水利工程中閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

段家貴

（唐山市陡河水庫(kù)管理處，河北 唐山 063021）

隨著科學(xué)的發(fā)展，我國(guó)水工建筑物建設(shè)的總體技術(shù)得到了很大的提高，而水閘的建設(shè)更是沒(méi)有絲毫的懈怠。這主要是因?yàn)樗l在整個(gè)水工建筑物中起著至關(guān)重要的作用，沒(méi)有可靠的水閘，一切防洪、抗災(zāi)都是紙上談兵。然而，傳統(tǒng)的人工管理水閘的簡(jiǎn)單方法在很大程度上限制了水閘作用的發(fā)揮，造成了人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi)。由此可見(jiàn)，改造水閘的運(yùn)行管理迫在眉睫，實(shí)施自動(dòng)控制管理是水閘管理的必然發(fā)展趨勢(shì)。

隨之出現(xiàn)的新型閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠執(zhí)行準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)集現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)等多種高新技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了水情的自動(dòng)檢測(cè)與控制。水閘實(shí)行自動(dòng)化管理，從而大大解放了灌區(qū)、水庫(kù)、水電廠、河道、供水渠等地方的勞動(dòng)力。該系統(tǒng)所涉及的閘門(mén)造型從平板門(mén)到弧型門(mén)再到快速門(mén)，運(yùn)行方式也不受限制，具體有液壓方式、卷?yè)P(yáng)機(jī)方式或螺桿方式。

西方一些國(guó)家早已在水庫(kù)和電站的大、中型閘門(mén)組運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了庫(kù)水位等的計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及閘門(mén)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制。而我國(guó)在這方面起步晚，從20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研究，通過(guò)引進(jìn)西方不同的RTU設(shè)備進(jìn)行消化吸收，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，開(kāi)發(fā)出了具有我國(guó)特色的自動(dòng)監(jiān)控閘門(mén)系統(tǒng)，并得到了我國(guó)水利工作者的廣泛認(rèn)同[1]。

1 水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要組件

1.1 傳感部件

在水閘自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常用的測(cè)量傳感器件有閘位傳感器、水位傳感器以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的測(cè)量。閘位傳感器又稱(chēng)閘門(mén)開(kāi)度傳感器（其原理很大程度上與水位傳感器相似），根據(jù)輸出信號(hào)的類(lèi)型不同可分為模擬式和數(shù)字式閘門(mén)開(kāi)度傳感器。早期的模擬式閘門(mén)開(kāi)度傳感器一般以精密線繞多圈電位器作為傳感器件，將閘門(mén)啟閉機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)裝置引至電位器的旋轉(zhuǎn)軸，在閘門(mén)啟閉的過(guò)程中電位器旋轉(zhuǎn)軸跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電位器的動(dòng)臂與某一固定臂之間的阻值隨著閘門(mén)的升降而變化。當(dāng)在電位器的兩固定臂施加電壓時(shí)，即可從動(dòng)臂取走一電位值。

通常，數(shù)字型的閘門(mén)傳感器可以分為編碼式的和計(jì)數(shù)式的，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中主要是采用計(jì)數(shù)式的，其原理是將啟閉機(jī)的位移角進(jìn)行數(shù)據(jù)化，然后通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖對(duì)位移角進(jìn)行計(jì)數(shù)。記錄脈沖的儀器可以由霍爾器件或者干簧管組成，在記錄和保存時(shí)都有電源支持，輸出的數(shù)據(jù)格式一般是格雷碼、BCD碼或二進(jìn)制。

1.2 信道

在閘群自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，通信道是一個(gè)極其重要的部分。因?yàn)橥ㄐ诺赖目煽啃浴⒎€(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作，而且通常是系統(tǒng)里價(jià)格最為昂貴的部分。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要用于閘控站與中心站的通信，也包括閘控站之間或與水位站之間的通信。通信鏈路種類(lèi)可以是有線或無(wú)線的，常用的有超短波、微波、光纖和電纜等[2]。通信方式一般采用全集上應(yīng)警方式，即可由中心站觸發(fā)通信和閘控站觸發(fā)通信。

1.3 遠(yuǎn)程控制單元

遠(yuǎn)程控制終端可以由各種各樣的元器件或部件組成。為了適應(yīng)遠(yuǎn)程控制的需要，國(guó)內(nèi)外一些研究部門(mén)和生產(chǎn)廠家，將遠(yuǎn)程終端站的主要控制部件組裝在一起，稱(chēng)為遠(yuǎn)程控制單元，即 RTU。RTU具有工作可靠、性能穩(wěn)定、功能齊全（并可選擇）、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)提高，現(xiàn)在已有許多定型的、性能優(yōu)越的RTU面市。作為系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行的工作站，遠(yuǎn)程控制單元通過(guò)本地控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)本地的控制。該單元能夠出色地完成連鎖控制的任務(wù)，具體工作有前饋、反饋以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能等。

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，充當(dāng)著遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元的作用，從而連接到本站與中心站或其他站之間的通信和操作。遠(yuǎn)程控制單元中的模塊有CPU單元、能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入/輸出模塊、通信接口模塊以及與之相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備，具體如通信機(jī)、收發(fā)天線、機(jī)箱、電源等。在RTU的CPU中，需要事先下載執(zhí)行任務(wù)的程序，該程序編程語(yǔ)言可以采用Visual C++等編寫(xiě)[3]。

2 閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)，要求閘門(mén)收集信息穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，閘控及配電保護(hù)措施設(shè)計(jì)完善。據(jù)以上特點(diǎn)及安全設(shè)計(jì)規(guī)范可知，自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）以基本功能為基礎(chǔ)前提，以設(shè)備的實(shí)用性及可靠性為主，注重安全檢測(cè)和安全監(jiān)控，降低設(shè)備運(yùn)行的失誤和障礙發(fā)生率。

（2）閘門(mén)和配電室周?chē)懈鞣N不利于監(jiān)控系統(tǒng)的電磁干擾，在強(qiáng)電和雷電的干擾下，系統(tǒng)必須具備抵抗惡劣環(huán)境的能力。

（3）實(shí)行參數(shù)應(yīng)答式工作機(jī)制。

（4）操作應(yīng)該簡(jiǎn)單易懂，利于維修。

（5）閘群控制組網(wǎng)需靈活便于操作。

（6）閘群自動(dòng)監(jiān)控與自動(dòng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)配套，水情自動(dòng)預(yù)測(cè)應(yīng)該按照規(guī)范SL61 - 94執(zhí)行，符合用戶(hù)需要。

2.2 閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作體制選擇

2.2.l可編程控制器（即PLC系統(tǒng)）

PLC系統(tǒng)適用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制。其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、技術(shù)成熟、使用比較廣泛，價(jià)格合理，但它只局限于通信場(chǎng)臺(tái)，在閘門(mén)自動(dòng)化中可用于單閘就地自動(dòng)控制。

2.2.2 分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（即SCADA系統(tǒng)）

SCADA系統(tǒng)屬于中小規(guī)模的測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由三部分組成：遠(yuǎn)程控制單元 RTU、通信網(wǎng)絡(luò)及控制中心。它具有多種特點(diǎn)，能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息資源共享。其中的一個(gè)系統(tǒng)既能夠配備有線通信系統(tǒng)，又能夠配備無(wú)線通信系統(tǒng)，而且無(wú)線通信系統(tǒng)更加適合廣泛的地域應(yīng)用環(huán)境。

SCADA系統(tǒng)主要可以應(yīng)用于石油、供電、水利這些行業(yè)，在地理環(huán)境特別惡劣或者無(wú)人看守的情況下，尤其適合遠(yuǎn)程監(jiān)控，此系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比較高。目前中小規(guī)模閘群自動(dòng)控制和水利樞紐自動(dòng)控制系統(tǒng)中，已經(jīng)有很多的應(yīng)用案例及推廣前景。

3 應(yīng)用實(shí)例分析—陡河水庫(kù)

陡河水庫(kù)位于陡河上游，在唐山市市區(qū)東北15km，是一座以防洪為主，兼供唐山市市區(qū)工業(yè)和生活用水及庫(kù)區(qū)周邊和下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程；引灤入唐工程修建后，又是引灤入唐終端調(diào)節(jié)水庫(kù)。

水庫(kù)興建于1955年，建成于1956年并投入運(yùn)行，歷經(jīng)1969～1971年續(xù)建，1976～1977年震后修復(fù)，1988～1989年提高保壩標(biāo)準(zhǔn)工程建設(shè)，到1990年全部完工，達(dá)到千年一遇設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇校核的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

陡河水庫(kù)是年調(diào)節(jié)水庫(kù)，死水位28m（大沽高程，下同），汛限水位34m，正常蓄水位34m，設(shè)計(jì)洪水位40.3m，校核洪水位43.4m，總庫(kù)容5.152億m3，其中調(diào)節(jié)庫(kù)容4.414億m3，興利庫(kù)容0.684億m3。在實(shí)際運(yùn)用中，為保陡河電廠供水要求，水庫(kù)水位不低于30.0m，實(shí)際上水庫(kù)興利庫(kù)容僅為 0.557億 m3。因該庫(kù)距唐山市區(qū)近，是唐山市的頭頂庫(kù)，運(yùn)行原則是在保證水庫(kù)工程安全的前提下確保唐山市區(qū)防洪和用水安全。

陡河閘測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)由陡河水情自動(dòng)測(cè)報(bào)分系統(tǒng)、陡河閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)以及超聲波流量測(cè)量子系統(tǒng)等組成。共含3個(gè)雨量遙測(cè)站、1個(gè)水位／雨量遙測(cè)站、1個(gè)三孔閘門(mén)的自動(dòng)監(jiān)控站，1個(gè)超聲波流量檢測(cè)站及陡河閘測(cè)控中心站。

陡河控站的主要作用如下。

（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)三孔閘門(mén)自動(dòng)進(jìn)行周期性、實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)信息采集，井對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（2）自動(dòng)控制三孔閘門(mén)的啟、閉運(yùn)行。

（3）對(duì)各閘運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)工況及電源變化進(jìn)行檢查和報(bào)警處理。

（4）與中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受中心站調(diào)控命令，井反饋本站執(zhí)行命令后的狀態(tài)信息。

[1]劉小力,高祥.嵌入式系統(tǒng)在閘門(mén)控制中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè).2009,33(1)∶76-78.

[2]李彬,陳茹.伊朗 MOLLASADRA水電站底孔工作閘門(mén)及事故閘門(mén)設(shè)計(jì)[J].水利電力機(jī)械.2006(11).

[3]韓曉翠.基于單片機(jī)的中小水電站閘門(mén)控制系統(tǒng)[D].山東∶山東大學(xué),2007.