自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)在紅山河渠首攔河閘工程中的應(yīng)用

趙利軍

摘 要：紅山河渠首攔河閘工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，分別由硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)組成。介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、基本功能、總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件以及設(shè)備控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為核心的集控系統(tǒng)，對(duì)渠首樞紐運(yùn)行狀態(tài)、水位、流量進(jìn)行監(jiān)控，并將渠首視頻監(jiān)控圖像上傳灌區(qū)監(jiān)控中心，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場(chǎng)控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。該系統(tǒng)通過(guò)一年的運(yùn)行，情況比較穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；測(cè)控系統(tǒng)；應(yīng)用

1 工程概況

紅山河攔河閘工程位于肅州區(qū)金佛寺鎮(zhèn)小莊村，距酒泉市城區(qū)50km，建于上世紀(jì)60年代。該工程以引水灌溉為主，兼顧防洪排砂的中型水閘。設(shè)計(jì)引水流量為8m3/s。該工程為底欄柵式正排雙側(cè)引水樞紐工程，布置型式為“一字形”。工程主要建筑物由泄洪排砂閘、底欄柵溢流壩、上下游連接段等幾部分組成。工程擔(dān)負(fù)著灌區(qū)金佛寺鎮(zhèn)紅山片和黃糧墩農(nóng)場(chǎng)2.46萬(wàn)畝耕地的防汛灌溉任務(wù)和0.65萬(wàn)人、1.56萬(wàn)頭牲畜的人畜飲水任務(wù)，2012年9月該工程開工建設(shè)，2013年5月竣工。

為了提高樞紐水閘的管理水平，實(shí)現(xiàn)水閘管理單位對(duì)閘門、流量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控，并對(duì)數(shù)據(jù)加以處理與傳輸，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理，在本次除險(xiǎn)加固工程增設(shè)了自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”的管理方式。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及應(yīng)達(dá)到的功能

2.1 監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)就是采集處理水閘的引水?dāng)?shù)據(jù)以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，包括閘前水位、閘后水位、啟閉狀態(tài)、開啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障等信息。自動(dòng)量水系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)采集這些重要信息，并在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)自動(dòng)量測(cè)閘前、閘后水位進(jìn)行水量計(jì)算。

2.2 視頻監(jiān)視

對(duì)閘前、閘后及閘室的景象及建筑、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行視頻采集，通過(guò)控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和焦距實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘全天候、全方位的實(shí)時(shí)圖象監(jiān)視。視頻監(jiān)視不受閘門啟閉設(shè)備電源狀況的影響。

2.3 閘門監(jiān)控

監(jiān)控就是控制閘門啟閉，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制功能。閘門控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)方式下，只有在閘房，通過(guò)每個(gè)啟閉機(jī)的手動(dòng)控制箱，進(jìn)行閘門控制。自動(dòng)方式下，是通過(guò)PLC進(jìn)行閘門控制，又分為遠(yuǎn)方控制和現(xiàn)地控制，現(xiàn)地模式下，只能通過(guò)閘房PLC的觸摸屏進(jìn)行閘門控制；遠(yuǎn)方模式下，管理站可進(jìn)行閘門控制，上級(jí)管理部門監(jiān)督閘門啟閉情況。遠(yuǎn)方模式是建立在自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)之上，利用各級(jí)管理部門配置的監(jiān)控終端進(jìn)行閘門控制和監(jiān)督。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)兩類數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制數(shù)據(jù)、時(shí)段和特征數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)供監(jiān)控系統(tǒng)記錄完整的實(shí)時(shí)過(guò)程和分析故障使用，存儲(chǔ)周期為六個(gè)月；時(shí)段和特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)閘門運(yùn)行時(shí)段和水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、閘門操作數(shù)據(jù)，以及特征變化數(shù)據(jù)，供監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)分析閘門運(yùn)行情況、用水情況使用，時(shí)段數(shù)據(jù)的時(shí)段最小可為10分鐘，存儲(chǔ)周期為一年。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括采集、閘門控制和通信三部分。

（1）信息采集。信息采集包括水位、閘門開度，流量、視頻、啟閉荷載以及設(shè)備電源狀態(tài)等的采集。

水位采集通過(guò)設(shè)置水位計(jì)實(shí)現(xiàn)，再通過(guò)軟件計(jì)算轉(zhuǎn)換為流量信息；可動(dòng)態(tài)反應(yīng)閘門啟閉過(guò)程中高度變化及閘門的開關(guān)狀態(tài)，啟閉荷載信息采集通過(guò)啟閉機(jī)上設(shè)置荷載傳感器實(shí)現(xiàn)，可動(dòng)態(tài)反應(yīng)閘門啟閉過(guò)程中荷載變化情況，一旦出現(xiàn)閘門被卡阻造成啟閉機(jī)過(guò)載等意外情況，監(jiān)控系統(tǒng)立即報(bào)警并發(fā)出故障提示信號(hào)。荷載傳感器在每臺(tái)雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)上設(shè)置兩套，以分別顯示兩個(gè)吊點(diǎn)的荷載值，啟閉機(jī)荷載保護(hù)是目前過(guò)內(nèi)外啟閉機(jī)或起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的必設(shè)安全保護(hù)裝置，特別是對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控的啟閉設(shè)備更是不可或缺。

（2）閘門控制。閘門控制采用可編程序邏輯控制器（PLC），安裝在現(xiàn)地控制柜上，既能接受上級(jí)管理部門的控制命令和采集的信息，又能在通信故障的情況下，在現(xiàn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的操作控制，本身故障時(shí)也可通過(guò)備用的常規(guī)設(shè)備對(duì)閘門進(jìn)行操作。帶以太網(wǎng)接口的PLC及以太網(wǎng)交換機(jī)，安裝在水閘現(xiàn)地控制柜上，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理可完成對(duì)閘門的信息采集、控制、操作和顯示?，F(xiàn)地操作及信號(hào)顯示均通過(guò)液晶觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）通信。采用光纖通信具有投資省，傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。從樞紐水閘處架設(shè)光纖至公用寬帶網(wǎng)與上級(jí)水務(wù)部門通信。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心是整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要由操作臺(tái)、工控機(jī)組成。安裝硬盤錄像機(jī)兩臺(tái)，選用19寸液晶監(jiān)示器，用于視頻監(jiān)控，通過(guò)畫面分割分別顯示渠首進(jìn)水閘及沖沙閘設(shè)備運(yùn)行視頻圖像；通過(guò)軟件控制上述站點(diǎn)的視頻監(jiān)控設(shè)備并記錄視頻文件。裝配工控機(jī)一臺(tái)運(yùn)行計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，運(yùn)行3孔弧型閘門開度控制、進(jìn)水閘控制。進(jìn)水閘裝配2孔平板閘門，改造后采用電動(dòng)啟閉機(jī)。

3.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)綜合運(yùn)用了多媒體視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了視頻/音頻的數(shù)字化、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用的多媒體化以及管理的集成化。系統(tǒng)將傳統(tǒng)的視頻、音頻及控制信號(hào)數(shù)字化之后在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控、集中管理。從系統(tǒng)規(guī)模來(lái)看，本系統(tǒng)共設(shè)置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)和1個(gè)監(jiān)控中心。閘前、閘后攝像機(jī)采用三可變攝像機(jī)，閘室內(nèi)采用一體化變焦攝像機(jī)。前端攝像部分包括攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩、控制解碼器、視頻傳輸電纜及安裝支架。其中室外攝像機(jī)為全天候防護(hù)罩，含有自動(dòng)加熱器、.恒溫器、雨刮器和清洗裝置。視頻監(jiān)控中心采用的設(shè)備為光纖、光纖收發(fā)器、解碼器、硬盤錄像機(jī)等。系統(tǒng)的工作原理：攝像機(jī)采集到的圖像信號(hào)送入光纖收發(fā)器，由光纜傳輸出去。光纜將信號(hào)通過(guò)解碼器解調(diào)后恢復(fù)出原始信號(hào)，并送到硬盤錄像機(jī)顯示出來(lái)。硬盤錄像機(jī)可以對(duì)接收到的圖像信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并可直接送入局域網(wǎng)供網(wǎng)內(nèi)瀏覽。操作人員通過(guò)控制鍵盤控制各監(jiān)控點(diǎn)的云臺(tái)和鏡頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)的掃描和近距離觀察。

3.2.3 閘位傳感器的選取。閘位編碼器按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9359-88《水文儀器總技術(shù)條件》及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選取?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)水利行業(yè)閘門開度傳感器普遍采用光電式絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器減輕了電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù)，省去了復(fù)雜和昂貴的輸入設(shè)備，而且還有斷電記憶功能，對(duì)于電源條件較差的地區(qū)尤為適用。

3.2.4 荷載傳感器的選取。對(duì)于螺桿式啟閉機(jī)，當(dāng)啟門過(guò)程中閘門受阻啟閉機(jī)超載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)設(shè)備破壞，或閘門墜落釀成事故。針對(duì)這種情況，在啟閉機(jī)的適當(dāng)部位安裝荷載傳感器，通過(guò)設(shè)定的荷載值來(lái)控制啟閉電機(jī)的開停，從而保證設(shè)備正常工作。

3.2.5 水位計(jì)的選取。由于水閘流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水位的精度要求較高，該水閘水位測(cè)量采用壓力投入式水位計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水閘監(jiān)控系統(tǒng)軟件要滿足水閘安全操作要求，能根據(jù)上級(jí)管理部門的調(diào)度指令，按照指定流量和時(shí)間段進(jìn)行自動(dòng)控制放水，同時(shí)無(wú)論用戶使用何種方式控制閘門，只要閘門被操作，運(yùn)行參數(shù)均應(yīng)發(fā)送到上級(jí)管理部門，以供查詢。

軟件系統(tǒng)包括PLC編程軟件和測(cè)控終端軟件，PLC編程軟件是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，對(duì)于實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)地、遠(yuǎn)程監(jiān)控至關(guān)重要，其他軟件均由設(shè)備廠家提供專用軟件。

5 結(jié)束語(yǔ)

紅山河渠首攔河閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)控渠首攔河閘水位、過(guò)閘流量及工程運(yùn)行狀況，為水閘工程的科學(xué)管理和合理調(diào)配水資源提供了良好的條件。同時(shí)，改善了渠首管理人員的工作環(huán)境條件，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，確保了操作人員的安全，避免誤操作事故發(fā)生，提高了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)督能力。上級(jí)水務(wù)部門通過(guò)局域網(wǎng)監(jiān)控器對(duì)水閘工程運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大提高了管理水平，該系統(tǒng)基本上達(dá)到了原定的預(yù)期目標(biāo)，并為肅州區(qū)水利管理現(xiàn)代化開了先河。