自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)在黃沙港閘的應(yīng)用

柳春陽(yáng) 李 凱 李青權(quán)

（鹽城市黃沙港閘管理所，江蘇 鹽城 224341）

1 工程概況

黃沙港閘是蘇北里下河地區(qū)排澇擋潮控制工程之一，位于射陽(yáng)縣黃沙港鎮(zhèn)。工程于1971年11月動(dòng)工興建，1972年6月竣工放水。

工程除險(xiǎn)加固前，無(wú)自動(dòng)化監(jiān)控和水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每次開、關(guān)閘需要專門守潮人員監(jiān)測(cè)水位，確定開關(guān)閘時(shí)間；閘門開啟時(shí)，需要閘門操作人員和工作橋、便橋巡視等人員，通過(guò)喊話、擺手勢(shì)、揮電筒等方式相互配合。這樣不僅工作強(qiáng)度大，而且易發(fā)生誤操作，導(dǎo)致閘門開啟高度不齊和閘門關(guān)閉不到位等運(yùn)行事故。特別是雨霧天氣、夜晚等能見度低的情況下，配合易失誤，極大地影響了工程安全運(yùn)行和工程效益的發(fā)揮。為適應(yīng)水閘現(xiàn)代化和科學(xué)化的管理要求，提高工程設(shè)施管理水平，確保水閘安全運(yùn)行和工程效益的正常發(fā)揮，于2008年初對(duì)黃沙港閘實(shí)施除險(xiǎn)加固。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是本閘除險(xiǎn)加固工程的一部分，包括16 孔閘門控制、監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照“無(wú)人值班，少人值班”的原則，采用分層分布開放式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為三級(jí)，即：遠(yuǎn)控級(jí)、主控級(jí)與現(xiàn)地級(jí)。控制權(quán)分“遠(yuǎn)方、控制室、現(xiàn)地”三級(jí)，可以進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。系統(tǒng)的控制權(quán)限越接近設(shè)備，控制權(quán)限越高?？刂茩?quán)順序?yàn)椋含F(xiàn)地、控制室與遠(yuǎn)方，遠(yuǎn)方控制經(jīng)授權(quán)方可進(jìn)行操作，控制系統(tǒng)中設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對(duì)程序。主控制級(jí)設(shè)在黃沙港閘管理所辦公樓控制室內(nèi)，控制室距上洞首啟閉機(jī)房約350 m，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將地涵實(shí)時(shí)運(yùn)行信息與數(shù)據(jù)（如運(yùn)行參數(shù)、閘門開度、水位曲線、壓力等）上傳至遠(yuǎn)控級(jí)。通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地控制級(jí)建立通信，在工作站的監(jiān)測(cè)監(jiān)控界面上顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，同時(shí)下發(fā)控制命令，監(jiān)督現(xiàn)地監(jiān)控單元對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令的執(zhí)行?，F(xiàn)地控制級(jí)是系統(tǒng)最后一級(jí)也是最優(yōu)先的一級(jí)控制，它接受各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)；向上接收上級(jí)控制主機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令，并上傳現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制。

3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備功能

黃沙港閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)包括閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

3.1 閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)

閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)具備如下功能：閘門啟閉系統(tǒng)調(diào)控功能、閘位高度監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理功能、外海潮位與內(nèi)河水位監(jiān)測(cè)及排水量計(jì)算、運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)保存及各種報(bào)表功能、船閘運(yùn)行通航信號(hào)指揮及自動(dòng)廣播功能、報(bào)警及保護(hù)功能、多媒體人機(jī)界面及語(yǔ)音廣播提示操作導(dǎo)航功能等。

3.1.1 閘門啟閉系統(tǒng)調(diào)控功能

閘門的啟閉方式分為兩種：正常情況下，使用微機(jī)自動(dòng)控制；工程檢修及現(xiàn)場(chǎng)緊急控制情況下，使用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)地控制柜控制。

閘門現(xiàn)地控制柜具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、自動(dòng)控制功能，主要完成閘門開度數(shù)據(jù)采集、閘門開度數(shù)據(jù)管理、集中開展閘門的啟閉，電機(jī)過(guò)流、過(guò)壓、缺相，上限、超上限、下限、超下限及傳感器失效、通信失敗等保護(hù)功能；接受集中控制層指令并向上位機(jī)層傳送數(shù)據(jù)?，F(xiàn)地單位內(nèi)部自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)地的操作面板，可以完成對(duì)相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控。每一孔現(xiàn)地控制柜位于各個(gè)閘門啟閉機(jī)室內(nèi)，各采用一臺(tái)KDY-1A 閘門開度控制儀完成現(xiàn)地層監(jiān)視和控制功能?，F(xiàn)地層人機(jī)操作界面采用LED 數(shù)碼顯示，實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)地層的開度設(shè)定和實(shí)際開度顯示。

各現(xiàn)地控制KDY-1A 閘門開度控制儀通過(guò)通信模塊組成總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)地控制柜面板上設(shè)置控制權(quán)限開關(guān)，當(dāng)開關(guān)處于現(xiàn)地位置時(shí)，集控層的操作無(wú)效；開關(guān)處于遠(yuǎn)程位置時(shí)，現(xiàn)地層釋放權(quán)限，由集控層進(jìn)行系統(tǒng)控制。

現(xiàn)地控制分為現(xiàn)地手動(dòng)和現(xiàn)地自動(dòng)。通常的升、降、停按鈕控制為“現(xiàn)地手動(dòng)”；由KDY-A 閘門開度控制儀進(jìn)行數(shù)字定稿控制為“現(xiàn)地自動(dòng)”。根據(jù)工況要求設(shè)定閘門開啟度，當(dāng)閘門啟閉時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)定高度將自動(dòng)停止。

3.1.2 閘位高度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理功能

閘位高度檢測(cè)是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。使用國(guó)外進(jìn)口的高精度絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器加工業(yè)級(jí)微處理機(jī)組成的智能化多圈閘位測(cè)量?jī)x對(duì)閘門進(jìn)行閘位檢測(cè)，測(cè)量精度達(dá)毫米級(jí)，并直接輸出閘門開啟的高度值。智能化閘位測(cè)量?jī)x可對(duì)閘門的零位、方向、開度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，一次設(shè)定永久保存（可達(dá)100年不變）。

3.1.3 外海潮位與內(nèi)河水位監(jiān)測(cè)及排水量計(jì)算

采用最新的激光測(cè)量?jī)x測(cè)量海水潮位。激光液位測(cè)量范圍為0.2～100 m，最大誤差小于±3 mm。測(cè)量的關(guān)鍵部位采用國(guó)外進(jìn)口激光測(cè)距儀，傳感器與液體不接觸。根據(jù)閘門過(guò)水?dāng)嗝婧蛯?shí)測(cè)水位差，計(jì)算過(guò)閘流量及總排水量。

3.1.4 運(yùn)行工程數(shù)據(jù)庫(kù)保存及各種報(bào)表功能

對(duì)采集的定時(shí)數(shù)據(jù)與檢測(cè)的事件進(jìn)行在線計(jì)算，打印輸出各種運(yùn)行日志和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

（1）泄水量統(tǒng)計(jì)。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按任意時(shí)段對(duì)當(dāng)月、當(dāng)年的泄水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為資料保存。

（2）事故及故障統(tǒng)計(jì)記錄。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)當(dāng)月、當(dāng)年的各類事故及故障的內(nèi)容和次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為資料保存。

（3）參數(shù)越限統(tǒng)計(jì)記錄。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)當(dāng)班、當(dāng)月、當(dāng)年的參數(shù)越限情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)記錄下來(lái)的各類事故及故障的內(nèi)容和次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為資料保存。

（4）設(shè)備運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。作為設(shè)備使用情況和壽命及運(yùn)行安全可靠性判別的依據(jù)，運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)如開閘日期、操作人員、上下游水位、過(guò)閘流量、開閘空疏、開啟高度等參數(shù)將保存于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。同時(shí)，顯示或打印各種報(bào)表，即：日?qǐng)?bào)表（運(yùn)行閘次、開閘孔數(shù)、排水流量、水位、操作人員等有關(guān)參數(shù)）、月報(bào)表及年報(bào)表。按要求可隨時(shí)查詢打印各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表和水位、流量等曲線數(shù)據(jù)。

3.1.5 船閘運(yùn)行通航信號(hào)指揮及自動(dòng)廣播功能

（1）通航孔閘門控制。①自動(dòng)控制。通航孔閘門具備“平潮開門”功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到上下游水位相同時(shí)可根據(jù)船只進(jìn)出情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開門、關(guān)門功能。②現(xiàn)地控制。通過(guò)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地操作功能。③上位機(jī)顯示。在工控機(jī)上有通航孔閘門運(yùn)行狀況模擬顯示，通過(guò)模擬顯示，運(yùn)行人員可監(jiān)視閘門開關(guān)狀態(tài)，方便操作運(yùn)行。

（2）交通信號(hào)。通航孔配有紅、綠雙色交通信號(hào)燈，系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)船只進(jìn)出閘的情況按交通信號(hào)程序進(jìn)行指示，同時(shí)保留手動(dòng)控制信號(hào)。

（3）廣播系統(tǒng)。控制室配有廣播系統(tǒng)，在通航孔上下游設(shè)置了高音喇叭，控制室內(nèi)設(shè)有話筒與擴(kuò)音設(shè)備。通過(guò)廣播系統(tǒng)，運(yùn)行人員能指揮船只有序進(jìn)出閘，便于運(yùn)行管理。

3.1.6 報(bào)警及保護(hù)功能

系統(tǒng)對(duì)各開關(guān)狀況、運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)自動(dòng)處理并推出報(bào)警窗口和報(bào)警信號(hào)，語(yǔ)音提示報(bào)警內(nèi)容。系統(tǒng)具有電機(jī)過(guò)載保護(hù)、閘門限位保護(hù)以及超限多級(jí)保護(hù)等功能，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，采用模塊積木式結(jié)構(gòu)：“上位微機(jī)集控”、“現(xiàn)地自動(dòng)”和“現(xiàn)地手動(dòng)”三層結(jié)構(gòu)，一旦上位計(jì)算機(jī)故障，可實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)地自動(dòng)”方式，“現(xiàn)地自動(dòng)”發(fā)生故障，還可以“現(xiàn)地手動(dòng)”操作，做到任何情況下均不影響閘門開啟。在器材選用上，選用高質(zhì)量品牌產(chǎn)品。從保護(hù)措施上，采用軟硬件結(jié)合，多種方案，多級(jí)保護(hù)，采用電子式多功能保護(hù)器替代傳統(tǒng)的熱繼電器，使用多級(jí)行程極限保護(hù)及上、下微機(jī)程序閉鎖軟件保護(hù)，一旦發(fā)生故障自動(dòng)停止啟閉操作。

3.1.7 多媒體人機(jī)界面及語(yǔ)音廣播提示操作導(dǎo)航功能

計(jì)算機(jī)操作的人機(jī)界面在編程上采用了“傻瓜式”操作方式：①圖形畫面形象直觀、簡(jiǎn)潔；②操作按鈕簡(jiǎn)單明了；③主要參數(shù)一目了然。

閘門運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬與數(shù)字顯示并舉，同時(shí)增加語(yǔ)音導(dǎo)向操作系統(tǒng)、故障自動(dòng)判斷提示系統(tǒng)和安全運(yùn)行廣播系統(tǒng)，對(duì)閘門的每一步操作均有語(yǔ)音提示，使工作人員操作既輕松簡(jiǎn)單又正確無(wú)誤。發(fā)生故障時(shí)，用語(yǔ)音提示故障內(nèi)容，使人機(jī)操作進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人性化；開閘泄洪時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)高保真擴(kuò)音系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行安全廣播，使管理安全化、文明化、人性化。

3.1.8 系統(tǒng)可靠性

為保證系統(tǒng)的高可靠性，除選用高可靠性的硬件設(shè)備外，還采取了以下措施：

（1）采用分布式結(jié)構(gòu)。正常工作狀態(tài)下，各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元在系統(tǒng)的集中指揮下運(yùn)行，但在緊急情況下或系統(tǒng)故障時(shí)也可獨(dú)立運(yùn)行。個(gè)別現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單位故障，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)或其他單元構(gòu)成影響。

（2）系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)置監(jiān)控定時(shí)器（看門狗）功能。

（3）監(jiān)控軟件選用先進(jìn)并應(yīng)用成熟的監(jiān)控軟件包開發(fā)應(yīng)用軟件，確保系統(tǒng)軟件運(yùn)行的高可靠性和安全性。

（4）對(duì)控制指令的發(fā)布規(guī)定操作權(quán)限，命令傳送須經(jīng)過(guò)巡回認(rèn)證，數(shù)據(jù)采集經(jīng)過(guò)合理性判別和處理，避免了誤操作。

（5）系統(tǒng)處于強(qiáng)電環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的輸入信號(hào)均采用光隔技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元采用浮空地技術(shù)，輸出信號(hào)采用光隔加中間繼電器隔離等保護(hù)措施以及對(duì)重要設(shè)備、重要信號(hào)線路與電源等線路裝設(shè)各類浪涌保護(hù)器，以防工業(yè)干擾和雷電影響，減少了數(shù)據(jù)出錯(cuò)和元件損壞。

（6）在監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置防火墻，對(duì)外部指令進(jìn)行鑒別和過(guò)濾，確保了系統(tǒng)的安全。

3.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

通過(guò)設(shè)置視頻監(jiān)視設(shè)施，運(yùn)行人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接的觀察了解，其作為對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，能幫助運(yùn)行人員進(jìn)行綜合判斷，視頻監(jiān)視系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)視頻圖像信號(hào)傳輸。

3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

攝像監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置：黃沙港閘外海、內(nèi)河側(cè)和公路橋各設(shè)1 臺(tái)變焦變倍室外型攝像機(jī)，通航孔設(shè)2 臺(tái)定焦室外型攝像機(jī)；硬盤錄像機(jī)、顯示器等設(shè)備放置在閘控制室操作臺(tái)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘及周圍場(chǎng)所的全方位監(jiān)視和管理；視頻監(jiān)視系統(tǒng)與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸；視頻主機(jī)選用網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品，系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)的C/S 和B/S 雙重結(jié)構(gòu)，支持Web 瀏覽及遠(yuǎn)程控制管理。

系統(tǒng)的控制設(shè)備采用了1 套多媒體硬盤錄像機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，其不僅具有完善的多媒體控制功能，還集成了硬盤錄像功能、報(bào)警采集功能、查詢調(diào)用功能、多畫面顯示功能、Web 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能和矩陣切換控制功能等。通過(guò)Web 服務(wù)器功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的壓縮和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸，遠(yuǎn)端用戶能調(diào)用和觀察系統(tǒng)任意一幅圖像。

3.2.2 系統(tǒng)功能

（1）自動(dòng)切換和掃描圖像。根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定的時(shí)間，在設(shè)置好的終端設(shè)備上顯示并自動(dòng)切換圖像，并可顯示不同監(jiān)視點(diǎn)的圖像，對(duì)每個(gè)全方位攝像點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描，便于及時(shí)掌握各監(jiān)控點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的運(yùn)行情況。

（2）圖像手動(dòng)切換。圖像可由運(yùn)行人員控制在各監(jiān)控點(diǎn)之間進(jìn)行切換。

（3）圖形可控。系統(tǒng)可對(duì)攝像機(jī)可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈及全方位云臺(tái)上、下、左、右任意組合的方向進(jìn)行控制和操作，為運(yùn)行人員提供滿意的圖像效果。

（4）多畫面分割。系統(tǒng)能夠通過(guò)微機(jī)同時(shí)對(duì)多個(gè)攝像點(diǎn)的圖像進(jìn)行觀察，并任意組合以多畫面的方式顯示，即：可以八畫面、五畫面、四畫面或單畫面靈活顯示圖像。

（5）圖像存儲(chǔ)或回放。視頻主機(jī)監(jiān)控軟件可自由錄像（存儲(chǔ)到硬盤），并可通過(guò)系統(tǒng)播放軟件回放圖像。

（6）瀏覽、控制功能。系統(tǒng)預(yù)留接口與局域網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上機(jī)可通過(guò)Web 方式瀏覽、授權(quán)機(jī)可控制等功能。

（7）多級(jí)口令設(shè)置及操作設(shè)置。在視頻系統(tǒng)中提供三級(jí)安全和保密控制：一是一般查詢功能；二是存在功能，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，即可以進(jìn)行查詢，也可以進(jìn)行控制；三是系統(tǒng)管理員，除了具有操作員的一切功能外，還能對(duì)存儲(chǔ)圖像等進(jìn)行管理。為了保證系統(tǒng)安全性，各種登錄形式都需要口令。

（8）設(shè)備自身維護(hù)和檢測(cè)。系統(tǒng)軟硬件具備自動(dòng)通訊檢測(cè)和自我維護(hù)功能，對(duì)系統(tǒng)自身故障能及時(shí)予以告警和記錄，如發(fā)生誤操作和部分故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

（9）硬盤錄像功能。本視頻微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件自動(dòng)把數(shù)字圖像存儲(chǔ)到硬盤上（圖像格式為MPG），并可通過(guò)系統(tǒng)播放軟件將圖像播放出來(lái)。

（10）圖像壓縮傳輸功能。系統(tǒng)可將所有監(jiān)視點(diǎn)的圖像進(jìn)行壓縮處理后，通過(guò)LAN/WAN，DNN 等方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)圖像瀏覽。

（11）歷史資料查詢。用戶可通過(guò)系統(tǒng)對(duì)指定時(shí)限內(nèi)的圖像、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢和回放。

4 結(jié)論

黃沙港閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，更新了傳統(tǒng)的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了水閘的自動(dòng)化控制，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)自建成投運(yùn)以來(lái)，按照水管工程“管養(yǎng)分離”的體制要求實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值班，少人值班”的基本目標(biāo)，結(jié)束了依靠人工監(jiān)測(cè)、監(jiān)視的歷史，達(dá)到了預(yù)期的效果。