淺談人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

■吳仕盛 ■廣州市白云區(qū)人和攔河壩管理所，廣州 廣東 510470

1 工程概括

廣州市白云區(qū)人和攔河壩樞紐工程位于廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn)流溪河上游，距離流溪河河口約18．3km，距離上游李溪攔河壩梯級(jí)約13．2km，距離廣州市中心城區(qū)約20km。工程始建于1971年2月，2008年10月進(jìn)行重建，該重建樞紐工程包括重建攔河閘壩、電站、綜合管理樓、通航船閘等。電站屬于壩后式電站，5臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2000kw。攔河閘閘門采用液壓全自動(dòng)化中央控制室操作。攔河閘總寬151米，設(shè)閘孔12孔，單孔寬10米。船閘為人字型閘門。攔河壩上游集雨面積為2100km2，設(shè)計(jì)排洪能力為五十年一遇，泄洪流量2350m3/s，校核排洪能力為百年一遇，泄洪流量2650m3/s。工程等級(jí)為Ⅱ等，屬于大(2)型水閘。該樞紐工程是集防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)為一體的水利樞紐工程。

為確保攔河壩安全度汛，增強(qiáng)管理的系統(tǒng)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性。因此在2008年重建時(shí)，特增設(shè)閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，以提高人和攔河壩管理自動(dòng)化水平及流溪河防汛調(diào)度安全的可靠性、精確性、靈活性。

2 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

目前水利行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)分為三類:以工控機(jī)為核心的集中控制系統(tǒng)、以微控制器為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)、基于PLC的分布式水閘群控制系統(tǒng)。其中以工控機(jī)為核心的集中控制系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資小的優(yōu)點(diǎn)，在人和攔河壩水閘控制中就采用此種控制方式，從理論角度分析包括現(xiàn)地控制部分和集中控制部分，前者由泵房的現(xiàn)地控制屏柜完成，后者由中控室內(nèi)的集中控制系統(tǒng)完成。

2．1 現(xiàn)地控制部分

(1)閘門本地控制模塊:本地設(shè)置升、降、停控制按鈕，電氣接線上通過直接控制電機(jī)接觸器線包的方式，在本地控制閘門的啟閉，本地控制主要用于閘門的檢修啟閉和緊急情況下的備用啟閉。(2)閘門采集模塊:采用電子或機(jī)械式的傳感器直接連接閘門旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)獲取閘位信息，實(shí)時(shí)上傳到集控中心的工控電腦中。(3)水位采集模塊:在指定的水位點(diǎn)投放水位儀探頭，并就近裝設(shè)信號(hào)適配器。將小信號(hào)的模擬器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)上傳到集控中心的工控電腦中。(4)視頻采集模塊:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形在本地裝設(shè)工業(yè)級(jí)紅外攝像頭，通過視頻信號(hào)線傳輸?shù)郊刂行?。工控電腦加設(shè)視頻模數(shù)轉(zhuǎn)化的PCL總線硬件卡，且根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)輸入通道的視頻卡，將視頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)用于監(jiān)控器顯示和硬盤儲(chǔ)存。

2．2 集中控制部分

(1)觸摸屏監(jiān)控設(shè)備:人機(jī)交互界面采用夜晶觸摸屏方式，用戶通過接觸點(diǎn)擊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。主要用于各水位點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、閘門位置及運(yùn)行狀況的視頻監(jiān)測(cè)、閘門運(yùn)行控制、流量和水量關(guān)系曲線的查詢以及相關(guān)歷史圖表的調(diào)閱等。(2)閘門遠(yuǎn)程控制設(shè)備:集控中心的閘門遠(yuǎn)程控制設(shè)備分為兩套。一是觸摸屏上的智能控制方式，各閘門現(xiàn)地控制單元通過控制線與工控電腦的板載DI/DO卡相連接，系統(tǒng)通過控制DI/DO卡的無源觸點(diǎn)控制遠(yuǎn)程閘門的啟閉。二是手動(dòng)控制按鈕方式，手動(dòng)的功能按鈕組直接通過控制線與遠(yuǎn)程對(duì)應(yīng)的現(xiàn)地控制單元連接，在工控電腦故障情況下完成閘門的緊急啟閉功能，以此作為集中控制的安全備用系統(tǒng)。

3 攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

(1)人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)概況。人和攔河壩水閘監(jiān)控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括中央控制室(中控室)和現(xiàn)場(chǎng)操控室(啟閉機(jī)房)。中控室主要由計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、圖像顯示屏及其他機(jī)械設(shè)備構(gòu)成;啟閉機(jī)房主要置放閘門控制柜和發(fā)動(dòng)機(jī)等器件。圖像監(jiān)控系統(tǒng)包括控制、顯示和記錄設(shè)備，如攝像機(jī)、監(jiān)視器、解碼器和硬盤機(jī)等。(2)人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)功能。從硬件角度分析，人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)、采集、傳輸、分析數(shù)據(jù)，結(jié)合圖像監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)掌握水閘現(xiàn)況、閘門運(yùn)行及水閘區(qū)域?qū)崟r(shí)情況，從而對(duì)水閘實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和管理。從軟件角度分析，該系統(tǒng)通過采用總線分布式控制模式，實(shí)現(xiàn)泄水閘12孔閘門的遠(yuǎn)程集中控制。該壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)關(guān)鍵在于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過Ethernet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各計(jì)算機(jī)之間的通訊;而核心在于系統(tǒng)控制層，其重點(diǎn)由PLC(可編程序控制器)來完成，主要負(fù)責(zé)12孔泄水閘門的閘位、上下游水位、降雨量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。(3)人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)操用。按照設(shè)計(jì)要求，該壩防汛上限水位為5．6m，警戒水位為5．3m，當(dāng)達(dá)到警戒水位時(shí)，可自動(dòng)設(shè)定閘門開度，并進(jìn)行閘門啟閉操作。結(jié)合實(shí)際，該壩采用對(duì)水閘進(jìn)行非汛期遠(yuǎn)程控制和汛期現(xiàn)場(chǎng)人工控制相結(jié)合的方式。通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)啟閉閘門，要求先開啟中間兩孔閘門，后對(duì)稱、間隔按同一開度逐次開啟其兩側(cè)閘門，閉閘與開門順序相反。

4 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

(1)在效率上，運(yùn)行和管理都得到極大的提高。人和攔河壩重建之前，主要靠人工觀察和經(jīng)驗(yàn)管理，造成一定的運(yùn)轉(zhuǎn)誤差。實(shí)施自動(dòng)化管理后，人和攔河壩閘門的運(yùn)行得到了優(yōu)化和改進(jìn)，降低了重復(fù)使用設(shè)備帶來的損壞率，延長了相關(guān)設(shè)備使用壽命和維護(hù)周期。(2)在性能上，增強(qiáng)了可靠性和安全性。由于閘門在防洪抗災(zāi)中至關(guān)重要，一般都是水利水電樞紐工程的關(guān)鍵，閘門出現(xiàn)問題，將直接對(duì)攔河壩工程安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，危害大壩的安全，甚至可能引發(fā)大壩潰決。該系統(tǒng)避免了人為誤操作等可能造成的設(shè)備毀損，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。(3)在實(shí)用上，減輕了管理人員的工作強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)集控室的遠(yuǎn)程監(jiān)視，維持正常蓄水位5．30m不變，減少了職工數(shù)量和工作強(qiáng)度，達(dá)到減員增效的目的。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)仍存在幾個(gè)弊端，主要有:(1)控制系統(tǒng)失靈問題。本工程采用PLC控制柜單一控制模式，且控制系統(tǒng)無備用設(shè)施，一旦出現(xiàn)控制柜程序失控、線路故障、液壓漏油等控制系統(tǒng)失靈方面險(xiǎn)情，將嚴(yán)重威脅攔河壩的安全。(2)重建后的攔河壩無滲流、變形監(jiān)測(cè)設(shè)施，無浸潤線觀測(cè)孔和變形觀測(cè)點(diǎn)，在滲流、變形監(jiān)測(cè)設(shè)施方面仍需完善改進(jìn)，建議將檢測(cè)信號(hào)線端口接入水閘危機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，以方便實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)r河壩的運(yùn)行。

［1］周建國，曹炬，姚金斌，單片機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001、9．

［2］SL75-94，水閘技術(shù)管理規(guī)程［S］．1994．

［3］劉柏青．水利工程管理自動(dòng)化［M］．武漢大學(xué)出版社，2002．