安徽省水利閘門(mén)群集中自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳永濤

一、引言

水利工程不僅在防汛、抗旱與搶險(xiǎn)上發(fā)揮關(guān)鍵作用，而且還可以使用先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的科學(xué)管理與合理利用。安徽省水流復(fù)雜、河流眾多、洪澇災(zāi)害頻繁，水利工程建設(shè)管理和防汛抗旱任務(wù)繁重，而水利閘站基本上都使用傳統(tǒng)的控制方式：人工觀測(cè)采集數(shù)據(jù)、報(bào)告運(yùn)行情況、根據(jù)調(diào)度命令進(jìn)行手動(dòng)啟閉閘門(mén)，采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響誤差較大，采集周期長(zhǎng)，而且運(yùn)行、維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)時(shí)、全面地掌握閘門(mén)工作的狀況。

針對(duì)現(xiàn)狀，利用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、視頻技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，依據(jù)“無(wú)人值班、少人值守”的原則，設(shè)計(jì)以PLC為核心的水利閘門(mén)群集中監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)的自動(dòng)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)準(zhǔn)確、可靠和實(shí)時(shí)地進(jìn)行群測(cè)、群控，進(jìn)而可以在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立水流、閘門(mén)等狀況的數(shù)據(jù)庫(kù)，為水資源管理、水利工程應(yīng)用等提供準(zhǔn)確信息，加強(qiáng)水資源統(tǒng)一管理、保障水利持續(xù)發(fā)展、保證防治水害的成果。

二、監(jiān)控系統(tǒng)的組成

閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的組成可分為：?jiǎn)㈤]機(jī)房控制站（現(xiàn)地控制單元）、閘門(mén)控制站（管理站）、中央管理調(diào)度控制室（控制中心）。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它們之間的控制權(quán)可以進(jìn)行切換，并且各種控制間具有嚴(yán)格的安全互鎖邏輯。

現(xiàn)地控制單元主要由啟閉機(jī)、PLC、水位檢測(cè)傳感器、閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)控制裝置、攝像監(jiān)視設(shè)備、電源及保護(hù)裝置、電氣控制柜、操作按鈕、狀態(tài)指示燈等組成，主要完成對(duì)閘門(mén)開(kāi)度及限位狀態(tài)、水位、流量、啟閉機(jī)工作狀態(tài)、電機(jī)工作狀態(tài)、電源設(shè)備的電力參量、設(shè)備工作狀態(tài)等的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、控制、安全監(jiān)視、數(shù)據(jù)通信等。

管理站配置一套閘門(mén)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，主要的任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)地設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)Internet的通信方式與控制中心通信，傳送數(shù)據(jù)信息和視頻信息以及接收控制中心的控制指令。閘門(mén)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與啟閉機(jī)房的PLC連接，能采集并處理數(shù)據(jù)，發(fā)送控制指令，完成現(xiàn)地設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、信號(hào)處理、系統(tǒng)啟動(dòng)/停止命令發(fā)送、設(shè)定值給定、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、報(bào)警、打印等功能。

控制中心是對(duì)操作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)測(cè)、控、管一體化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。一般由服務(wù)器、管理工作站、人機(jī)界面、Internet標(biāo)準(zhǔn)接口以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、打印設(shè)備、電源及UPS、輔助設(shè)備等組成?？刂浦行脑O(shè)有操作員工作站，除完成對(duì)被控對(duì)象的監(jiān)視控制外，還可實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)通信，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心。

三、監(jiān)控系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

1.監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集

閘門(mén)群監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能是：自動(dòng)檢測(cè)閘門(mén)開(kāi)度、閘門(mén)上下游水位和流量，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)提、落、停的自動(dòng)控制。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，要求該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集各閘站的電氣量和非電氣量的數(shù)據(jù)，包括：閘門(mén)上下游水位及流量、閘門(mén)開(kāi)度、啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù)、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù)、配電設(shè)備狀態(tài)等。PLC和監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，對(duì)閘站的設(shè)備準(zhǔn)確的控制，控制的事件主要有：根據(jù)水位和流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)閘門(mén)開(kāi)度進(jìn)行自動(dòng)控制；電機(jī)開(kāi)機(jī)和停機(jī)、事故急停的控制；閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的控制；配電設(shè)備的斷路器進(jìn)行準(zhǔn)確的合閘和跳閘。

2.控制方式

閘門(mén)群監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式可分為：現(xiàn)地控制方式、遠(yuǎn)程控制方式和手動(dòng)控制方式。

現(xiàn)地控制方式就是通過(guò)PLC上的控制按鈕對(duì)閘門(mén)進(jìn)行的控制操作，而且當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)地控制單元出現(xiàn)通信故障或監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)現(xiàn)地控制方式確保閘門(mén)控制的順利進(jìn)行。每個(gè)啟閉機(jī)房的控制室內(nèi)配備一套PLC控制器作為控制的核心，能夠?qū)Ω魉l站的工藝參數(shù)如水位、電量、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，能夠?qū)﹂l站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)等自動(dòng)記錄，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算流量，與此同時(shí)以檢測(cè)到的閘門(mén)位置作為反饋值，并依據(jù)程序里設(shè)定的總流量的值自動(dòng)計(jì)算閘門(mén)開(kāi)啟數(shù)量、開(kāi)度以及開(kāi)啟時(shí)間，達(dá)到閘門(mén)自動(dòng)控制的要求。另外，PLC根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)到的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷，識(shí)別出監(jiān)控過(guò)程中發(fā)生的故障，自動(dòng)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)采取相應(yīng)的聯(lián)鎖控制措施，保護(hù)人身和設(shè)備安全等。

遠(yuǎn)程控制方式是工作人員在控制中心操作站上通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或功能熱鍵發(fā)布控制指令，并通過(guò)Internet通信的方式對(duì)各閘站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，最終達(dá)到閘門(mén)自動(dòng)控制的目的。在遠(yuǎn)程控制方式中，中央管理調(diào)度控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收到各閘站檢測(cè)的參數(shù)數(shù)據(jù)，依據(jù)分水位高低、流量值、總流量要求、運(yùn)行時(shí)間、故障記錄等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)出控制指令，PLC接收到控制命令后及時(shí)、準(zhǔn)確地完成自動(dòng)控制閘門(mén)的相應(yīng)動(dòng)作。

手動(dòng)控制方式是在閘門(mén)檢修或調(diào)試時(shí)，通過(guò)啟閉機(jī)房控制箱上的控制按鈕對(duì)對(duì)閘門(mén)進(jìn)行手動(dòng)控制操作。特別是在PLC或通信發(fā)生故障時(shí)，手動(dòng)控制方式是不可或缺的一個(gè)重要的控制方式。

3.運(yùn)行監(jiān)視

運(yùn)行監(jiān)視有狀態(tài)監(jiān)視、過(guò)程監(jiān)視、參數(shù)越限監(jiān)視和故障監(jiān)視。

過(guò)程監(jiān)視：當(dāng)工作人員下達(dá)閘門(mén)的相應(yīng)控制指令后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)顯示相關(guān)設(shè)備工作的監(jiān)視畫(huà)面。畫(huà)面顯示執(zhí)行過(guò)程中每一步驟的執(zhí)行情況。

狀態(tài)監(jiān)視：系統(tǒng)定時(shí)掃描查詢各種狀態(tài)信號(hào)，自動(dòng)和受控的狀態(tài)變量都可以在顯示器上顯示。一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)信號(hào)出現(xiàn)異常立刻報(bào)警，還要記錄故障類(lèi)型及其發(fā)生時(shí)間，并且提示處理方法。

參數(shù)越限監(jiān)視：系統(tǒng)將對(duì)重要的參數(shù)及數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。可以事先設(shè)定這些參數(shù)值的限制范圍，當(dāng)它們?cè)较迺r(shí)必須及時(shí)地進(jìn)行相應(yīng)處理：越限報(bào)警，自動(dòng)顯示、記錄等。

故障監(jiān)視：系統(tǒng)硬件、軟件發(fā)生故障、錯(cuò)誤時(shí)立即報(bào)警。

4.故障報(bào)警方式

監(jiān)控中心和管理站的監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各閘門(mén)的運(yùn)行情況，如果監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障，立即報(bào)警。報(bào)警方式有：

（1）音響/語(yǔ)音報(bào)警。根據(jù)故障類(lèi)型使用不同的音響報(bào)警，并配以語(yǔ)音信息，音響/語(yǔ)音報(bào)警可設(shè)置為手動(dòng)解除或延時(shí)自動(dòng)解除。

（2）畫(huà)面報(bào)警。當(dāng)有故障時(shí)，報(bào)警畫(huà)面中的相應(yīng)故障類(lèi)型產(chǎn)生閃爍提示；當(dāng)故障消失時(shí)，會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)；當(dāng)確認(rèn)故障處理完畢后，可以手動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。而且能夠自動(dòng)記錄報(bào)警的發(fā)生時(shí)間、內(nèi)容等，并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，形成故障事件記錄文件匯總，以供工作人員方便查詢。

5.人機(jī)界面

現(xiàn)地控制單元通過(guò)PLC上的操作面板和LCD顯示屏進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系。

監(jiān)控中心和管理站通過(guò)顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、視頻監(jiān)視屏幕、打印機(jī)等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系，以便工作人員對(duì)閘門(mén)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

顯示器可以顯示閘站的各種設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)等，以數(shù)字、文字、圖形、表格等形式組織畫(huà)面并動(dòng)態(tài)顯示。顯示畫(huà)面帶有時(shí)間顯示和必要的說(shuō)明文字來(lái)表示閘門(mén)的運(yùn)行狀況，并在設(shè)備狀態(tài)變化或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)向工作人員提供詳細(xì)的、準(zhǔn)確的信息。

工作人員通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的操作和視頻監(jiān)視屏幕可以查看閘站的各種信息和下達(dá)控制指令，使監(jiān)控中心與各閘門(mén)管理站和現(xiàn)地控制單元進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合，發(fā)揮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)體現(xiàn)最大效用。

打印機(jī)打印的主要內(nèi)容為報(bào)警事件記錄，操作記錄，記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及各種定期報(bào)表等，配合上級(jí)部門(mén)的監(jiān)督管理。

四、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)水利現(xiàn)代化的發(fā)展和資源調(diào)度自動(dòng)化的要求，設(shè)計(jì)了水利閘門(mén)群自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該閘門(mén)群自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信能力、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，能夠準(zhǔn)確、可靠和實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)、管理和監(jiān)控。通過(guò)現(xiàn)地自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制等控制方式，使得閘門(mén)在啟閉的控制過(guò)程中顯得更加靈活、可靠，可以滿足在信息化、自動(dòng)化、可視化等方面的要求