江陰沿江閘站監(jiān)控管理系統(tǒng)技術(shù)改造研究

繆岳軍，馮 明

（江陰市江港堤閘管理處，江蘇 江陰 214431）

0 引言

江陰市江港堤閘管理處（以下簡稱管理處）下轄沿江 11 座引排水套閘、城區(qū) 3 座泵站等水利工程。這些水利工程在防洪、排澇、灌溉、通航、調(diào)節(jié)內(nèi)河水質(zhì)等方面發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。隨著國民經(jīng)濟不斷的發(fā)展，對水利工程管理要求的不斷提高，原有的基于電話、文件等人工管理手段，已不能適應(yīng)社會和經(jīng)濟的發(fā)展要求。自 2006 年以來，管理處對下屬閘站進(jìn)行技術(shù)改造，建設(shè)了水利工程遙測及遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了水情、氣象、閘門、泵機、視頻等信息，實現(xiàn)了沿江站群的智能調(diào)度。

1 主要改造技術(shù)研究

1.1 系統(tǒng)可靠性控制

1.1.1 閘門啟閉控制

閘門控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了繼電器邏輯控制、集成電路邏輯控制和計算機與 PLC 技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的控制3 個階段[1]。改造前的閘門控制采用 PLC 控制，PLC實時測量閘門開啟高度、上下位置限位和電機功率等信號，根據(jù)設(shè)定的開啟高度目標(biāo)，控制電機運行，實時測量當(dāng)前閘門開啟高度，形成閉路的閘門啟閉控制，并利用上下位置限位信號，實現(xiàn)在線保護[2]。

上下位置限位信號傳感器有多種類型，主要有導(dǎo)軌式和齒輪傳動式限位器。在實際使用中，主要存在以下問題：

1）齒輪傳動式限位器和卷揚機連接的連接鏈條，較容易脫落，造成限位器不起作用；

2）齒輪傳動式限位器位置信號異常，表現(xiàn)在位置信號不正確，如要求在 5.0 m 產(chǎn)生限位信號，但有時在 4.5 m 就發(fā)出限位信號；

3）安裝齒輪傳動式限位器時，需要附加固定限位器的機械裝置，安裝復(fù)雜；

4）導(dǎo)軌式限位器器件故障，主要表現(xiàn)在開關(guān)信號失效。

根據(jù)對 2 種限位信號傳感器的安裝固定、使用維護等方面的研究，將齒輪傳動式限位器全部改成導(dǎo)軌式限位器。針對導(dǎo)軌式限位器開關(guān)信號失效的問題，同時避免在控制部分可能出現(xiàn)的問題，增加了第 2 個導(dǎo)軌式限位器。其中第 1 個導(dǎo)軌式限位器信號接入 PLC，供 PLC 作為限位信號使用 ；第 2 個限位信號串入卷揚機電源控制，即當(dāng)發(fā)生第 2 個限位器信號時，自動切掉卷揚機電源。

采用該方案，在保留原有閘門閉路控制、上下位置限位及卷揚機電流過載保護的基礎(chǔ)上，增加了對卷揚機電源的硬件保護方案，不需要修改原 PLC 控制部分的電路及程序，提高了閘門控制的可靠性。

在改造后的幾年的實際運行中，江陰沿江各閘站未再發(fā)生閘門啟閉事故。

1.1.2 水位測量

江陰沿江各閘站的水位測量設(shè)備，有壓力式和浮子式 2 種水位計，根據(jù)現(xiàn)場條件的不同，分 3 種工作模式：

1）測量閘室內(nèi)部的水位，采用壓力式水位傳感器；

2）測量上下游水位，閘站現(xiàn)場有孔槽的，采用直徑為 120 mm 的厚壁 PVC 管安裝浮子式水位計；

3）測量上下游水位，閘站現(xiàn)場沒有孔槽的，采用直徑為 300 mm 的厚壁 PE 波紋管，安裝在河道駁岸上，用浮子式水位計測量水位。

實際使用中發(fā)現(xiàn)的問題及解決措施如下：

1）壓力式水位計。在進(jìn)行閘室水位測量時，由于船只進(jìn)出帶來的干擾，造成水位波動很大，有時水位實際變幅在 10 cm 內(nèi)時，測量結(jié)果有可能為20 cm 左右。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，船只在閘室內(nèi)部的運動，對壓力式水位計的影響較大，為此，在壓力式水位計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，采用延長數(shù)據(jù)采集時間，去掉最高、最低數(shù)據(jù)，然后取均值的方法，這樣得到的測量數(shù)據(jù)，與實際情況比較一致。

2）浮子式水位計。江陰沿江潮位變化快，水位變化頻繁，為防止堵塞，原水位測井開的透水孔很大。經(jīng)多次進(jìn)行測井不同孔徑比的試驗，發(fā)現(xiàn) 1∶24的測井孔徑比，測得的水位，既達(dá)到最佳的消浪效果，又可以反映實際的水位變化情況。

為實現(xiàn)對運行水位的長期比對和核查，在水位自動采集的基礎(chǔ)上，輔助以視頻監(jiān)控，對水位進(jìn)行校核，可解決水位計打滑等造成的誤差。

1.2 系統(tǒng)防雷

江陰沿江各測站主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

測站電源采用 220V 供電，即 RTU 等設(shè)備及LED 顯示屏均采用 220V 供電，顯示屏、水位計、閘位計與 RTU 采用 485 信號連接。

江陰各閘站沿江布設(shè)，經(jīng)分析，主要存在以下雷電傳導(dǎo)途徑：

1） 經(jīng)穩(wěn)壓電源傳導(dǎo)的雷擊信號，主要表現(xiàn)為損壞穩(wěn)壓電源和 RTU 主模塊；

2） 經(jīng)顯示屏傳導(dǎo)的雷擊信號，主要表現(xiàn)為顯示屏和 RTU485 接口損壞；

3）水面經(jīng)過閘位計傳導(dǎo)的雷擊信號，主要表現(xiàn)為閘位計及 RTU485 接口損壞；

圖1 測站結(jié)構(gòu)圖

4）水面經(jīng)過水位計傳導(dǎo)的雷擊信號，主要表現(xiàn)為水位計及 RTU485 接口損壞。

現(xiàn)代防雷主要手段有攔截、隔離、屏蔽、均壓、分流、接地等手段[3]，經(jīng)分析，經(jīng)閘位計傳導(dǎo)的雷擊信號主要是，水面通過閘門，經(jīng)閘門傳導(dǎo)到閘位計，進(jìn)而傳導(dǎo)到測量系統(tǒng)；經(jīng)水位計傳導(dǎo)的雷擊信號主要是，水面通過鋼絲繩傳入水位計，進(jìn)而傳導(dǎo)到測量系統(tǒng)。

根據(jù)分析，改造時采取以下隔離措施：

1）在穩(wěn)壓電源和 LED 本地顯示器的電源前，增加限流限壓的防雷器；

2）水位計連接浮筒和平衡錘的不銹鋼絲改為絕緣體釣魚線；

3）采用絕緣過渡的方式固定閘門與閘位計。

采用上述措施后，由雷擊引起的系統(tǒng)故障，由原來的每年 3～6 起，減少到每年 2 起以下，并且沒有發(fā)生雷擊打壞閘位計和水位計的現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

沿江閘站監(jiān)控管理系統(tǒng)綜合氣象水情和工情信息采集、水利工程監(jiān)視、通信、計算機應(yīng)用等技術(shù)，集數(shù)據(jù)、視頻采集，數(shù)據(jù)傳輸、處理，以及信息展示、防汛會商于一體。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 監(jiān)控子系統(tǒng)

采集的水情、工情、氣象數(shù)據(jù)要求能及時反映沿江各閘站的水位，雨量，閘門開啟高度，風(fēng)向，風(fēng)速變化，實時性要求高，采集量大。采集設(shè)備選用 ACS300 數(shù)據(jù)采集設(shè)備和配套的采集程序，該程序支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，有較完善的擴展接口，采集、發(fā)送數(shù)據(jù)頻率小于 5 min，數(shù)據(jù)延時小于 10 s，支持隨時召測和補召歷史數(shù)據(jù)功能，可對遙測站遠(yuǎn)程維護、診斷。電源方面采用 AC/DC 的供電方式，具有隔離變壓器和自動過載保護功能，交流電源斷電 5 d 內(nèi)連續(xù)正常運行；傳輸通道上租用無線 CDMA和有線光纖網(wǎng)絡(luò) 。

圖2 沿江站群監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 重點部位視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

在沿江多個重要閘站和場所安裝了由可旋轉(zhuǎn)、控制角度、變焦攝像頭組成的監(jiān)視系統(tǒng)，可同時查看不同站點的圖像，且能根據(jù)需要對同一閘站的不同監(jiān)視點進(jìn)行切換，實現(xiàn)數(shù)字信息和視頻信息的相互驗證。

2.3 本地 LED 顯示屏

在每個閘站都配有 LED 本地顯示屏，顯示的水情和工情數(shù)據(jù)來自本閘站的 ACS300 數(shù)據(jù)采集器或PLC，與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)念l率一致，既為閘站工作人員合理、有序、安全控制閘站的運行提供實時，便捷，科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，又方便閘站技術(shù)人員對測站的維護、管理。

2.4 中心站

系統(tǒng)中心站提供對各種外部測站數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、遠(yuǎn)程控制，通過會商數(shù)據(jù)顯示程序?qū)?shù)據(jù)展示，具體功能如下：

1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)功能。通過數(shù)據(jù)服務(wù)程序提供的數(shù)據(jù)接口，其它應(yīng)用程序可以不直接和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互操作，所有數(shù)據(jù)請求都以接口函數(shù)的形式傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)程序，數(shù)據(jù)服務(wù)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)SQL 語句，向數(shù)據(jù)庫提交，執(zhí)行或數(shù)據(jù)請求結(jié)果再返回給其它應(yīng)用程序。采用這種工作方式，可以保證對數(shù)據(jù)庫操作的安全性；同時，可以允許其它計算機在不安裝數(shù)據(jù)庫客戶端軟件的情況下，直接使用水情應(yīng)用軟件。

2）數(shù)據(jù)處理功能。完成對水情的時段、日統(tǒng)計，并把結(jié)果存儲在 WDS 數(shù)據(jù)庫里，作為歷史資料永久保存，生成的結(jié)果提供給系統(tǒng)的很多用戶界面，如圖形、報表也需要這些數(shù)據(jù)的支持。同時該程序具有實時計算功能，可以實時計算閘門泄流量、雨量站雨量。

3）遠(yuǎn)程站群控制功能。通過專用的控制軟件，實現(xiàn)沿江閘站的遠(yuǎn)程調(diào)度與控制。

4）會商數(shù)據(jù)顯示功能。將會商會議上使用的各種數(shù)據(jù)集中顯示在 1 個流域圖上，同時提供過程線、棒圖、雨量等值線，以及報表等多種數(shù)據(jù)展示形式，通過該程序，用戶既可以了解整個地區(qū)的水情信息，也可以查詢該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)，為防汛決策提供信息。

3 系統(tǒng)特點

3.1 視頻和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)相互驗證

在外部遙測的關(guān)鍵點，建立了數(shù)據(jù)和視頻采集，并將視頻系統(tǒng)集成到系統(tǒng)中心平臺上，在防汛調(diào)度或會商時，與會領(lǐng)導(dǎo)和專家可以針對不同的關(guān)鍵站點，任意切換。

3.2 支持多級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)上下級水利系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

管理處遙測及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是江陰水文遙測監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，而江陰水文遙測監(jiān)控系統(tǒng)作為江蘇省水利防汛信息系統(tǒng)的 1 個分中心，數(shù)據(jù)實時經(jīng)無錫防辦的信息中心，上傳到江蘇省水利廳信息中心，延時小于 1 min，為在江蘇省水利廳內(nèi)或無錫防辦組織會商會議，部署江陰沿江地區(qū)的防汛，提供了可靠信息。

4 結(jié)語

江陰沿江閘站監(jiān)控管理系統(tǒng)在近幾年的使用過程中也暴露出一些問題，如系統(tǒng)電源箱和顯示屏易被雷擊損壞；浮子式水位計不能適應(yīng)沿江水套閘開閘時劇烈的水位變化；缺乏專業(yè)的維護人員，遇到故障不能及時判斷發(fā)生問題的設(shè)備。

針對上述問題，江陰市江港堤閘管理處結(jié)合實際情況做了相應(yīng)的改進(jìn)：系統(tǒng)電源箱的防雷模塊上增設(shè)了保險絲，雷擊損壞后可以自行更換保險絲；改進(jìn)了閘位計與閘門的連接方式，更換了水位計與平衡錘、浮筒的連接模式，修改了測井直徑與透水孔的比例，使之能夠更適應(yīng)沿江水套閘的水位、閘門變化；增加光纖網(wǎng)絡(luò)帶寬，使數(shù)據(jù)不發(fā)生延時或卡阻，保證數(shù)據(jù)能夠及時上傳至中心服務(wù)器。培訓(xùn)專業(yè)維護人員或落實專業(yè)維修單位，保證系統(tǒng)設(shè)備能夠正常運行，發(fā)揮作用。

通過改進(jìn)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，充分延長了系統(tǒng)的使用壽命，使江港堤閘的管理從單一工程的管理提升到全局工程管理上來，從而全面提升水利工程的管理水平，充分發(fā)揮了工程效益。

[1]楊英. 水電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]. 四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版）， 2001, 33 (1): 110-112.

[2]Modicon. Modbus 通信協(xié)議 [EB/OL].[2012-07-20].http://www.realinfo.com.cn/tech/ModbusXY.htm.

[3]虞昊. 現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 2 版.北京：清華大學(xué)出版社，2005: 237-240.