuerung hat eine niedrigere Priorität als die Vor-Ort-Steuerung. Der Not-Aus-Schalter am Relaisschrank kann jeden Betriebsvorgang unterbrechen. 4) Optimierung des Toröffnungs- und -schließvorgangs. Der optimale Betriebsmodus des Tors kann durch Programmierung anhand der Öffnungs- und Schließcharakteristika sowie der Betriebsabläufe (z. B. segmentiertes Öffnen, Gruppenöffnung, Bestimmung der optimalen Anzahl zu öffnender Tore und des Öffnungsgrades usw.) ermittelt werden. 5) Umfassende Netzwerkfunktionen. Informationen können im Internet veröffentlicht werden. Der Betriebszustand und der Wasserstand der drei Tore werden zentral auf dem Server des Flussamts Bengbu angezeigt, sodass die Leitstelle die Informationen in Echtzeit erfassen, zentral verwalten und die Einsätze einheitlich steuern kann. 6) Fehleranzeige und Alarmierung. Es verfügt über Alarmfunktionen und Schutzmaßnahmen für Störungen wie Motorüberhitzung, gleichzeitiges Anlaufen von mehr als der zulässigen Anzahl an Motoren, Öffnungs- und Schließstörungen des Tors sowie Abwärtsrutschen. 7) Ereignisprotokollierung, Durchflussstatistik und Druckfunktionen. Es kann die Zeit und den Öffnungsgrad des Tors erfassen und Trendstatistiken zu Wasserständen und Durchfluss oberhalb und unterhalb des Tors über einen längeren Zeitraum erstellen. Dies erleichtert die Analyse des Torbetriebs und der damit verbundenen Vorteile. 3. Systemzusammensetzung Das gesamte Torüberwachungssystem besteht aus einer Fernüberwachungseinheit, einer zentralen Steuereinheit, einer Feldeinheit und Geräten zur Erfassung von Torposition, Wasserstand und Motorstatus (siehe Abbildung 1): Abbildung 1: Systemstrukturdiagramm. Wie aus dem Systemstrukturdiagramm ersichtlich, lässt sich das System in vier Schichten unterteilen: Die erste Schicht ist die Fernüberwachungseinheit. Im Hauptleitstand des Flussmanagementbüros Bengbu ist eine Online-Workstation eingerichtet. Daten von den WinCC-Systemen der drei Host-Rechner werden über das Internet mithilfe der Siemens-Software WinCC Web Navigator an die Workstation übertragen. Dies ermöglicht die Echtzeitabfrage des Status der drei Tore und die Erstellung einheitlicher Planungen. An allen vier Standorten stehen Mikrowellen-Sende- und Empfangsgeräte zur Verfügung. Bildinformationen des Kabelfernsehens vor Ort können ebenfalls per Mikrowelle übertragen werden. Informationen und Anweisungen können über interne Telefonleitungen ausgetauscht werden, falls die Netzwerkkommunikationsleitungen durch Überschwemmungen beschädigt werden. Die zweite Ebene bildet die zentrale Steuereinheit, bestehend aus einem Industrie-PC, einem Touchscreen und einer SPS. An jedem Tor der drei Standorte sind ein Industrie-PC und ein Touchscreen installiert. Der Industrie-PC befindet sich im Kontrollraum, der Touchscreen auf dem Feldrelais-Schaltschrank. Beide befinden sich auf derselben Ebene und werden über einen Wahlschalter ausgewählt. Sie können Informationen vor Ort anzeigen und mehr als zehn Öffnungs- und Schließmotoren vor Ort steuern. Industrie-PC und Touchscreen sind über einen MPI-Bus mit derselben SPS der unteren Ebene verbunden. Befehle werden von beiden ausgegeben und von der SPS ausgeführt. Die SPS überwacht zudem kontinuierlich den Motorstatus, die Toröffnung und den Wasserstand und sendet die Ergebnisse zur Anzeige an beide Geräte. Die dritte Ebene bildet die lokale Überwachungseinheit, bestehend aus einem Bedienfeld, einem Drehgeber und Anzeigegeräten. Jeder Motor verfügt über eine Bedieneinheit mit einem Fern-/Lokal-Steuerungsschalter. Im Fernsteuerungsmodus sind der Industrie-PC und der Touchscreen aktiv; im Lokal-Steuerungsmodus sind die Tasten an der Bedieneinheit aktiv. Dies gewährleistet die manuelle Torbetätigung auch bei Stromausfall der SPS. Der Drehgeber an der Motorwelle sendet die Öffnungsinformationen an das Messgerät zur Anzeige auf dem Bedienfeld. Das Messgerät wandelt diese Informationen in ein Stromsignal für die SPS um. Die vierte Ebene umfasst die Übertragungs- und Ausführungsmechanismen. Bei einem Schaltbefehl der SPS oder der lokalen Bedieneinheit läuft der Motor an, und die Übertragungseinrichtung betätigt das Tor zum Öffnen und Schließen. 4. Systemhardware- und Softwarekonfiguration: Dieses System verwendet eine SPS der Siemens S7-300-Serie und die SPS-Programmiersoftware Siemens Step7 V5.2. Der Industrie-PC ist ein Advantech-Industrie-PC mit einer Siemens CP5613A2-Netzwerkkarte, die an den MPI-Port der SPS angeschlossen ist. Das Betriebssystem ist Windows 2000 Professional, die Konfigurationssoftware Siemens WinCC 5.1, die Software für die Netzwerkkommunikation Siemens WinCC Web Navigator und der Touchscreen ein Schneider XBTG-5230. Bis auf den Touchscreen sind alle Komponenten vollständig kompatibel. Die SPS verwendet eine CPU des Modells 314-1AF10-0AB0 mit einer Befehlsausführungszeit von 0,1 Mikrosekunden, 48 KB Arbeitsspeicher und einer zusätzlichen 24 KB Speicherkarte für Befehlssicherung und Datenspeicherung. Der MPI-Bus arbeitet mit einer Baudrate von 187,5 kbit/s. Die CPU kann bis zu 32 Module ansteuern, wobei je nach Anzahl der Punkte ca. 10 Module tatsächlich belegt sind. Zur Erweiterung innerhalb eines Racks wird ein IM365 verwendet. Die Schaltmengenerfassung und -ausgabe des Systems erfolgt über 24-V-DC-Sensoren (32-Punkt-Sensoren SM321 und SM322). Die Wasserstands- und Toröffnungserkennung erfolgt über 4-20-mA-Signale und nutzt einen 8-Kanal-16-Bit-SM331 mit einer Abtastfrequenz von 50 Hz. Die Konfigurationssoftware WinCC 5.1 integriert Bearbeitungs- und Ausführungsfunktionen und kann nach der Aktivierung einen Webbrowser laden, um Informationen an entfernte Online-Arbeitsplätze zu senden. Zur Kommunikation mit einer Siemens-SPS benötigt der Schneider XBTG-5230 Touchscreen ein überladenes Allzweck-Bootprogramm. Die Verbindung zur MPI-Schnittstelle ist in Abbildung 2 dargestellt: Abbildung 2: Anschlussdiagramm der Schneider-Touchscreen- und Siemens-SPS-MPI-Schnittstelle. 5. Systemsoftware-Design Abbildung 3: Software-Flussdiagramm Wie in Abbildung 3 dargestellt, befindet sich das Hauptsteuerungsprogramm des Systems in der SPS. Es umfasst die Abtastung analoger Signale, Filterung und lineare Transformation, Fehlerdiagnose und Alarmierung sowie Einzel- und Gruppensteuerungsprogramme. Die Durchfluss- und Gesamtdurchflussprogramme werden aufgrund ihrer geringen Echtzeitanforderungen, zahlreicher Zweigauswahlanweisungen und komplexer Tabellenabfragen auf dem Industrie-PC ausgeführt. Das Systemsteuerungsschema kennt zwei Arten: Einzeltor- und Gruppensteuerung. Die Einzeltorsteuerung umfasst das Öffnen, Schließen, Anhalten und den automatischen Betrieb jedes einzelnen Tors bis zu einem festgelegten Öffnungsgrad. Die Gruppensteuerung hingegen beinhaltet die gekoppelte Steuerung einer Torgruppe basierend auf den Prozessanforderungen und der praktischen Betriebserfahrung. Da die Tore an den drei Standorten unterschiedlich sind, muss das Schema unter Berücksichtigung der Anforderungen und der Anleitung des lokalen Personals erstellt werden. Die Toröffnung und die Wasserstände stromaufwärts/stromabwärts werden von den Messgeräten in Standard-4-20-mA-Signale umgewandelt und anschließend von der SPS in ganzzahlige Werte von 0-27648 transformiert. Zur Anzeige der tatsächlichen Öffnungs- und Wasserstandswerte ist eine lineare Transformation durch das Programm erforderlich. Da analoge Signale verwendet werden, sind Störungen unvermeidbar, weshalb ein Filterprogramm notwendig ist. Es werden drei Fehlererkennungsmethoden eingesetzt: Öffnungsfehler, Schließfehler und Abwärtsgleiten. Das Programm protokolliert alle drei Sekunden den Motorstatus und den Öffnungswert. Öffnet sich das Tor zweimal hintereinander, ohne dass sich die Öffnung vergrößert oder nur geringfügig, wird dies als Öffnungsfehler gewertet. Wird das Tor zweimal hintereinander geschlossen, die Öffnung verringert sich aber nicht oder nur geringfügig, gilt dies als Schließfehler. Wird das Tor zweimal hintereinander gestoppt, die Öffnung verringert sich jedoch, liegt ein Abwärtsgleitfehler vor. Dies führt zu einem Zeitfehler von 3–6 Sekunden, macht aber drei separate Timer pro Tor überflüssig und reduziert die Anzahl der Timer um Dutzende. Jeder Fehler löst einen Alarm aus, bis er manuell behoben wird. Durchflussrate und Volumen werden in einem globalen Skript innerhalb von WinCC alle 10 Sekunden berechnet. Die Ergebnisse werden auf der SPS gespeichert und können über den Touchscreen abgefragt werden. Die Durchflussrate kann in WinCC archiviert werden, um historische Trends für die Auswertung zu erstellen. WinCC bietet umfassende Funktionen wie grafische Überwachung, Fehlermeldungen, Benutzerverwaltung, Ereignisprotokollierung, historische Statistiken und Berichtsdruck. Als hervorragende Konfigurationssoftware erfüllt sie alle Systemanforderungen. Mit dem Web Navigator werden die drei Tore zu serverseitigen Systemen, sodass das Hauptbüro von Bengbu ihren Betrieb in Echtzeit über einen Client überwachen und entsprechende Befehle erteilen kann. Dies bildet ein vollständiges, dreifach gekoppeltes Computerüberwachungssystem. 6. Fazit: Dieses Schleusenüberwachungssystem, basierend auf standardmäßigen industriellen Steuerungskomponenten und fortschrittlichen Konfigurations- und Netzwerktechnologien, erfüllt die Anforderungen des praktischen Betriebs vollständig und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit aus. Dadurch eignet es sich hervorragend für kleine und mittelgroße Schleusentore. Das System dient als Grundlage für die Erstellung von Hochwasserschutz- und Bewässerungsplänen, indem es zeitnahe und zuverlässige Informationen liefert und gekoppelte Operationen auf Befehlsbasis schnell ausführt. Dies führt zu erheblichen Sicherheits- und wirtschaftlichen Vorteilen. Referenzen: 1. Guo Yi, Hu Wanming, Yang Yeping. Entwurf und Anwendung eines Echtzeit-Schleusentorsystems. Elektromechanische Technologie von Wasserkraftwerken. 2004, 3: (50-51) 2. Gu Yan, Xu Lizhong. Verteiltes Schleusenüberwachungssystem auf Feldbusbasis. Anwendung elektronischer Technologien. 2001, 5: (33-34) 3. Li Chenglin, Yin Xiangguo, Fang Wenli. Automatisches Überwachungssystem für das Überlauftor des Charsun-Stausees. Nordost-Wasserressourcen und Wasserkraft. 2001, 12: (8, 14) 4. Luo Weiguo. Eine kurze Diskussion über das Schleusenüberwachungssystem. Perlfluss des Volkes. 2002, 1: (46-47)