一種大中型水閘智能監(jiān)控裝置的研究及應(yīng)用

談 震 ，施 翔 ，王 榮 ，莫兆祥 ，魏 偉

（1. 南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 210029；

2. 江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；3. 江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇 南京 210029；

4. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210029）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，SCADA、工業(yè)以太網(wǎng)、高精度傳感器等工業(yè)技術(shù)的日趨成熟，采用計(jì)算機(jī)、PLC、網(wǎng)絡(luò)、智能閘門測控儀（開度儀）、旋轉(zhuǎn)編碼器、閘位傳感器、水位計(jì)、上位機(jī)監(jiān)控軟件等多種現(xiàn)代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)閘門智能監(jiān)控已經(jīng)成為可能[1]。目前，傳統(tǒng)大中型水閘監(jiān)控方式普遍采用組態(tài)軟件及 PLC 進(jìn)行閘門升、降、停的點(diǎn)對點(diǎn)控制，或利用組態(tài)軟件進(jìn)行簡單的多個(gè)閘門聯(lián)合控制。但這種監(jiān)控方式存在以下一些問題：

1）由于組態(tài)軟件及 PLC 種類多，不同類型的軟硬件編程方式不同，對管理人員的自動化技術(shù)水平要求較高，造成設(shè)備運(yùn)維管理難度加大。

2）水閘的遠(yuǎn)程控制多依賴于組態(tài)軟件。當(dāng)上位機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，水閘的遠(yuǎn)程控制便無法實(shí)現(xiàn)，需運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場控制。

3）當(dāng)工程調(diào)度指令下達(dá)后，需人工計(jì)算閘門開高并校核，閘門需結(jié)合計(jì)算開高一個(gè)個(gè)進(jìn)行升、降、停操作，時(shí)間周期較長，運(yùn)行效率低，未能實(shí)現(xiàn)閘門智能控制。

針對這些問題，介紹大中型水閘智能監(jiān)控裝置（以下簡稱智能監(jiān)控裝置）的開發(fā)及優(yōu)化控制執(zhí)行閘門自動啟閉功能的實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到水閘脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的目的。

1 智能監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控裝置是對傳統(tǒng)水閘監(jiān)控方式的提升，能在水閘總體調(diào)度目標(biāo)要求下，實(shí)現(xiàn)多孔閘門的自動化調(diào)度控制，提高水閘的調(diào)度效率和運(yùn)用便捷性。

1.1 設(shè)計(jì)原則

智能監(jiān)控裝置應(yīng)在水閘工程的總體調(diào)度目標(biāo)要求下遵從“兩條曲線”（始流時(shí)閘下安全水位-流量和閘門開高-水位-流量2條關(guān)系曲線）控制調(diào)度原則，確保開閘時(shí)的過閘水流和關(guān)閘時(shí)的水位降落都平穩(wěn)，避免發(fā)生集中、折沖水流，以及回流、漩渦等不良流態(tài)，沖毀消力池、底板、海曼等水工設(shè)施，及閘門開啟高度在發(fā)生振動的位置。

1.2 設(shè)計(jì)方向

智能監(jiān)控裝置力求達(dá)到脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水閘智能化群控。智能監(jiān)控裝置要能與現(xiàn)場1個(gè)或多個(gè)閘門現(xiàn)地控制單元（LCU）實(shí)現(xiàn)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、判斷、分析，并通過內(nèi)置的智能群控調(diào)度算法，最終達(dá)到根據(jù)給定泄水流量，自動計(jì)算啟閉孔數(shù)、單孔流量、開高，完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的功能，從而減少運(yùn)行人員參與，實(shí)現(xiàn)水閘的“無人值班、少人值守、智能管理”。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

考慮到智能監(jiān)控裝置需暴露在高低溫、潮濕、振動、電磁干擾等惡劣工作環(huán)境下長時(shí)間及不間斷地穩(wěn)定運(yùn)行，智能監(jiān)控裝置采用堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)機(jī)架安裝，存儲采用非機(jī)械式的 DOM 電子硬盤，減少機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件；內(nèi)部采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，配備 Intel x86 處理器，VGA 接口，4 個(gè)千兆以太網(wǎng)口，多個(gè) RS-232/422/485 串口，2 個(gè) PCI 插槽，1 個(gè)CF 卡插槽和4個(gè) USB 接口。智能監(jiān)控裝置所有串口具備2kV 光電隔離保護(hù)，可以保證在苛刻的工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的通信。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控裝置軟件設(shè)計(jì)主要從3個(gè)技術(shù)要求出發(fā)：具有成熟的嵌入式軟件平臺；具有閘門群控的調(diào)度控制算法；具有與上位機(jī)后臺系統(tǒng)及各閘門自動化控制裝置之間的多種通信數(shù)據(jù)接入方式。

基于3個(gè)技術(shù)要求，智能監(jiān)控裝置采用嵌入式XPE 操作系統(tǒng)作為軟件平臺，各軟件模塊基于該平臺進(jìn)行開發(fā)。在調(diào)度控制算法方面，考慮開高-水位-流量曲線、過閘流量計(jì)算公式等多種控制模式，使智能監(jiān)控裝置具有組態(tài)配置功能，方便適用不同樞紐場合；在智能監(jiān)控裝置與外部數(shù)據(jù)交換方面，采用通用 OPC（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control）技術(shù)，解決設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)及現(xiàn)場總線系統(tǒng)中異構(gòu)網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)交換和不同數(shù)據(jù)的集成等問題。智能監(jiān)控裝置工作原理圖如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控裝置工作原理圖

軟件功能主要由以下3組模塊實(shí)現(xiàn)：1）數(shù)據(jù)采集和控制模塊。負(fù)責(zé)閘門數(shù)據(jù)的采集和控制指令下發(fā)，采用 OPC 技術(shù)，支持各類常用通信協(xié)議。2）閘門群控調(diào)度模塊。負(fù)責(zé)控制策略的計(jì)算和實(shí)現(xiàn)，支持配置修改，在不同的項(xiàng)目應(yīng)用場景中靈活配置閘門的數(shù)量、基礎(chǔ)參數(shù)及群控調(diào)度方案。3）人機(jī)接口和告警模塊。主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面顯示、操作和告警等功能，支持觸摸屏及上位機(jī)等多種人機(jī)模式。智能監(jiān)控裝置軟件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控裝置軟件設(shè)計(jì)原理圖

2 智能監(jiān)控裝置關(guān)鍵技術(shù)

在閘門控制領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)由分散的子系統(tǒng)構(gòu)成，并且各子系統(tǒng)往往采用不同廠家的設(shè)備和方案。因此，控制系統(tǒng)需要解決分散子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一協(xié)調(diào)相應(yīng)控制指令的問題，如考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的升級和調(diào)整，各子系統(tǒng)還應(yīng)具備統(tǒng)一的開放接口。

智能控制裝置的軟件開發(fā)遵循 OPC 規(guī)范，OPC是工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的硬件和軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)接口[2]，因顯著改善了工業(yè)控制多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)訪問性能，現(xiàn)已成為工業(yè)界系統(tǒng)互聯(lián)的缺省方案，為工業(yè)監(jiān)控編程帶來便利。OPC 的出現(xiàn)為基于 Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁[3]。OPC 標(biāo)準(zhǔn)以 OLE 技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的 OLE/COM（Component Object Model） 接口完成的，在 OPC 技術(shù)中使用的是 OLE2技術(shù)，OLE 標(biāo)準(zhǔn)允許多臺微機(jī)之間交換文檔、圖形等對象。

COM 是所有 OLE 機(jī)制的基礎(chǔ)。COM 是一種為實(shí)現(xiàn)與編程語言無關(guān)的對象而制定的標(biāo)準(zhǔn)，將Windows 下的對象定義為獨(dú)立單元，可不受程序限制地訪問這些單元。這種標(biāo)準(zhǔn)可以使2個(gè)應(yīng)用程序通過對象化接口通訊，而不需要知道對方是如何創(chuàng)建的。例如，用戶可以使用 C++ 語言創(chuàng)建一個(gè) Windows 對象，支持一個(gè)接口，通過該接口，用戶可以訪問該對象提供的各種功能，用戶可以使用Visual Basic，C，Pascal，Smalltalk 或其它語言編寫對象訪問程序。在 Windows NT4.0 操作系統(tǒng)下，COM 規(guī)范擴(kuò)展到可訪問本機(jī)以外的其它對象，一個(gè)應(yīng)用程序所使用的對象可分布在網(wǎng)絡(luò)上，COM 的這個(gè)擴(kuò)展被稱為 DCOM（Distributed COM）。

通過 DCOM 技術(shù)和 OPC 標(biāo)準(zhǔn)，可以創(chuàng)建一個(gè)開放的、可互操作的控制軟件。OPC 采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)或第三方廠家，以 OPC 服務(wù)器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性[4]。

OPC 服務(wù)器通常支持自定義和自動化2種類型的訪問接口，分別為不同的編程語言環(huán)境提供訪問機(jī)制。自定義接口是專門為 C++ 等高級編程語言制定的標(biāo)準(zhǔn)接口；自動化接口通常是為基于腳本編程語言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以使用 Visual Basic，Delphi，PowerBuilder 等編程語言開發(fā) OPC 服務(wù)器的客戶應(yīng)用。

3 智能監(jiān)控裝置工程應(yīng)用

3.1 沙集節(jié)制閘工程概況

江蘇省沙集閘站位于江蘇省睢寧縣沙集鎮(zhèn)南約2 km 的徐洪河上，下游距洪澤湖 72 km，1993 年竣工投運(yùn)[5]，為南水北調(diào)東線第五梯級抽水站，江水北調(diào)徐洪河線第一級抽水站。該工程整體結(jié)構(gòu)采用閘站合一的形式，中間是設(shè)計(jì)抽水流量為 50 m3/s 的抽水站，兩側(cè)布置設(shè)計(jì)流量為 200 m3/s，校核流量為 400 m3/s 的節(jié)制閘，全部工程按1級水工建筑物設(shè)計(jì)，抗震標(biāo)準(zhǔn)按 9 度地震烈度設(shè)防。節(jié)制閘共6 孔，每孔凈寬 6 m，平面直升鋼閘門，采用 2×160 kN 卷揚(yáng)式啟閉機(jī)控制。閘站設(shè)計(jì)水位組合為上游 21.50 m，下游 12.00 m[6]。

沙集節(jié)制閘現(xiàn)已安裝水閘監(jiān)控系統(tǒng)。水閘監(jiān)控系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)控制方式，不具備群控功能；閘門開高仍需人工計(jì)算執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)智能控制。將設(shè)計(jì)開發(fā)的智能監(jiān)控裝置應(yīng)用于該工程，為做好新舊系統(tǒng)的銜接，充分考慮與已建閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，智能監(jiān)控裝置通過配合觸摸屏實(shí)現(xiàn)脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。沙集節(jié)制閘閘門監(jiān)控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3所示。

3.2 沙集節(jié)制閘控制運(yùn)用原則

沙集節(jié)制閘閘門開啟首先要遵守以下2個(gè)原則：

1）閘門從中間向兩邊對稱開啟，減少水流對兩岸的沖刷；

圖3 沙集節(jié)制閘閘門監(jiān)控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2）閘門開高一般 ≥ 0.5 m，防止懸浮狀的樹枝等雜物卡在閘門板底部，損害閘門門板底部止水橡膠。

在遵守節(jié)制閘2個(gè)調(diào)度原則條件下，結(jié)合水閘實(shí)際情況，采用表1所示的控制運(yùn)用順序調(diào)度啟閉六孔閘門。

表1 沙集節(jié)制閘閘孔開啟控制運(yùn)用順序表

3.3 沙集節(jié)制閘控制曲線

3.3.1 始流時(shí)閘下安全水位-流量關(guān)系曲線

如果節(jié)制閘泄流流量較大，閘門不能一步開啟到位，要考慮節(jié)制閘的泄流安全，應(yīng)采取分步開啟的辦法，參照水閘始流時(shí)閘下安全水位-流量關(guān)系曲線進(jìn)行控制。對應(yīng)上游水位為 20.00 和 21.00 m 的沙集節(jié)制閘的安全始流曲線如圖4和 5 所示。

3.3.2 閘門開高-水位-流量關(guān)系曲線

為避免出閘水流出現(xiàn)不利流態(tài)，通過長期測流觀察，采用逐步圖解法率定出2個(gè)流量計(jì)算公式。

1）淹沒式孔流。計(jì)算公式為

圖4 沙集節(jié)制閘安全始流曲線（上游水位為 20.00 m）

圖5 沙集節(jié)制閘安全始流曲線（上游水位為 21.00 m）

式中：q為過閘流量；B為閘門開寬（單孔凈寬 6 m）；e為閘門開高；ΔZ為上游水位ZU和下游水位ZL之差。淹沒式孔流曲線如圖 6 所示。

圖6 沙集節(jié)制閘閘門開高-水位-流量關(guān)系曲線（淹沒式孔流）

2）自由式孔流。計(jì)算公式為式中：Hu 為上游水頭，是上游水位ZU和閘底板高程H0（本站為 15.0 m）之差。自由式孔流曲線如圖7所示。

圖7 沙集節(jié)制閘閘門開高-水位-流量關(guān)系曲線（自由式孔流）

3.4 智能監(jiān)控裝置的開高計(jì)算

首先根據(jù)E/Hu和HL/Hu的值利用流態(tài)判別曲線判斷流態(tài)，流態(tài)判別曲線選取的臨界值對照表如表2 所示，E是開高的估算值，估算如下：

式中：n為開啟孔數(shù)；HL為下游水頭。

表2 E/Hu 和 HL/Hu 流態(tài)判別曲線選取的臨界值對照表

然后根據(jù)流態(tài)選用流量計(jì)算公式。

1）淹沒式孔流。流量計(jì)算公式為

公式兩邊取對數(shù)：

根據(jù)流量的值和本站的調(diào)度方式，指定閘門開寬B的值，觀察上下游水位計(jì)算出水位差 ΔZ，代入式（6），可以計(jì)算出 lge的值，再通過冪函數(shù)運(yùn)算求出閘門開高e的值為 10 lge。

2）自由式孔流。流量計(jì)算公式為

公式兩邊取對數(shù)：

根據(jù)流量的值和本站的調(diào)度方式，指定閘門開寬B的值，觀察上下游水位計(jì)算出水位差 ΔZ，代入式（9），可以計(jì)算出 lge的值，再通過冪函數(shù)運(yùn)算可以求出閘門開高e的值為 10 lge。

3.5 智能監(jiān)控裝置的工作過程

智能監(jiān)控裝置通過網(wǎng)絡(luò)接口從觸摸屏等現(xiàn)地測控單元讀取各閘門的開度、上下游水位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收人機(jī)交互設(shè)備下達(dá)的目標(biāo)流量調(diào)節(jié)指令并開始執(zhí)行控制流程，達(dá)到最終控制目標(biāo)后，控制流程結(jié)束。工作過程如下：

1）確定節(jié)制閘泄洪流量。首先根據(jù)當(dāng)前上下游水位查算安全泄洪流量，如果指令流量小于安全流量，按照指令流量開啟；如果指令流量大于安全流量，按照安全流量開啟。

2）根據(jù)泄洪流量計(jì)算開高、開寬，交運(yùn)行人員實(shí)時(shí)調(diào)度。根據(jù)泄洪流量按照預(yù)先設(shè)定的工作經(jīng)驗(yàn)估算開高，流量 ＜ 100 m3/s，開高為 0.1 m 時(shí)， 流量為 4.0 m3/s；流量 ＞ 100 m3/s，開高為 0.1 m 時(shí)，流量為 3.5 m3/s。

根據(jù)上下游水位和估算開高，按照平底閘流態(tài)判別曲線判斷流態(tài)，根據(jù)流態(tài)選用公式（1）或（2），用開高計(jì)算方法計(jì)算出精確的開高、開寬。

3）30 min 后，再次讀取上下游水位，查看預(yù)先設(shè)定的水位變化閾值，如在合理的閾值范圍內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前上、下游水位，查算安全流量，重新確定閘門泄洪流量，重新計(jì)算、調(diào)度；如果水位波動不在閾值范圍，繼續(xù)等待下一個(gè)執(zhí)行周期。如此反復(fù)直到閘門泄洪流量達(dá)到上級要求為止。

智能監(jiān)控裝置在參與群控調(diào)節(jié)時(shí)也考慮了單個(gè)閘門選取、現(xiàn)場設(shè)備故障等情況。在參與群控調(diào)節(jié)前，提供單個(gè)閘門是否參與群控的切換軟開關(guān)；在群控過程中發(fā)現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，智能監(jiān)控裝置自動判斷每次調(diào)節(jié)是否達(dá)到預(yù)期階段目標(biāo)，在識別到異常后自動終止控制流程并告警，人工確認(rèn)告警信號后，才能再次進(jìn)行控制。

4 結(jié)語

大中型水閘智能監(jiān)控裝置在沙集節(jié)制閘中得到了成功應(yīng)用，每次啟閉均可按照水閘的“兩條曲線”控制調(diào)度原則完成閘門啟閉控制工作，實(shí)現(xiàn)了閘門的獨(dú)立遠(yuǎn)程智能群控，操作簡便，工作效率高，糾錯(cuò)功能強(qiáng)，較以往傳統(tǒng)的閘門測控方式更趨于集成化、智能化。

目前，對于有“兩條曲線”控制調(diào)度原則的水閘工程，無論被控閘門是平板、弧型或升臥式閘門，啟閉方式是卷揚(yáng)式、液壓式或螺桿式，都可以參考借鑒智能監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，進(jìn)而用于水電廠、水庫、河道、供水渠等多種工程環(huán)境的閘門控制。同時(shí)，智能監(jiān)控裝置正常運(yùn)行還有利于提高現(xiàn)場傳感器的硬件質(zhì)量和可靠性，如閘位計(jì)、旋轉(zhuǎn)編碼器、限位開關(guān)、通訊線路等。

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[6] 王麗，莫兆祥. 沙集泵站增效擴(kuò)容改造技術(shù)方案探討[J].中國水利，2014 (10): 45-46.