汾東水系鋼壩閘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小鋒

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 概況

隨著太原市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，尤其是西山、東山采煤活動(dòng)的日益加劇，導(dǎo)致蘭村泉銳減、晉祠泉斷流，城區(qū)河流部分區(qū)段被覆蓋，邊山支溝成了排污渠，嚴(yán)重影響了太原市的生態(tài)環(huán)境和城市面貌，制約著全市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，決定對(duì)東、西山進(jìn)行綠化，對(duì)汾河支流實(shí)施美化整治，以實(shí)現(xiàn)水系連通，清水復(fù)流，恢復(fù)古城青山綠水。隨著太原市環(huán)城水系規(guī)劃的穩(wěn)步推進(jìn)，汾東水系一期清水復(fù)流工程提上議事日程。汾東水系清水復(fù)流工程擬在北沙河3.8 km的河道上設(shè)7座鋼壩閘，在南沙河3.6 km的河道上設(shè)7座鋼壩閘，在北澗河3.5 km的河道上設(shè)5座鋼壩閘。

鋼壩閘是一種可調(diào)控溢流閘門(mén)，由閘墩、帶固定軸的鋼壩閘門(mén)體、啟閉設(shè)備等組成?？梢粤㈤l蓄水，臥閘行洪排澇，壩頂過(guò)水時(shí)，形成人工瀑布景觀。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼壩閘按“無(wú)人值守、集中控制”要求設(shè)計(jì)，集控中心設(shè)在北澗河下游，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控3條河道上的19座鋼壩閘運(yùn)行。系統(tǒng)以“集中控制、分層管理”為原則組成3層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第1層為監(jiān)控中心層。以工業(yè)交換機(jī)為核心，組成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余熱備方式，保證系統(tǒng)有較高的可靠性。每條河與集控中心構(gòu)成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個(gè)光纖斷點(diǎn)或增加、刪除任意一個(gè)設(shè)備時(shí)，通訊仍能正常進(jìn)行，監(jiān)控主機(jī)可進(jìn)行下位機(jī)軟件編程及調(diào)試。

第2層為現(xiàn)地控制層。每座鋼壩閘啟閉機(jī)室設(shè)現(xiàn)地控制站，以西門(mén)子系列S7平臺(tái)對(duì)現(xiàn)地設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)出指令。網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以6類(lèi)雙絞線(xiàn)為傳輸路由，通過(guò)1 000 Mb/s以太網(wǎng)光端機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

第3層為現(xiàn)地設(shè)備層。利用PLC輸入輸出模塊對(duì)控制柜中的啟閉機(jī)起動(dòng)器和其他智能設(shè)備進(jìn)行多點(diǎn)通訊。采用總線(xiàn)電纜通訊方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)離散設(shè)備與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，PLC可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備自動(dòng)控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用西門(mén)子系列編程軟件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享、子站地址分配，對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)程序的控制邏輯進(jìn)行編程。S7-Micro具有豐富易學(xué)的指令集，為操作員提供功能強(qiáng)大、操作方便的人機(jī)界面?？赏瓿上到y(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、顯示電氣參數(shù)、水位和閘門(mén)開(kāi)度，并以圖形或報(bào)表的方式實(shí)時(shí)顯示并記錄、打印事件。

現(xiàn)地控制柜內(nèi)有電機(jī)保護(hù)裝置、控制裝置、電氣測(cè)量裝置、可編程控制器（PLC）、閘門(mén)開(kāi)度顯示儀、液壓系統(tǒng)有關(guān)的其他顯示儀、面板操作單元、電源裝置以及通訊接口單元等。PLC采用帶電熱插拔功能的S7系列模塊，通過(guò)模塊故障自檢功能使故障瞬間反應(yīng)在上位機(jī)系統(tǒng)，極大地提高了鋼壩閘監(jiān)控系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、故障報(bào)警等功能。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

鋼壩閘采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)驅(qū)動(dòng)閘門(mén)底橫軸方式，在啟閉機(jī)控制盤(pán)上設(shè)有閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)裝置及其他智能裝置，可編程控制器采集信息并上傳數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)閘門(mén)工況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。

閘門(mén)正常運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)浪等因素可能引起啟閉機(jī)荷載變化而造成閘門(mén)失速，系統(tǒng)應(yīng)迅速平穩(wěn)地調(diào)整活塞桿速度、油壓等參數(shù)，以免出現(xiàn)沖擊和振動(dòng)。

鋼壩閘啟閉時(shí)兩端油缸行程會(huì)產(chǎn)生一定偏差，很容易造成閘門(mén)卡堵、扭曲變形甚至損壞。因此，油缸行程傳感器專(zhuān)門(mén)檢測(cè)兩端液壓缸的行程偏差，當(dāng)偏差值在15～35 mm之間時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整液壓缸的進(jìn)、出油量，使液壓缸同步。當(dāng)偏差值不小于35 mm時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停止并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)上傳至監(jiān)控中心。

閘門(mén)在預(yù)定位置局部開(kāi)啟泄流時(shí)，應(yīng)由液壓穿軸鎖定系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，使整個(gè)液壓缸卸載。整套穿軸鎖定動(dòng)作可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、操作。閘門(mén)上下端都安裝了限位開(kāi)關(guān)，保證閘門(mén)在全開(kāi)（關(guān)）位置時(shí)運(yùn)行安全。

監(jiān)視啟閉機(jī)投入命令是否執(zhí)行和油泵是否正常運(yùn)行，并把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。

3.3 視頻系統(tǒng)

根據(jù)需要共設(shè)19臺(tái)彩色轉(zhuǎn)黑白高清智能勻速球攝像機(jī)，置于每座鋼壩閘旁。在監(jiān)控中心能控制前端的云臺(tái)和攝像機(jī)鏡頭焦距，可遠(yuǎn)方清晰、直觀監(jiān)視鋼壩閘運(yùn)行及河道蓄水情況。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由光端機(jī)、光纜終端盒、云臺(tái)、云臺(tái)解碼器、視頻矩陣、大屏幕、電視墻、硬盤(pán)錄像機(jī)，攝像機(jī)，視頻線(xiàn)纜等組成。所選攝像機(jī)具有防水防雷、高解晰度CCD及白天不偏色、低照時(shí)噪點(diǎn)小、層次感好等優(yōu)點(diǎn)，能在各種惡劣的環(huán)境下正常工作。并配置了30個(gè)LED進(jìn)行補(bǔ)光，保證了低照時(shí)的圖像效果，且恒流源控制線(xiàn)路充分有效發(fā)揮了LED性能，視頻信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等可同時(shí)在大屏幕或電視墻上顯示，窗口的位置、大小任意移動(dòng)，各窗口之間可以覆蓋、重疊且不受影響。監(jiān)控人員可任意調(diào)取存儲(chǔ)的監(jiān)控圖像，錄像資料的智能化檢索、回放。通過(guò)電子地圖的方式實(shí)時(shí)展現(xiàn)不同河道位置的鋼壩閘分布情況，從而對(duì)鋼壩閘各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理、維護(hù)和輸出進(jìn)行管理，為準(zhǔn)確定位事故點(diǎn)，正確處理事故提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3.4 通訊系統(tǒng)

該通訊系統(tǒng)具有點(diǎn)多、面廣、線(xiàn)長(zhǎng)的特點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)單模百兆冗余光纖接口連接，采用12芯單模光纜，線(xiàn)路全長(zhǎng)21 km。選用集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖象、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)為一體的光電一體化光端機(jī)。光纜在敷設(shè)時(shí)穿鋼管以最大限度地避免雷擊和人為破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)汾東水系鋼壩閘監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確立了該工程高層次的自動(dòng)化水平，為發(fā)揮城市生態(tài)效益和社會(huì)效益打下良好地基礎(chǔ)，對(duì)今后類(lèi)似工程的建設(shè)具有良好的借鑒作用。更重要的是美化了太原市城市水系環(huán)境，提升了城市品味和人民生活質(zhì)量。