水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的組成及關(guān)鍵設(shè)計(jì)

宋春杰 王輝

摘 要:利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)建立水閘監(jiān)控系統(tǒng),對實(shí)現(xiàn)水閘的高效的集中控制和管理有重要影響。論文首先分析了水閘監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況,指出了實(shí)施水閘自動化監(jiān)控的必要性,并分析了系統(tǒng)的組成,最后探討了水閘自動化監(jiān)控的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:水閘自動化 監(jiān)控系統(tǒng) 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

中圖分類號:TV66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0033-02

水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施不僅有利于對閘門、泵站等工程準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行監(jiān)測和控制,繼而將水情、閘門工況和運(yùn)行狀態(tài)等信息共享,建立實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫供流域機(jī)構(gòu)及有關(guān)部門監(jiān)督和分析統(tǒng)計(jì)而且能夠?qū)Ψ乐嗡?、加?qiáng)水資源統(tǒng)一管理、降低運(yùn)行成本、保障水利持續(xù)發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的意義。因此,論文結(jié)合上海奉賢區(qū)水閘的自動化監(jiān)控管理為例探討這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。

1水閘監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況

現(xiàn)有的水閘監(jiān)控系統(tǒng)一般采取分布式控制系統(tǒng)(DCS)結(jié)構(gòu),在一定程度上提高了系統(tǒng)的自動化程度和設(shè)備的可靠性,但是由于水閘所處的工作環(huán)境普遍比較惡劣,其液壓系統(tǒng)、傳感設(shè)備裝置等元器件老化較快,經(jīng)常出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象,信息一般沒有數(shù)字化,更沒有進(jìn)行存儲,因此,集控系統(tǒng)平臺上缺乏設(shè)備及系統(tǒng)健康狀態(tài)信息,從設(shè)備的檢修維護(hù)方面看,現(xiàn)有的水閘監(jiān)控系統(tǒng)基本上還是采取事后維修,或者定期檢修這樣較為傳統(tǒng)的檢修維護(hù)策略,而在技術(shù)管理領(lǐng)域基本上還處于空白階段,沒有進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、實(shí)施,因此,將控制、維護(hù)和技術(shù)管理集成系統(tǒng)應(yīng)用于水利自動化系統(tǒng),形成水利樞紐集成自動化系統(tǒng),可以在很大程度上提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,保證控制命令的正確執(zhí)行。為了提高水利工程效益和管理水平,精簡管理人員,適應(yīng)現(xiàn)代化水利的要求,必須利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動化監(jiān)控技術(shù)形成水利閘門控制、維護(hù)和技術(shù)管理綜合集成自動化系統(tǒng)。通過對水利樞紐閘門系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控,可以提高調(diào)度運(yùn)行響應(yīng)速度和能力,實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化調(diào)度,充分發(fā)揮水利樞紐工程信息在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中的作用。

2水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的組成

上海奉賢區(qū)水閘自動化控制系統(tǒng)可按以下方案設(shè)置:區(qū)水閘管理所作為遠(yuǎn)程控制的總站（區(qū)防汛辦可作為總監(jiān)視站）,金北水閘、白廟水閘、南橫涇水閘、南竹港水閘、南沙港水閘、巨潮水閘、千步?jīng)芩l、浦南運(yùn)河西閘、南竹港出海閘、金南水閘、南門港水閘、中港水閘這12座水閘作為下設(shè)的12個站,每個分站可設(shè)中央控制室、中央控制室下又可設(shè)幾個現(xiàn)場工作站。若小型節(jié)制閘可只設(shè)現(xiàn)場工作站,不設(shè)中央控制室。水閘管理調(diào)度自動化系統(tǒng)是先進(jìn)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng),它是利用遙測遙控技術(shù),各種媒體數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)的系統(tǒng)軟件編程來實(shí)現(xiàn)對水閘運(yùn)行的監(jiān)視和控制,能自動采集系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)參數(shù),同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)閘門運(yùn)行狀況和水情變化,按照水利工程調(diào)度運(yùn)行方案,實(shí)時(shí)做出調(diào)度方案,并監(jiān)控閘門予以執(zhí)行,實(shí)行水閘調(diào)度與監(jiān)控自動化。各分站的閘門監(jiān)控管理自動化系統(tǒng)由二大部分組成:計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)又分為二部分:（1）中央控制室。通過網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)線由現(xiàn)場工作站的可編程序控制器PLC傳輸實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)變化情況和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。（2）現(xiàn)場工作站,由可編程序控制器和上位計(jì)算機(jī)及現(xiàn)場檢測儀表以及機(jī)械設(shè)備故障報(bào)警器等組成。①可編程序控制器PLC主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場閘門運(yùn)行參數(shù)的采集和設(shè)備的控制。如電流、電壓、閘前后的水位和閘門狀態(tài)以及設(shè)備完好情況的檢測和閘門開、關(guān)的控制等。②PLC上位計(jì)算機(jī)通過RS232或RS485串行口與PLC進(jìn)行通信收集PLC最新采集的數(shù)據(jù),包括電壓、電流,閘前后的水位和油壓,閘門開關(guān)狀態(tài)以及設(shè)備完好情況等,并把以上的這些數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)監(jiān)示器上供工作人員控制時(shí)參考和決策。③機(jī)械設(shè)備故障報(bào)警?？梢苑咒摻z繩松懈報(bào)警、閘門撐死報(bào)警、閘門沖頂報(bào)警、閘門上下限位超越報(bào)警、閘門關(guān)不到位報(bào)警、啟閉機(jī)剎車失靈報(bào)警、擱門器位置不正常報(bào)警、電源缺相（欠壓、過壓）報(bào)警、閘門關(guān)閉過程中有船只報(bào)警、高水位或低水位報(bào)警、超高船只限制進(jìn)閘報(bào)警等等。

2.2 圖像監(jiān)控系統(tǒng)

為了監(jiān)視閘群內(nèi)外的現(xiàn)場狀況,便于及時(shí)掌握了解水閘閘室內(nèi)外船只情況和閘門運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行軌跡以及水閘區(qū)域內(nèi)的各種實(shí)時(shí)情況,完成對閘區(qū)的覆蓋式監(jiān)控。各分站的圖像監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、監(jiān)視器、視頻切換器、漢字字符發(fā)生器、數(shù)字硬盤機(jī)、高速球攝像機(jī)、解碼器等組成。具體分為中央控制室和前置攝像機(jī)二部份。中央控制室由控制設(shè)備（控制機(jī)和視頻切換器組成）、記錄設(shè)備（由一臺數(shù)字硬盤錄像機(jī)來完成,具體位數(shù)根據(jù)實(shí)際所需來布置）和顯示設(shè)備（具體彩色監(jiān)視器根據(jù)實(shí)際需要來選擇多少臺）組成。前置攝像機(jī)部份是由攝像機(jī)把攝入的圖像變換成視頻信號,把水面來往船只情況及時(shí)傳送給中控室視頻切換器,由視頻切換器的輸出通道傳送至監(jiān)視器圖像監(jiān)控系統(tǒng),主控制器圖像的視頻信號通過漢字字符發(fā)生器把圖像視頻信號疊加了漢字,然后通過視頻分配器傳送給數(shù)字硬盤錄像機(jī)。硬盤錄像機(jī)根據(jù)功能大小可錄制多路圖像,可同時(shí)顯示多路或單路實(shí)時(shí)圖像,在回放圖像的同時(shí),可錄制現(xiàn)場攝入的圖像,只要輸入日期就可顯示歷史圖像資料,便于隨時(shí)查詢。通過網(wǎng)卡,可在網(wǎng)上傳輸圖像。

3水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

3.1 全自動功能控制及輔助手動控制

一是船閘智能全自動控制的實(shí)施。由PLC監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各閘以往積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來編制運(yùn)行控制程序所有運(yùn)行參數(shù),開關(guān)閘采用定時(shí)方式和點(diǎn)動方式二種:(1)計(jì)算機(jī)控制方式為全自動,由PLC檢測閘室內(nèi)外水位、機(jī)電設(shè)備完好狀況,PLC不斷檢測各種即將運(yùn)行的設(shè)備完好情況,等關(guān)閘條件具備時(shí)PLC再次檢察閘門內(nèi)外的水位,提前數(shù)分鐘用語音音響等設(shè)備告訴閘室內(nèi)外的船員“水閘馬上要關(guān)閘,請船員注意安全”連續(xù)發(fā)3～5次,并在工作室或中控室同步發(fā)出聲音,提示崗位操作人員在圖像監(jiān)控系統(tǒng)的畫面上觀察河面上船只過閘情況,同時(shí)PLC進(jìn)一步檢測設(shè)備完好狀況,供電正常,PLC啟動程序開始關(guān)閘,關(guān)閘時(shí)PLC再次檢測起閉機(jī)的電流、電壓,如異常,則取消程序,如一切正常,閘門則徐徐落下,直到關(guān)到底時(shí)發(fā)出關(guān)足信號,PLC立即停止起閉機(jī)工作,關(guān)閉過程結(jié)束。如果在關(guān)閘過程中,攝像機(jī)檢測到閘前發(fā)現(xiàn)船只,攝像機(jī)立即進(jìn)行報(bào)警,PLC收到報(bào)警信號后立即停止啟閉機(jī)工作,閘門停止,待船只避開危險(xiǎn)區(qū)后關(guān)閘進(jìn)一步進(jìn)行。開閘時(shí),PLC根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的允許范圍開閘。（內(nèi)外水位允許值內(nèi)可一次開閘到位,內(nèi)外水位差超過允許值時(shí),根據(jù)設(shè)定值分幾次提升,提升次數(shù)與水位差成正比,水位差越大,提升次數(shù)越多。(2）點(diǎn)動方式是現(xiàn)場操作人員手動控制,即用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)正面圖形上點(diǎn)控,完成開關(guān)閘的人工控制。

二是節(jié)制閘智能全自動控制的實(shí)施。控制按設(shè)定日期（陰歷）和設(shè)定內(nèi)河水位參數(shù)控制值進(jìn)行自動引排水。即根據(jù)每月的引排表水日期表,自動根據(jù)閘外水位,漲潮時(shí)自動引水3h～4h或者至閘外水位落潮前自動停止引水,當(dāng)內(nèi)河水位低于參數(shù)值時(shí),自動引水,高于參數(shù)值時(shí)自動排水。開啟閘門時(shí),由PLC檢測當(dāng)前設(shè)備完好情況,再檢查供電電源,由圖像監(jiān)控系統(tǒng)檢查河面上船只情況和有無大的漂浮物,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警進(jìn)行緊急處理關(guān)小或關(guān)閉閘門等事件處理后再開閘引水或排澇。節(jié)制閘門開啟高度的控制值由流量、流速儀器根據(jù)設(shè)定參數(shù)通過PLC自動控制閘門開啟高度值,優(yōu)先保證水工建筑物的安全性。

最后是輔助手動控制:控制室安置PLC和上位機(jī),啟閉機(jī)房作為分路安置就地控制箱（與RTU柜合二為一）,通過分站的電腦操作屏手動控制,便于在調(diào)試或維修時(shí)操作。

3.2 信息收集與傳輸

系統(tǒng)信息的收集是由可編程序控制器PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場閘門運(yùn)行參數(shù)的采集。即PLC通過模擬量和開關(guān)量輸入模塊與水位變送器,電流電壓變送器以及閘門開關(guān)狀態(tài)和機(jī)械設(shè)備完好情況等信號進(jìn)行聯(lián)接,不斷采集這些信號,并存入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,PLC通過RS232或RS485通信接口上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)接,通過以太網(wǎng)通信口與中控室主機(jī)的通信口進(jìn)行聯(lián)接,接受上位計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的命令,并把PLC最新采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),PLC接收上位機(jī)的命令,通過開關(guān)量輸出模塊來控制閘門的開關(guān)動作。

3.3 遠(yuǎn)程控制的實(shí)施

目前各分站可采用寬帶網(wǎng)的通訊方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò),各分站把收集的各種數(shù)據(jù)信息通過寬帶網(wǎng)傳輸?shù)娇傉緟^(qū)水閘管理所的中央控制室,這樣總站既能監(jiān)控到各分站所在水閘的調(diào)度運(yùn)行情況,又能傳輸入命令直接調(diào)度運(yùn)行,區(qū)防汛辦可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.4 系統(tǒng)保護(hù)措施研究

（1）防雷保護(hù)。本系統(tǒng)采取了以下防雷保護(hù)措施:環(huán)境防雷:配設(shè)避雷針、避雷帶以及地網(wǎng)系統(tǒng),防止直擊雷的破壞;動力電源防雷:在電源總?cè)肟谔幍娜鄤恿€上,安裝大電流“電源防浪涌保護(hù)器”,防止直擊雷或感應(yīng)雷經(jīng)動力電源線串入監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)防雷:在數(shù)據(jù)線接口處加裝“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)避雷器”,裸露于室外的設(shè)備外殼加屏蔽罩并可靠接地。

（2）接地保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)接地防干擾。良好的接地可以減少由控制柜和大地之間的電位差引起的干擾電流,減少混入電源和輸入信號的干擾,可以防止由漏電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。閘門控制系統(tǒng)接地應(yīng)遵守的原則是:采用一點(diǎn)接地、信號地線和功率地線分開。

4結(jié)語

總之,隨著“無人值班,少人值守”這一運(yùn)行模式在水電站的提出,水電站、水利樞紐的自動控制也迫切要求設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出可靠性高、性價(jià)比好的閘門監(jiān)控系統(tǒng)。本文根據(jù)上海奉賢區(qū)水閘自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀,制定了的閘門監(jiān)控系統(tǒng)控制方案,重點(diǎn)探討了其關(guān)鍵設(shè)計(jì),希望對業(yè)內(nèi)人士提供理論依據(jù)。

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