民生渠首工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)

晏峻峰

（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆喀什 844000）

1 概述

民生渠首是葉爾羌河流域重要的控制性樞紐工程，是實(shí)現(xiàn)引、排目標(biāo)的重要控制建筑物。該工程具有規(guī)模大、重要設(shè)施繁多、管理涉及面廣等特點(diǎn)。民生渠首工程共設(shè)閘門(mén)14孔，其中，泄洪閘門(mén)10孔，每孔凈寬10 m，進(jìn)水閘門(mén)共4孔，每孔凈寬5 m。閘門(mén)型式均為平板鋼閘門(mén)。閘室上布置有工作橋、啟閉機(jī)閘房、交通橋和檢修橋。

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)該渠首的性質(zhì)和作用，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有以下功能：

1）數(shù)據(jù)采集：渠首閘門(mén)上、下游水位實(shí)時(shí)采集;閘門(mén)具備監(jiān)控和常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能。

2）閘門(mén)啟閉機(jī)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停機(jī)控制。

3）系統(tǒng)具備故障自檢功能和水位及閘門(mén)超限告警功能。

4）系統(tǒng)具有防雷避雷措施以及系統(tǒng)設(shè)備具備一定的抗外部干擾能力。

5）對(duì)14孔閘門(mén)拉桿和啟閉機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視。

6）渠首上、下游1 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控監(jiān)視。

3 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

民生渠首閘門(mén)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中心控制室緊靠進(jìn)水閘閘房。控制中心完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理，集中監(jiān)視，統(tǒng)一控制調(diào)度功能。內(nèi)設(shè)大調(diào)度屏，模擬顯示系統(tǒng)工程的布局和監(jiān)視點(diǎn)的工況及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，增加系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行的直觀性。

3.1 渠首閘門(mén)上、下游水位、流量實(shí)時(shí)采集

本方案將閘上、下游實(shí)時(shí)采集設(shè)計(jì)為獨(dú)立子系統(tǒng);采用連續(xù)工作方式。在渠首閘門(mén)上、下游100～200 m范圍內(nèi)分別安裝兩臺(tái)WSH型氣介式超聲遙測(cè)水位計(jì)，并在3處進(jìn)水閘渠道200～300 m范圍內(nèi)分別安裝1臺(tái)LBX-7型渾水流量計(jì)。該數(shù)據(jù)用485通信方式（最大傳輸距離1 200 m）送系統(tǒng)控制中心水位、流量監(jiān)測(cè)前置機(jī)。系統(tǒng)控制中心顯示屏實(shí)時(shí)反映上、下游水位和水位差數(shù)據(jù)及進(jìn)水閘流量情況。

3.2 閘門(mén)監(jiān)控子系統(tǒng)

采用1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC（可編程控制器）控制單元組成。4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制單元分設(shè)在進(jìn)水閘及泄洪閘閘室內(nèi)。分別對(duì)4孔進(jìn)水閘門(mén)，10孔泄洪閘門(mén)進(jìn)行測(cè)量和控制。監(jiān)測(cè)采集的量包括：閘門(mén)開(kāi)度、監(jiān)控反饋信號(hào)、電壓監(jiān)視。

3.3 工業(yè)監(jiān)視

每孔閘門(mén)的閘室內(nèi)裝設(shè)1臺(tái)定焦彩色攝像機(jī)，監(jiān)視閘門(mén)拉桿和啟閉機(jī)的工作。另在閘房上層建4個(gè)了望臺(tái)，分別安裝1臺(tái)全方位遙控變焦彩色攝像機(jī)，用以監(jiān)視閘上、下游1 000 m范圍及閘區(qū)內(nèi)的情況。配備集彩色攝像、全方位云臺(tái)、防塵防潮保護(hù)罩為一體的可變焦一體化彩色攝像機(jī)。通過(guò)如上的設(shè)備配置，控制室監(jiān)控中心就能夠通過(guò)監(jiān)視器有效的對(duì)閘站、及周邊地區(qū)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)視，了解閘站及周邊地區(qū)監(jiān)視范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)情況，真正實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。

所有的視頻信號(hào)通過(guò)國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)同軸電纜傳輸至控制中心室。在控制中心室設(shè)置：

1）2臺(tái)8畫(huà)面分割器。每臺(tái)畫(huà)面分割器可同時(shí)監(jiān)視8畫(huà)面，也可選單幅畫(huà)面放大顯示。用于顯示來(lái)自前端14路監(jiān)控點(diǎn)圖像的畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)14孔閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視畫(huà)面一同實(shí)時(shí)顯示。

2）配置一臺(tái)視頻矩陣切換系統(tǒng)。主要用于視頻圖像的切換和管理。

3）1臺(tái)長(zhǎng)延時(shí)錄象機(jī)即能夠?qū)χ匾那榫斑M(jìn)行自動(dòng)錄像。使重要的場(chǎng)景能夠進(jìn)行回放，便于瀏覽和觀看。

4）1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)使所有與該機(jī)連接的計(jì)算機(jī)均能互相顯示，以使整個(gè)系統(tǒng)易于管理和控制。

5）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器;圖像控制主機(jī);水位、流量監(jiān)測(cè)前置機(jī);閘門(mén)、水情工作站;閘門(mén)控制前置機(jī)。主要用于對(duì)控制信號(hào)和視頻信號(hào)進(jìn)行顯示、管理和控制等，同時(shí)內(nèi)插RS-485卡，使相關(guān)的具有RS-485接口的設(shè)備都能夠連接同一條總線上運(yùn)行，專門(mén)用于圖像處理。每臺(tái)機(jī)均內(nèi)置網(wǎng)卡，使任意1臺(tái)計(jì)算機(jī)所顯示、控制及管理的信息，在其它計(jì)算機(jī)上都能顯示，以便控制和管理。

6）圖像處理卡。內(nèi)插在圖像控制主機(jī)內(nèi)，進(jìn)行視頻信號(hào)的處理，既能夠視頻壓縮，又能夠解壓縮，同時(shí)也能夠?qū)嚎s的視頻信號(hào)通過(guò)WAN/LAN、ISDN、DDN電話線等方式進(jìn)行傳輸。

7）大屏幕。主要用來(lái)顯示渠首上下游水情數(shù)據(jù)、閘門(mén)監(jiān)控的數(shù)據(jù)和由攝像頭傳回的閘門(mén)開(kāi)閉的圖像。

8）監(jiān)視器。專門(mén)用來(lái)顯示攝像頭傳回的閘門(mén)開(kāi)閉的圖像。

9）不間斷電源。在停電情況下仍能給比較重要的設(shè)備供電。

10）控制臺(tái)。根據(jù)中心設(shè)備尺寸和形狀定制1臺(tái)控制臺(tái)，將監(jiān)控中心的所有相關(guān)設(shè)備都安裝在控制臺(tái)里且顏色與所有設(shè)備搭配協(xié)調(diào)，這樣監(jiān)控中心就顯得整潔、美觀以及具有較高的實(shí)用性和較高的可維護(hù)性等特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)傳輸

本體統(tǒng)中心站與4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的通信距離在300 m以上，最大通信距離為700 m。而現(xiàn)場(chǎng)施工條件不具備，本系統(tǒng)用485通信方式。每個(gè)MODICON TSX COMPACT控制器通過(guò)RS-232/485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)指令傳輸。

系統(tǒng)的傳輸分布于各個(gè)攝像點(diǎn)、報(bào)警點(diǎn)和監(jiān)控中心之間，主要完成視頻信號(hào)、控制信號(hào)的傳送。

5 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

5.1 本系統(tǒng)的設(shè)備平均無(wú)故障工作時(shí)間

中心站控制機(jī)MTBF＞20 000 h;

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備MTBF＞40 000 h;

視頻監(jiān)視設(shè)備MTBF＞20 000 h。

5.2 可靠性設(shè)計(jì)

為使系統(tǒng)的可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、安裝、使用維護(hù)等方面采取了很多措施。本系統(tǒng)設(shè)備絕大多數(shù)使用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)有備份，發(fā)生故障時(shí)其修復(fù)時(shí)間都不會(huì)超過(guò)2 h。

5.3 防雷安全措施

中心站電源上設(shè)置電源避雷器，其接地端與避雷地網(wǎng)良好連接。電源設(shè)備具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

5.4 除控制軟件保障措施外，在閘門(mén)運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)置完善的閘門(mén)繼保措施

1）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)裝置上安裝過(guò)流繼電器、過(guò)壓繼電器、過(guò)熱繼電器。

2）閘門(mén)安裝上限行程開(kāi)關(guān)，防止閘門(mén)越位造成損壞。

5.5 應(yīng)急突發(fā)事件

為了處置突發(fā)事件，在控制中心設(shè)置人動(dòng)急停按鈕，可緊急切斷閘門(mén)的工作電源，防止故障的擴(kuò)大。

6 軟件可靠性設(shè)計(jì)

6.1 軟件可靠性設(shè)計(jì)

軟件分為中心站監(jiān)控軟件和PLC控制軟件，PLC控制軟件用梯形邏輯圖編寫(xiě)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多種連鎖，當(dāng)出現(xiàn)控制閘門(mén)不同步、卡滯、自動(dòng)下落、越速等故障時(shí)，均能發(fā)出故障告警并立即停機(jī)。中心站監(jiān)控軟件當(dāng)發(fā)出閘門(mén)啟閉命令時(shí)，PLC采用多數(shù)表決法和數(shù)據(jù)的合理性判決數(shù)據(jù)的正確性，并返回中心站得到認(rèn)可后方可進(jìn)行閘門(mén)的啟閉操作。

閘位計(jì)的采樣采用數(shù)字濾波的方式以消除編碼器的誤碼。

系統(tǒng)的操作方式多樣，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行方式—手動(dòng)及自動(dòng)。操作既可在中心站監(jiān)控站操作，也可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，當(dāng)在檢修或意外情況下，就可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作。

由于控制軟件采用可編程序控制器提供的專用梯形邏輯圖編寫(xiě)，監(jiān)控軟件用專用組態(tài)軟件編程，使軟件只可能出現(xiàn)容易發(fā)現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤，不會(huì)出現(xiàn)不宜發(fā)現(xiàn)的編程錯(cuò)誤。由于系統(tǒng)軟件用的是專用工具軟件編程，不但軟件的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，而且工具軟件各種的可靠性措施能有效地防止由于程序飛掉而造成的死機(jī)現(xiàn)象的出現(xiàn)，大大地提高了系統(tǒng)軟件的可靠性。

人機(jī)界面中文化。人機(jī)聯(lián)系原則，是充分利用了具有被控對(duì)象的顯示畫(huà)面、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)及畫(huà)面對(duì)話區(qū)提示三者相結(jié)合的方式。操作過(guò)程有必要的可靠校核及閉鎖，對(duì)不同的操作管理人員提供不同的安全操作等級(jí)和權(quán)限。

具有軟件、硬件的監(jiān)控定時(shí)器（看門(mén)狗）功能。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的控制軟件用組態(tài)軟件編寫(xiě)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件按人工指令與自動(dòng)判斷互校的方法設(shè)計(jì)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制互鎖。上電、斷電和電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換均設(shè)延時(shí)保護(hù);在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)閘門(mén)卡滯的監(jiān)視始終跟隨，一旦故障發(fā)生就自動(dòng)停機(jī)。

6.2 人機(jī)對(duì)話

調(diào)水人員通過(guò)主控計(jì)算機(jī)的各類(lèi)畫(huà)面，監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)下達(dá)控制操作命令，完成閘門(mén)監(jiān)控任務(wù)。畫(huà)面顯示清晰，調(diào)用速度快。

6.3 系統(tǒng)的可擴(kuò)性

系統(tǒng)的配制上充分考慮今后的站點(diǎn)擴(kuò)充、功能增加，便于今后與渠首內(nèi)其他自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

軟件設(shè)計(jì)上充分考慮各類(lèi)記錄報(bào)表、顯示畫(huà)面的增減。

6.4 現(xiàn)地監(jiān)控單元

1）接收上位機(jī)調(diào)度運(yùn)行命令，發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)采集的各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)與狀態(tài)信號(hào)。

2）根據(jù)上位機(jī)指令可進(jìn)行14孔閘門(mén)中幾孔閘門(mén)的群控和單孔閘門(mén)控制功能。

6.5 工業(yè)監(jiān)視

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件主要用于對(duì)系統(tǒng)中的所有監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)的三可變鏡頭、云臺(tái)、8畫(huà)面分割器、長(zhǎng)延時(shí)錄像機(jī)等設(shè)備狀態(tài)實(shí)施檢測(cè)和控制。中文顯示，為用戶提供了一個(gè)方便、友好的操作界面。系統(tǒng)操作和控制主界面就會(huì)出現(xiàn)各種圖像操作和控制信息，操作用戶即可根據(jù)自己被設(shè)定的權(quán)限對(duì)圖像進(jìn)行各種操作，包括圖像可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定的時(shí)間在設(shè)置好的顯示終端設(shè)備上顯示并能進(jìn)行自動(dòng)切換，顯示不同監(jiān)控點(diǎn)的圖像，同時(shí)計(jì)算機(jī)可對(duì)監(jiān)控點(diǎn)三可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈，全方位云臺(tái)的上、下、左、右進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制和操作，且每個(gè)全方位攝像點(diǎn)的攝像機(jī)可以設(shè)定為自動(dòng)掃描方式，即攝像機(jī)通過(guò)全方位云臺(tái)進(jìn)行上下左右來(lái)回掃描，及時(shí)掌握各監(jiān)控點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的運(yùn)行情況、圖像記錄、檢索和處理、多畫(huà)面分割、圖像存儲(chǔ)與回放等多功能。

7 結(jié)束語(yǔ)

閘門(mén)控制監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制技術(shù)，要求系統(tǒng)設(shè)備的管理人員應(yīng)具有一定的專業(yè)技術(shù)知識(shí)。因此建設(shè)方為系統(tǒng)管理最少配備以下專業(yè)人員：電子專業(yè)1名，計(jì)算機(jī)專業(yè)1名，維護(hù)操作人員1名。并對(duì)系統(tǒng)管理人員進(jìn)行必要的培訓(xùn)，使他們了解系統(tǒng)的基本原理、設(shè)備使用方法和必要的維護(hù)技能。系統(tǒng)運(yùn)行中還須建立科學(xué)管理的規(guī)章制度。這些措施對(duì)保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行是不可缺少的。

[1]王東，潘洪健.節(jié)水灌溉自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在江東灌區(qū)的建設(shè)及應(yīng)用[J]. 黑龍江水利科技，2005，33（6）：131.