淺談遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在三汊河河口閘運(yùn)行管理中的運(yùn)用

(1.南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京　210036；2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤　223100)

1　水閘概況

三汊河河口閘位于江蘇省南京市外秦淮河入長江口處，是南京市秦淮河環(huán)境綜合整治工程的重要組成部分，主要功能是非汛期關(guān)閘蓄水，抬高武定門至三汊河入江口河段水位，改善城市河道景觀；汛期開閘行洪。閘門形式為雙孔護(hù)鏡門，閘門單孔寬40.0m，共2孔。每扇護(hù)鏡門為半圓拱形，拱內(nèi)圓半徑為21.2m，拱外圓半徑為22.8m，半圓形的門葉通過兩側(cè)拱腳支撐在中墩和側(cè)墩上。閘門在水平狀態(tài)時擋水、小門頂過流形成瀑布景觀。每扇護(hù)鏡門的頂部設(shè)有6扇可垂直升降的活動小門，用于調(diào)節(jié)水位。閘門開啟時，護(hù)鏡門以鉸軸為圓心向上轉(zhuǎn)動，到達(dá)60°時停止并鎖定。

每扇護(hù)鏡門操作采用2臺固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，單機(jī)功率30kW、電壓380V，啟閉機(jī)分別布置在閘門兩側(cè)的排架上，排架上設(shè)機(jī)房。門頂12扇活動小門的操作采用液壓啟閉機(jī)，單機(jī)功率6kW、電壓400V，每扇活動小門設(shè)2只液壓缸和1個油泵站，24只液壓缸和12個油泵站分別均勻布置在2扇護(hù)鏡門圓周上。

工程配備了先進(jìn)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過計算機(jī)控制2扇護(hù)鏡門和12扇活動小門的操作，同時監(jiān)視上下游的水位和閘門開度，確保擋水、泄洪功用，并可按預(yù)定或按值班人員要求控制河道景觀照明，采集、監(jiān)視電氣設(shè)備各項參數(shù)。整個系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、便捷，節(jié)省了人力、財力，作為一個創(chuàng)新的工程，為水閘的現(xiàn)代化控制與運(yùn)行管理提供了較好的參考價值。

2　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)架

三汊河河口閘計算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由主控級和現(xiàn)地單元控制級組成,整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如下圖所示。

三汊河河口閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

主控級包括互為冗余熱備的監(jiān)控主機(jī)、視頻監(jiān)視主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)、打印機(jī)和UPS。監(jiān)控主機(jī)是用來對水閘運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集查看和對閘門的遠(yuǎn)程控制，是人機(jī)交互的重要組成部分。視頻監(jiān)視主機(jī)主要用來對水閘工程現(xiàn)場的視頻監(jiān)視，同時兼具管理處辦公區(qū)域的安防作用。網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)用來與現(xiàn)場交換機(jī)進(jìn)行通信，是信號傳輸?shù)闹袠?。UPS為控制系統(tǒng)主要組成部件提供后備電源。

現(xiàn)地單元控制級包括PLC柜(含觸摸屏)、變頻器柜、開度編碼器、能耗制動電阻箱、配電柜和光纖以太網(wǎng)交換機(jī)等。其中兩套PLC協(xié)同變頻器、開度編碼器和能耗制動電阻箱分別控制兩臺卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)通過鋼絲繩拉動半圓形護(hù)鏡門兩側(cè)的拱腳，實現(xiàn)兩扇護(hù)鏡門的開啟和關(guān)閉，另外兩套PLC分別控制兩扇護(hù)鏡門上的活動小門；最后1套PLC用于景觀照明系統(tǒng)的控制及配電系統(tǒng)的重要參數(shù)采集監(jiān)視?，F(xiàn)場每個啟閉機(jī)室內(nèi)設(shè)有一臺配電柜，主要用來給現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備供電。變頻器主要用來調(diào)節(jié)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。開度編碼器負(fù)責(zé)將護(hù)鏡門的開度數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)地PLC?，F(xiàn)地各PLC實現(xiàn)對閘門開度、水位、限位開關(guān)、油溫、油壓、電磁閥位置等數(shù)據(jù)的采集和處理，接受主控級或現(xiàn)地命令，進(jìn)行閘門啟閉控制、同步調(diào)節(jié)，以及對所控設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測，同時將有關(guān)信息實時上送主控級。

3　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理

由于每扇護(hù)鏡門采用兩臺固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉，每扇門兩臺啟閉機(jī)之間無機(jī)械連接，吊點(diǎn)間可能不同步，會產(chǎn)生行程差，容易對閘門結(jié)構(gòu)造成扭曲等危害，因此每扇門兩臺啟閉機(jī)需要進(jìn)行同步控制，從而引入變頻器。護(hù)鏡門PLC的輸出端子與變頻器多功能端子相連，變頻器的多功能端子設(shè)置為多道速功能，并設(shè)置相應(yīng)頻率。PLC通過輸出端子閉合和斷開的組合，控制變頻器輸出不同的頻率，根據(jù)交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系公式：n=60f/p(n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電源頻率；p為電源磁極對數(shù))[1]可以看出，頻率的變化會使電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟著變化，從而精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使兩吊點(diǎn)間達(dá)到同步。

實際運(yùn)行控制過程中，管理人員在中央控制室對主控級的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行操作，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出的指令通過交換機(jī)和光纖通道下達(dá)現(xiàn)地PLC柜?，F(xiàn)地PLC在接收到指令后，首先會采集開度編碼器的即時開度數(shù)據(jù)，并通過輸出端子向變頻器傳達(dá)動作指令，變頻器調(diào)節(jié)電流頻率從而控制卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的轉(zhuǎn)速，使行程差控制在合理范圍內(nèi)(一般不超過2cm)。同時為保障控制系統(tǒng)的安全可靠，在PLC柜上還設(shè)有一套現(xiàn)地控制，可以在遠(yuǎn)程控制失靈的情況下對護(hù)鏡閘門進(jìn)行啟閉控制。另外，在啟閉過程中，為控制電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，避免出現(xiàn)電機(jī)加速對工程帶來的危害，為每臺卷揚(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)置一臺能耗制動電阻箱，用于抵消電機(jī)多余的動能，在電機(jī)同步后盡量保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)和平穩(wěn)啟停。當(dāng)護(hù)鏡門開啟到指定角度后，此時門體懸空，為更加安全地保障閘門固定，每臺啟閉機(jī)還設(shè)置一套機(jī)械鎖定裝置，通過鎖定裝置卡住卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的大齒輪，可以將護(hù)鏡門非常牢固地鎖定在指定角度，也為計算機(jī)遠(yuǎn)程控制的故障檢修預(yù)留條件。

控制液壓啟閉機(jī)小門的控制原理與上述護(hù)鏡大閘門控制類似，因為該工程不存在液壓啟閉機(jī)吊點(diǎn)同步的問題，所以略微簡單一點(diǎn)。管理人員在中央控制室對主控級監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行操作，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出的指令通過交換機(jī)和光纖通道下達(dá)現(xiàn)地小門PLC柜，小門PLC采集液壓啟閉機(jī)傳感器的開度等數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過運(yùn)算處理后通過輸出端給液壓啟閉機(jī)傳達(dá)動作指令以達(dá)到升降的目的。由于液壓啟閉機(jī)是液壓升降，中間是活塞桿，不像卷揚(yáng)式啟閉機(jī)有齒輪，所以沒有機(jī)械鎖定裝置，而是由電磁閥等元器件來固定小門高度，屬于全遠(yuǎn)程控制。

4　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)及建議

三汊河河口閘的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行多年，總體上非?？煽浚匾墓δ芑径寄軐崿F(xiàn)。在實際運(yùn)行過程中，有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：?運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能在中央控制室精確控制閘門的啟閉，并使閘門保持在設(shè)定的合理開度上，省去了現(xiàn)場操作的麻煩；?計算機(jī)組態(tài)軟件上顯示的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，能實時監(jiān)測閘門和各電氣設(shè)備的運(yùn)行工況，同時歷史數(shù)據(jù)存儲也比較完備，方便運(yùn)行人員的查詢和管理；?視頻監(jiān)控能及時掌握閘門上下游的安全情況，消除了影響閘門正常啟閉的安全隱患；?遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)地控制相結(jié)合，有效避免了在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)故障時無法對閘門進(jìn)行控制的狀況出現(xiàn)，起到雙保險的作用。

同時也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處：?每次系統(tǒng)斷電并恢復(fù)供電后，組態(tài)軟件界面數(shù)據(jù)有部分顯示全部為“*”號，需要點(diǎn)動護(hù)鏡大閘門才能恢復(fù)正常顯示,雖不影響大閘門正常啟閉，但畢竟還是存在一個小的故障，而液壓啟閉機(jī)小閘門并不存在顯示“*”號的問題；?隨著系統(tǒng)的不斷擴(kuò)充，UPS負(fù)載過重，導(dǎo)致斷電后續(xù)航不足半小時，若處理不及時容易造成服務(wù)器等設(shè)備的損害；?水位數(shù)據(jù)在冬天容易出現(xiàn)不正常顯示的現(xiàn)象，對液壓啟閉機(jī)小門的調(diào)節(jié)造成一定影響；?部分設(shè)備老化，動作時出現(xiàn)過失靈。

針對以上幾點(diǎn)不足，建議在后期的更新改造中注意以下幾點(diǎn)：?對組態(tài)軟件和PLC進(jìn)行升級，解決斷電后顯示“*”的問題；?對UPS擴(kuò)容，受管理處原UPS柜內(nèi)空間和房間場地的限制，可以在另一個設(shè)備間增設(shè)UPS柜，從而分流一部分負(fù)載、提高續(xù)航能力，減少停電對系統(tǒng)的損傷；?對水位計進(jìn)行更新，換成更先進(jìn)的品牌型號，解決低溫下顯示不正常的問題；?對老化的設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

5　結(jié)　語

水利現(xiàn)代化是當(dāng)前水利行業(yè)發(fā)展的重要方向，充分利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，可以有效提高水利工程管理的效率[2]，節(jié)省人力、財力。本文以三汊河河口閘的創(chuàng)新水閘工程為例，闡述了計算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實際使用效果良好，可供國內(nèi)中小型水閘的現(xiàn)代化控制和運(yùn)行管理借鑒。

[1]辜成林,陳喬夫,熊永前.電機(jī)學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué),2001.

[2]倪偉新.水利自動化與水利信息化[J].水利水文自動化,2004(1):1-3.