杜家臺分洪閘控制系統(tǒng)改造和遠程監(jiān)控設計

黃干祥

杜家臺分洪閘控制系統(tǒng)改造和遠程監(jiān)控設計

黃干祥

（湖北省漢江河道管理局杜家臺分洪閘管理分局 湖北仙桃 433000）

本文簡介了杜家臺分洪閘概況；設計了杜家臺分洪閘啟閉機控制系統(tǒng)技術(shù)改造和主體工程的遠程監(jiān)控。

漢江 杜家臺分洪閘 控制系統(tǒng) 技術(shù)改造 遠程監(jiān)控設計

當今科學技術(shù)的飛速發(fā)展，社會進入數(shù)字化、信息化時代。而利用高新技術(shù)輔助防汛人員對上下游水域狀況、啟閉機工作狀況以及涵閘運行環(huán)境進行監(jiān)控，可以大大提高工作效率和管理的自動化水平，方便防汛指揮人員快速做出科學的調(diào)度決策。在高新技術(shù)數(shù)字化發(fā)展的今天，“多媒體、數(shù)字化、全方位”是杜家臺分洪閘工程管理提升其現(xiàn)代化水平的必然趨勢。陳舊過時的啟閉控制系統(tǒng)嚴重制約了杜家臺閘的工程管理，也為安全運用埋下了許多隱患。因此，杜家臺分洪閘啟閉機控制系統(tǒng)的技術(shù)改造勢在必行。

1 工程概況

杜家臺分洪閘是長江中下游防洪體系的重要組成部分，也是漢江下游唯一的人工控制運用工程。擔負著分泄?jié)h江下游超額洪水，減輕漢江下游的防洪壓力，控制漢川和武漢河段的安全泄量，起著非常重要作用。該工程屬國家大I型2等水利工程。1956年4月建成，為鋼筋混凝土永久性結(jié)構(gòu)，弧形鋼質(zhì)閘門，共30孔，每孔凈寬12.1m，高4m，閘室總長411.93m。手搖電動兩用式啟閉，以電動為主。設計正常分洪流量4000m3/s，校核流量5300m3/s。工程自建成以來，21次安全運用，分泄?jié)h江洪水總量196億m3，為確保漢江下游防洪安全發(fā)揮了巨大的和不可替代的作用。在今后漢江流域的開發(fā)利用中，仍將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2 控制系統(tǒng)技術(shù)改造和遠程監(jiān)控設計

2.1技術(shù)改造的設計

2.1.1 保留原有閘門的啟閉機械傳動部分

根據(jù)多年來的實際運行情況，其電機驅(qū)動的減速箱及閘門開啟和關閉工作機械性能基本可靠，故障率較低，該部分全部保留。

2.1.2 更換原有集控柜裝置

由于原集控柜裝置工作不可靠，加之線路復雜，無法恢復正常工作狀態(tài)，故選用現(xiàn)代集中——分散式控制方式取代原來的集中控制方式。采用成熟可靠的工業(yè)控制計算機作為主控機，用遠程串行方式與各分控制柜PLC進行網(wǎng)聯(lián)運行，提高可靠性。

2.1.3 增加分控制柜內(nèi)的控制器

原分控制柜于2013年進行了技術(shù)改造，故增選用現(xiàn)代可編程序控制器PLC以及先進的驅(qū)動元件組成體積小、動作靈敏、高可靠性的單元，同時增加報警視聽指示功能。

2.1.4 改造分洪閘中心控制室

因原中心控制室設備報廢，需更換新的控制設備，增加計算機控制系統(tǒng)，大屏幕投影裝置，將中心控制計算機上的顯示畫面投影到大屏幕上。

2.1.5 增加攝像視頻系統(tǒng)

原閘區(qū)沒有視頻裝置，此次改造中增加攝像視頻系統(tǒng)，該視頻系統(tǒng)由七個攝像控制裝置組成。其控制裝置與中心控制計算機相連，能與計算機控制切換七個攝像頭的畫面。

2.1.6 增加遠程監(jiān)控系統(tǒng)

為使省防指能對閘區(qū)的分洪情況進行視頻和控制，需將省防指的計算機與閘區(qū)中心控制室計算機通過光纖進行聯(lián)網(wǎng)。一方面閘區(qū)的各種信息及攝像畫面直接傳送到省防指。另一方面，省防指發(fā)出的各種指令，閘區(qū)中心控制室直接接收，以實現(xiàn)省防指對閘區(qū)的指揮。

2.2杜家臺分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)的組成及工作過程

杜家臺分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)由省防指遠程監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、閘門啟閉機控制三大子系統(tǒng)組成，見圖1。其整個系統(tǒng)框圖為：

圖1 杜家臺分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

當接到省防指通知后杜家臺啟動閘門啟閉機控制系統(tǒng)，打開視頻系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，省防指即可調(diào)閱包括各攝像畫面和各分控柜參數(shù)等信息的WEB頁面，直接查看現(xiàn)場洪災情況和各分控柜狀態(tài)。若確有分洪必要，省防指可通過WEB服務遠程向閘區(qū)中心控制系統(tǒng)下達分洪命令和分洪量，閘區(qū)中心控制系統(tǒng)根據(jù)省防指命令的分洪要求，迅速確定分洪閘開啟孔數(shù)和分洪閘開啟高度，中心控制系統(tǒng)通過主PLC向各分控柜發(fā)出指令開啟相應孔閘門。

啟閉機控制系統(tǒng)接收到命令后，各閘門分控柜開啟閘門，并將各閘門的開啟高度數(shù)迅速反饋到閘區(qū)中心控制系統(tǒng)，使得中心控制室的大屏上顯示各閘門的工作狀態(tài)，同時將閘區(qū)當前工作狀態(tài)送到省防指。此后，省防指根據(jù)分洪現(xiàn)場的各種情況，隨時向閘區(qū)中心控制室發(fā)出命令，實現(xiàn)省防指對整個分洪過程實現(xiàn)全過程監(jiān)控，直至分洪完成。

其具體工作流程圖如圖2所示。

圖2 杜家臺分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

3 三個子系統(tǒng)的組成及工作原理

3.1遠程監(jiān)控系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的功能主要是實現(xiàn)對閘區(qū)的所有閘門實現(xiàn)集中控制和管理，同時通過網(wǎng)絡與省防指相連接，接收上級的指揮和監(jiān)控，形成一個完整的指揮控制中心。

3.1.1 硬件組成及工作原理

本系統(tǒng)的硬件包括一臺路由器、一臺交換機、兩臺工業(yè)控制計算機、一臺WEB服務器、一臺UPS電源、一臺打印機、一臺計算機（作監(jiān)控和投影儀控制用）和一臺大屏幕投影儀等。網(wǎng)絡設備承擔控制計算機與省防指計算機之間的聯(lián)網(wǎng)；為提高工作的可靠性，由兩臺工業(yè)控制計算機形成主—備份控制，一旦主機出現(xiàn)故障，立即切換到備份機，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。大屏幕投影儀是將控制主機的主要信息顯示在大屏幕上，以便指揮集體觀察分洪狀況，進行分析、決策。

分洪進入工作狀態(tài)后，主控機通過網(wǎng)絡接收省防指下達的命令，一旦接收指令后，啟動集控系統(tǒng)，在計算機上設置各閘門的開啟高度和開啟順序，接著主控機通過接口向PLC發(fā)令，指揮閘門按程序工作，并掃描接收各分控閘門的控制柜反饋信息，并將當前的閘門狀態(tài)、流量、流速以及各攝像頭的切換畫面投影到大屏幕上，同時將有關信息和畫面通過網(wǎng)絡傳送到省防指，并隨時準備接收省防指發(fā)來的新命令。為便于資料保存，隨時將分洪數(shù)據(jù)打印備檔。

3.1.2 軟件組成及功能

整個系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括遠程集控模塊、視頻監(jiān)控模塊、日志管理模塊和備份模塊。其中，遠程集控模塊和視頻監(jiān)控模塊采用B/S結(jié)構(gòu)，日志管理模塊和備份采用C/S結(jié)構(gòu)。

3.2視頻子系統(tǒng)

視頻裝置主要用來觀察分洪時的現(xiàn)場水情和工作人員情況信息。

杜家臺分洪閘共30孔，根據(jù)實際情況，視頻子系統(tǒng)的監(jiān)測點設計為7個，這7個點的分布是：閘前水勢監(jiān)測攝像頭安裝在第15孔處；閘后分洪水情觀測攝像頭安裝在第15孔處；閘門開啟狀態(tài)和閘室水躍監(jiān)測攝像頭安裝在第12孔處；啟閉機運行狀態(tài)監(jiān)測攝像頭安裝在15孔啟閉機房內(nèi)；啟閉機房內(nèi)整體控制狀態(tài)監(jiān)測攝像頭分別安裝在第1孔和30孔處；集控室狀態(tài)監(jiān)測攝像頭安裝在集控中心室內(nèi)。

視頻裝置的組成如圖3所示。

圖3 視頻裝置的組成框圖

3.3閘門啟閉機控制系統(tǒng)組成及工作原理

3.3.1 系統(tǒng)由監(jiān)控主機、現(xiàn)地監(jiān)控單元、閘位計及通信設備組成。

系統(tǒng)設10臺現(xiàn)地監(jiān)控單元分別監(jiān)控30孔分洪道閘門的運行，監(jiān)控單元與監(jiān)控主機采用RS-422或RS-485通信接口，采用總線結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)為分層分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分三級控制，即遠程計算機監(jiān)控級/現(xiàn)地單元監(jiān)控級/手動控制。監(jiān)控主機為遠程計算機監(jiān)控級，它可由操作員鍵入操作指令或按編制的運行調(diào)度規(guī)則自動產(chǎn)生控制指令，再由監(jiān)控主機將信息傳送給各現(xiàn)地監(jiān)控單元，現(xiàn)地監(jiān)控單元則根據(jù)操作指令，按編制的操作邏輯自動完成全部操作并監(jiān)控閘門的運行狀態(tài)。現(xiàn)地監(jiān)控單元配有集中控制按鈕和現(xiàn)地閘位顯示，操作員可就地操作完成該單元所轄閘門的控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，現(xiàn)地監(jiān)控單元可獨立完成自動控制任務，個別單元故障不會引起系統(tǒng)故障，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。

上游水位采用閘前3組水位、閘前4組水位的算術(shù)平均值，下游水位采用閘后13組水位，閘后14組水位的算術(shù)平均值。以上四處的水位需要建造水位井，安裝浮子式水位計，將水位線引進閘門啟閉室，由現(xiàn)地監(jiān)控單元采集其水位值。

閘門啟動流程：首先啟動潤滑電機，當減速箱的齒輪完成噴油后，停止?jié)櫥姍C，緊接著吸合電磁鐵并啟動電機，閘門開始上升，高度檢測傳感器測出閘門的開啟高度，并記錄到存儲器里，以備主控機查詢。當閘門升到所要求的高度后，電機停止轉(zhuǎn)動，松開電磁鐵，抱剎。當需要關閘門時，重復以上動作，不同的是電機反轉(zhuǎn)。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）監(jiān)控主機功能

閘門監(jiān)控主機設置在中心站室內(nèi)。該主機系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機。主要承擔對每處閘門的實時控制操作和數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸?shù)热蝿?。其主要功能如下?/p>

自動檢測各扇閘門的開、上下游水位及運行狀態(tài)信息；

提供直觀的操作界面，操作員可方便的實施各扇閘門的啟、閉操作；

具有現(xiàn)地控制、遠程控制選擇，實現(xiàn)自動化調(diào)度運行；

具有定閘門高度自動控制和定泄量自動控制功能；

具有故障告警和越限告警以及告警自動記錄功能；

具有單扇閘門泄量統(tǒng)計和總泄量統(tǒng)計功能；

自動操作記錄和單門開啟時間、累計時間統(tǒng)計；

打印日報表、月報表、年報表；

動態(tài)圖形顯示閘門啟閉過程和各類操作；

建立本機實時數(shù)據(jù)庫，服務器實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；

提供多級操作員安全等級設置，具有操作員自動登記功能；

具有自檢和系統(tǒng)故障提示功能；

提供查詢服務；

中文界面。

從系統(tǒng)可靠性考慮，系統(tǒng)同時配備一套相同的閘門監(jiān)控主機，在網(wǎng)絡上備份運行，一旦運行主機出故障，可以人工切換備用主機運行。

（2）現(xiàn)場監(jiān)控單元功能

接收上位機調(diào)度運行命令，發(fā)送現(xiàn)場采集的各類設備運行實時參數(shù)與狀態(tài)信號；

根據(jù)上位機指令可進行閘門的控制功能。具有安全閉鎖功能；

閘門控制高度范圍為0～5m；

群控時，根據(jù)上位機給定的泄流量，現(xiàn)地監(jiān)控單元將自動進行順序開關各閘門至給定位置處；

單門控制時，上位機將閘門運行范圍送現(xiàn)地監(jiān)控單元，現(xiàn)地監(jiān)控單元根據(jù)上位機指令進行單門控制操作；

配有現(xiàn)地操作按鈕可脫網(wǎng)獨立工作，實現(xiàn)對單門、多門的集中操作；

具有運行狀態(tài)判別，故障多重保護功能；

對閘門運行中出現(xiàn)的卡滯、飛車和粘連等故障可以自動做出處理并報警；

顯示實時運行參數(shù)、狀態(tài)，動態(tài)的顯示閘位；

具有單元自檢功能；

硬件熱插拔。

（3）系統(tǒng)可靠性指標

監(jiān)控主機:MTBF≥40000h。

現(xiàn)地監(jiān)控單元:MTBF≥40000h。

傳感器：≥40000h。

閘位計:觸點壽命≥10000000次。

（4）系統(tǒng)實時性指標

開關量巡測周期≤1s。

開關量分辨率: ≤5ms。

人機接口響應時間：調(diào)用新畫面：≤2s；畫面實時數(shù)據(jù)刷新：≤2s；操作員控制與調(diào)節(jié)命令發(fā)出到控制單元回復: ≤3s；報警事件產(chǎn)生到畫面顯示：≤2s。

（5）系統(tǒng)可維護性

監(jiān)控系統(tǒng)主機具有自診斷功能，可自動確定故障位置。

監(jiān)控現(xiàn)地單元具有自診斷功能，可自動確定故障位置。

通信設備具有自診斷功能，可自動確定故障位置。

PLC可熱插撥。

具有試驗和隔離故障斷點開關。

互換性：所有同型號設備、傳感器、PLC均可互換。

平均維護修復時間≤1h。

（6）安全性

電氣控制設備具有硬件互鎖機構(gòu)。

控制操作具有軟件互鎖邏輯，具有閘門卡滯、失速判別與保護。

主控軟件具有誤操作判別、拒動和提示。

（7）可擴性

I/O模塊預留15%的備用點。

CPU負載率≤50%。

4 工程管理運用

啟閉機控制系統(tǒng)技術(shù)改造實施完成以后，由于計算機系統(tǒng)與分控系統(tǒng)技術(shù)含量高，管理要求嚴，所以操作與監(jiān)護必須由有實際經(jīng)驗及電腦技術(shù)熟練的工程技術(shù)人員來擔任。且崗位相對穩(wěn)定，節(jié)省人力。啟閉控制系統(tǒng)的改造既有恢復、又有保留，對原有的設施不是一概廢棄，改造后的控制系統(tǒng)將在原有基礎上有很大的改進，可靠性、耐久性大大增強，特別對環(huán)境的監(jiān)測工作以及操作運行的資料收集整理，確?？刂葡到y(tǒng)在良好的環(huán)境下運行有極大的提高。

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1672-2469(2014)06-0076-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.025

黃干祥（1967年—），男，工程師。