自動監(jiān)控系統(tǒng)在新洋港閘的應(yīng)用

陳其美 楊啟明 張 軍

“四大港”擋潮閘之一的新洋港閘位于江蘇省鹽城市境內(nèi)，是蘇北里下河地區(qū)主要入?？谥唬撻l共17孔，閘總寬200.09m，設(shè)計日平均流量為485m3/s，鋼閘門集中控制，操作室位于水閘中間，上設(shè)彩鋼板房。原先的控制方式為集中手動，反應(yīng)及操作的速度慢，容易誤操作且時效性差。為改善控制運(yùn)用方式，適應(yīng)工程管理現(xiàn)代化的要求，該閘實(shí)施了自動化改造。

一、自動監(jiān)控系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)三部分組成。位于水閘中章的監(jiān)控室設(shè)兩臺微機(jī)。一臺用于閘門及其他設(shè)備的控制，另一臺用于現(xiàn)場實(shí)物監(jiān)視。以太網(wǎng)交接機(jī)其中的3個端口通過RJ45接頭和上位機(jī)、硬盤錄像機(jī)及現(xiàn)地控制單元連接，通過光纖收發(fā)器和光纜與上級計算機(jī)聯(lián)網(wǎng),在遠(yuǎn)程（省水利廳、市水利局）能看到新洋港閘的閘位、水位數(shù)據(jù)及現(xiàn)場的實(shí)時圖像。

二、自動監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用開放、分層、分布式結(jié)構(gòu)，由主控級、現(xiàn)地控制單元及通信網(wǎng)絡(luò)組成。主控級和現(xiàn)地控制級間的網(wǎng)絡(luò)通信，采用10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)。

2.系統(tǒng)配置

（1）主要硬件、軟件配置

設(shè)備選型為可靠性高、技術(shù)成熟、性能指標(biāo)好、適應(yīng)性能強(qiáng)、性價比高、操作簡單、維護(hù)方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于硬件和功能的擴(kuò)展；系統(tǒng)軟件采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，人機(jī)接口功能強(qiáng)，人機(jī)界面友好，應(yīng)用軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使系統(tǒng)更適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。

（2）主控級

主控級設(shè)備布置在中控室,是一套以進(jìn)口原裝、高性能ICS工業(yè)級計算機(jī)為核心，包括以太網(wǎng)交換機(jī)、運(yùn)行人員操作臺、外圍設(shè)備及UPS組成的控制層設(shè)備。

（3）現(xiàn)地控制單元LCU

LCU即現(xiàn)地控制綜合控制屏，共5臺，1#LCU供通航孔上下扉門使用，排水孔每4孔共用1臺綜合控制屏。綜合控制屏既包含啟閉機(jī)電機(jī)的一次主回路（斷路器、接觸器、熱繼電器、單相電流數(shù)顯表和1只電壓數(shù)顯表）、二次控制回路，也包括PLC及其回路。PLC的核心采用德國倍福公司（Backoff）的 CX1000 系列 PLC，如果主控級故障，LCU與主控級脫離后仍能在現(xiàn)地手動或自動對有關(guān)設(shè)備的監(jiān)測與控制功能，當(dāng)與主控級恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從主控級控制和管理。

（4）圖像監(jiān)控系統(tǒng)

360°旋轉(zhuǎn)、變焦、變距球形戶外視頻探頭，包括攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、支架、云臺及解碼器，將視頻經(jīng)同軸電纜引入中控室的控、錄一體化硬盤錄像機(jī)，并將控制信號自硬盤錄像機(jī)引至解碼器，以控制云臺的轉(zhuǎn)動和三可變鏡頭的光圈、聚焦、變焦。具有監(jiān)視功能、錄像功能、回放功能、組網(wǎng)功能、報警聯(lián)動功能。

（5）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備由以太網(wǎng)交換機(jī)、超五類網(wǎng)線、RJ45接頭、二芯多模光纜及光纖等組成。

三、監(jiān)控及監(jiān)視對象

監(jiān)控及監(jiān)視對象包括17孔鋼閘門；上、下游水位、潮位，越限時自動報警；閘室、上下游、左右岸等7個攝像點(diǎn)圖像；各閘門和開度；各閘門啟閉機(jī)電機(jī)單相電流及總電壓；動力設(shè)備各種開關(guān)及控制電器的狀態(tài)。

四、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)由主控級和現(xiàn)地控制級組成。主控級除能迅速、可靠、準(zhǔn)確有效地完成對各閘門的安全監(jiān)視和控制外，還能完成對整個系統(tǒng)的運(yùn)行管理，包括歷史數(shù)據(jù)存檔、檢索、運(yùn)行報表生成與打印、對外通信管理等?，F(xiàn)地控制級主要完成對閘門的控制、操作顯示及主控級的通信。

1.數(shù)據(jù)采集和處理

主控級通過以太網(wǎng)接收LCU傳來的數(shù)據(jù)，對它們的越限和變位進(jìn)行判斷、處理，包括：模擬量采集與處理（定期掃查）、開關(guān)量采集與處理（中斷和非中斷開關(guān)量）、數(shù)字量采集與處理（串行采集水位、潮位數(shù)學(xué)量后轉(zhuǎn)換為模擬量數(shù)值）、開關(guān)量輸出（操作指令信號校檢）、信號量值及狀態(tài)設(shè)定（采集到的數(shù)據(jù)信號同等對待）、綜合量計算（數(shù)學(xué)模型計算），最后經(jīng)格式化存入數(shù)據(jù)庫。

2.實(shí)時控制

（1）現(xiàn)地控制

指在閘門綜合控制屏上通過按鈕手動進(jìn)行閘門升降、啟停操作，操作開關(guān)應(yīng)切換到手動狀態(tài)，操作員通過操作現(xiàn)地控制柜上的上升、下降、停止按鈕來完成閘門啟閉。

（2）遠(yuǎn)方控制

指在工控機(jī)上對閘門自動進(jìn)行升降、啟停操作。操作開關(guān)應(yīng)切換到自動狀態(tài)，操作員根據(jù)各自口令和權(quán)限登錄系統(tǒng)，可選擇給定開度或給定流量操作方式，通過顯示器、鼠標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，進(jìn)行單個閘門或閘門群組的控制。

（3）所有接入閘控制系統(tǒng)的閘門，均采用現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)方控制兩種方式，互為閉鎖，在現(xiàn)地切換?？刂埔蚤l門現(xiàn)地控制級別為高，監(jiān)控室遠(yuǎn)方控制級別低。

3.安全運(yùn)行監(jiān)視及報警

（1）安全運(yùn)行監(jiān)視

狀變監(jiān)視：監(jiān)控對象的電源斷路器事故跳閘，運(yùn)行接觸器失電，保護(hù)接點(diǎn)動作等狀態(tài)變化的顯示與打印。

過程監(jiān)視：在操作臺工控機(jī)的CRT上，模擬顯示閘門升降過程，并標(biāo)定升降刻度。

異常監(jiān)視：監(jiān)控系統(tǒng)中硬件和軟件發(fā)生故障、錯誤時立即發(fā)出報警信號，并在CRT及打印機(jī)上顯示記錄，指出報警部位。

（2）事件順序記錄和報警

發(fā)生電源斷相等事故引起啟閉機(jī)電源斷路器跳閘以及電氣過負(fù)荷等故障時，進(jìn)行事件順序記錄、顯示、打印和存檔；每個記錄包括點(diǎn)的名稱、狀態(tài)描述和時標(biāo)；記錄的同時，啟動語音報警，自動顯示報警語句，自動推出相關(guān)畫面，做事故原因分析并提出處理方法。

（3）參數(shù)越復(fù)限記錄和報警

對某些參數(shù)及計算值進(jìn)行范圍監(jiān)視，對上下游水位和潮位、過閘流量等作出趨勢分析（梯度監(jiān)視）。對這些參數(shù)、梯度值可預(yù)先設(shè)定其限制范圍，當(dāng)它們越、復(fù)限時進(jìn)行越限報警，越復(fù)限自動顯示、記錄及打印，啟動相關(guān)量分析功能等。

4.統(tǒng)計記錄和生產(chǎn)管理

（1）統(tǒng)計記錄

系統(tǒng)可對各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計記錄，這些信息還將自動提示給運(yùn)行人員。

（2）顯示

以數(shù)字、文字、圖形、表格的形式組織畫面進(jìn)行動態(tài)顯示（CRT）。上下游水位、潮位顯示；各閘門開度模擬顯示；電氣主接線圖；自動監(jiān)控系統(tǒng)框圖；閘門操作流程圖；各類事故、故障統(tǒng)計表；各種監(jiān)視量上、下限值整定表；閘門上下游側(cè)立視圖和景觀效果圖。

（3）人機(jī)對話

監(jiān)控系統(tǒng)在中控室設(shè)操作員工作站，通過標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、CRT可輸入各種數(shù)據(jù)，以便更新修改各種文件，人工置入各種缺漏的數(shù)據(jù)，輸入各種控制命令等，以監(jiān)視和控制閘門的運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)通信

主控級操作員工作站和LCU之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，主控級與上級微機(jī)之間，通過交換機(jī)預(yù)留的接口進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括壓縮的視頻信號。

（5）系統(tǒng)診斷

能在在線和離線方式下自檢計算機(jī)和外圍設(shè)備的故障，故障診斷能定位到電路板，自檢各種應(yīng)用軟件和基本軟件故障，定位到任務(wù)級。

完善的系統(tǒng)自檢、自診斷與自動恢復(fù)，包括主機(jī)自檢、軟件任務(wù)超時處理及通道故障檢測，當(dāng)診斷到外圍設(shè)備時，能自動將其切除并發(fā)信號；軟件任務(wù)超時可實(shí)現(xiàn)部分功能軟件的故障自啟動功能；通道檢測包括對網(wǎng)絡(luò)、通信通道、I/O過程通道在線自動檢測，其內(nèi)容包括通道數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、故障點(diǎn)自動查找及故障自動報警等。

（6）軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件都是全開放的，主控級計算機(jī)能在在線和離線方式下方便地執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編輯、調(diào)試和修改等任務(wù)。

（7）可擴(kuò)性

監(jiān)控系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)，在功能、配置、通訊接口等方面均有一定的裕度和擴(kuò)展能力，備用點(diǎn)不少于使用點(diǎn)的20%，屏內(nèi)插件空間及對外連接的端子排的備用裕量≥15%；系統(tǒng)主存和輔存容量裕量≥30%。

五、安全性及可靠性措施

1.安全性

系統(tǒng)的安全性主要由系統(tǒng)全分布方式保證。由于各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立，每接點(diǎn)的退出不影響系統(tǒng)的其余部分正常工作。用戶對圖形、打印報表的格式均可在線修改、生成，這種修改必須具有一定的用戶級別并知道該級別的口令。系統(tǒng)在操作安全性、通信安全性和硬件、軟件及固件安全性方面有判斷不合適或者不希望的動作和狀態(tài)的能力，其結(jié)果將產(chǎn)生報警或拒絕執(zhí)行或兩者兼有。

2.防雷保護(hù)

新洋港地區(qū)是雷暴多發(fā)區(qū)，系統(tǒng)防雷采取三級防護(hù)技術(shù)措施：第一級防護(hù)為外部防護(hù)，主要由接閃器、接地引下線、接地體組成；第二級防護(hù)為過渡防護(hù)，數(shù)據(jù)、控制線室外部分采用屏蔽電纜穿鋼管方式，并進(jìn)行可靠的接地；第三級防護(hù)為內(nèi)部防護(hù)，根據(jù)防雷等電位原理，加裝防雷器。同時系統(tǒng)選用高可靠性和具有高抗干擾能力的通信接口器件，提高自身抗干擾能力，合理的布線和規(guī)范的接地，并對自動控制系統(tǒng)的供電電源采用了三級電涌防雷管，以防感應(yīng)雷擊。

3.其他可靠性設(shè)計措施

（1）采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各LCU在正常狀態(tài)下處于系統(tǒng)的集中指揮下運(yùn)行，但在緊急或故障時，又能獨(dú)立運(yùn)行，個別LCU故障不會對系統(tǒng)和其他LCU構(gòu)成影響。

（2）系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)置看門狗（WatchDog）功能。

（3）對控制命令的發(fā)布規(guī)定操作權(quán)限，命令傳送經(jīng)巡回認(rèn)證，數(shù)據(jù)采集經(jīng)有效性合理性判別和處理，防止誤操作。

六、結(jié)語

新洋港閘自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計起點(diǎn)高、標(biāo)準(zhǔn)高，從幾年來的運(yùn)行實(shí)踐情況看，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，基本滿足設(shè)計要求，達(dá)到閘門啟閉遠(yuǎn)程化、設(shè)備監(jiān)視現(xiàn)場化、值班無人化、值守少人化，該系統(tǒng)的投運(yùn)，進(jìn)一步提高了新洋港閘的自動化控制程度和現(xiàn)代化管理水平■