海寧智慧海塘旱閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王建華，高 峰

（浙江省錢塘江管理局嘉興管理處，浙江 嘉興314300）

1 建設(shè)背景

錢塘江河口從桐廬富春江電站起至上海蘆潮港與寧波鎮(zhèn)海連線，全長(zhǎng)282 km，是聞名世界的強(qiáng)朝河口，涌潮是錢塘江河口的一大特色。錢塘江北岸海塘上游起自杭州市西湖區(qū)社井，下游至平湖與上海金山交界的金絲娘橋，全長(zhǎng)181.29 km。錢塘江北岸海塘是保護(hù)杭嘉湖平原乃至蘇州、上海松江南緣地區(qū)防御臺(tái)風(fēng)暴潮侵襲的重要屏障，歷代朝政都十分重視海塘的建設(shè)。錢塘江古海塘大都建于明清時(shí)期，隨著江道變遷與河口整治，大部分已退居二線，至今海寧、海鹽仍有約40 km的古海塘位于臨江一線海塘承擔(dān)著防洪御潮的重任。1949年以來(lái)，錢塘江海塘維修和建設(shè)經(jīng)歷了1949～1957年、1958～1996年和1997～2003年3個(gè)階段。尤其是20世紀(jì)90年代后期，在省政府的部署下，臨江一線海塘進(jìn)行了全面的標(biāo)準(zhǔn)塘建設(shè)，北岸海塘防洪御潮能力有了明顯的提高，為保護(hù)杭嘉湖地區(qū)的防洪潮安全發(fā)揮了重要作用。

錢塘江北岸海寧段臨江一線海塘長(zhǎng)55.701 km（其中0.56 km為山體），分別由鹽倉(cāng)圍堤、北岸明清古海塘、尖山圍堤等組成，其中省管明清古海塘范圍為老鹽倉(cāng)大壩至塔山壩長(zhǎng)33.652 km。海塘為1級(jí)建筑物，按100年一遇洪（潮）水位加12級(jí)臺(tái)風(fēng)浪設(shè)計(jì)，允許部分越浪。標(biāo)準(zhǔn)海塘于2003年建成，建成以來(lái)運(yùn)行良好，已成功抵御了“0414”云娜、“0509”麥莎、“0515”卡努等多次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的侵襲，以及“0608”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”與“0713”韋帕、“201211”?？?、2013菲特等強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊，為保護(hù)杭嘉湖地區(qū)的防洪防潮安全發(fā)揮了重要的作用。

標(biāo)準(zhǔn)海塘建成以后，河口形勢(shì)發(fā)生了較大變化，尖山河灣整治工程已基本完成，岸線已按規(guī)劃治導(dǎo)線整治到位。據(jù)研究徑流在本河段沖刷能力加強(qiáng)，近岸灘地沖淤更加頻繁。海寧河段灘地高程隨之發(fā)生了較大的變化，近幾年近岸灘地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該段海塘塘前灘地普遍刷深。海塘建設(shè)完成運(yùn)行已多年，部分海塘出現(xiàn)了沉降、位移等問(wèn)題。海塘沿線有多處人字形鋼閘門(mén)，相隔距離較遠(yuǎn)，且多有形變。為了應(yīng)對(duì)上述所出現(xiàn)的問(wèn)題，本次信息化建設(shè)圍繞古海塘的安全加固和高效管理，將建設(shè)一整套完整的包含軟件與硬件相結(jié)合的海塘管理機(jī)制。

本文重點(diǎn)介紹智慧海塘旱閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)踐應(yīng)用。

2 總體構(gòu)架

錢塘江北岸海塘沿線堤防目前已安裝有人字型鋼閘門(mén)，主要用作防浪、限行的作用。由于鋼結(jié)構(gòu)閘門(mén)質(zhì)量大、且閘門(mén)多有變形等因素，造成每次閘門(mén)啟閉都頗為耗時(shí)耗力，而且每個(gè)閘門(mén)相隔較遠(yuǎn)，如遇突發(fā)情況，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行啟閉。

因此，本次項(xiàng)目建設(shè)擬定對(duì)各個(gè)人字型鋼閘門(mén)進(jìn)行改造，改造后可實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的電氣控制以及遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)改造部分包括對(duì)閘門(mén)金屬結(jié)構(gòu)的改造以及對(duì)新建設(shè)備的遠(yuǎn)程控制增加，建成后可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地按鈕控制閘門(mén)啟閉，控制中心遠(yuǎn)程控制閘門(mén)啟閉。

本次系統(tǒng)建設(shè)主要針對(duì)海塘堤防沿線8處閘門(mén)。

旱閘自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含兩級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)為現(xiàn)地控制單元級(jí)，一級(jí)為遠(yuǎn)程控制單元級(jí)。

（1）現(xiàn)地控制單元級(jí)

現(xiàn)地控制單元級(jí)在結(jié)構(gòu)上可在完全脫離遠(yuǎn)程控制級(jí)的情況下，單獨(dú)完成對(duì)旱閘啟閉機(jī)的信號(hào)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、啟閉控制等功能。

（2）遠(yuǎn)程控制單元級(jí)

遠(yuǎn)程控制單元級(jí)主要完成對(duì)現(xiàn)地控制單元級(jí)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)旱閘啟閉機(jī)的信號(hào)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程啟閉、圖標(biāo)展示、報(bào)表制作等功能。

3 建設(shè)方案設(shè)計(jì)

基于旱閘的基本狀況，旱閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的具體建設(shè)可分為旱閘的門(mén)體改造以及改造后旱閘的電氣控制這兩部分。門(mén)體改造為對(duì)閘門(mén)增加啟閉金屬結(jié)構(gòu)，以及閘門(mén)形變修復(fù)等工作。

電氣控制主要工作是建設(shè)控制回路和搭建遠(yuǎn)程控制通道和設(shè)備，完成現(xiàn)地和遠(yuǎn)程兩種模式對(duì)旱閘啟閉機(jī)進(jìn)行控制。

3.1 旱閘改造設(shè)計(jì)

（1）閘門(mén)形變修復(fù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，8處旱閘的門(mén)體與底部結(jié)構(gòu)存在不同程度的形變。因此，在對(duì)閘門(mén)的啟閉行為進(jìn)行改造之前，需要將閘門(mén)的形變修復(fù)，使閘門(mén)的啟閉正常、通暢、無(wú)阻塞。

（2）啟閉金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旱閘實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)是給旱閘增加啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從人力控制到機(jī)械控制。由于每個(gè)旱閘開(kāi)度、尺寸都稍有區(qū)別，因此每個(gè)旱閘的改造都需要重新制定設(shè)計(jì)方案。

閘門(mén)啟閉機(jī)具體參數(shù)如下：?jiǎn)㈤]力：1.5～30 kN，具體某扇閘門(mén)啟閉機(jī)的啟、閉力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定；行程：1 200～2 000 mm，具體某扇閘門(mén)啟閉機(jī)的行程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定；啟閉速度：2.4～3.2 m/min；最高壓力：20 MPa；每臺(tái)啟閉機(jī)配套接近開(kāi)關(guān)2只。

3.2 電氣控制設(shè)計(jì)

旱閘自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣控制部分設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)單元級(jí)，即前面描述過(guò)的現(xiàn)地控制單元級(jí)和遠(yuǎn)程控制單元級(jí)，現(xiàn)地控制單元級(jí)作為應(yīng)用層和控制層，遠(yuǎn)程單元級(jí)作為控制層和監(jiān)控層，兩者相輔相成，構(gòu)成一個(gè)整體。

（1）現(xiàn)地單元級(jí)

現(xiàn)地控制單元級(jí)主要設(shè)備為旱閘控制箱，旱閘控制箱集成有一套PLC模組，以及各種儀表與控制元器件，可實(shí)現(xiàn)就地對(duì)旱閘的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)地控制單元級(jí)集成多個(gè)接口，包括與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的通信口以及與遠(yuǎn)程控制單元級(jí)通信的以太網(wǎng)口等。

（2）遠(yuǎn)程控制單元級(jí)

遠(yuǎn)程控制單元級(jí)主要包含操作員工作站。為了保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的安全性，通信網(wǎng)絡(luò)選用運(yùn)營(yíng)商專線網(wǎng)絡(luò)，將操作員工作站與現(xiàn)地控制箱組成一個(gè)范圍內(nèi)的虛擬局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全控制。操作員工作站安裝有上位機(jī)軟件，在遠(yuǎn)程控制模式下實(shí)際與現(xiàn)地控制單元通信，通過(guò)Ethernet TCP/IP協(xié)議與PLC完成數(shù)據(jù)對(duì)接與控制對(duì)接。

4 系統(tǒng)功能與配置

4.1 功能設(shè)計(jì)

（1）身份驗(yàn)證

對(duì)登錄用戶進(jìn)行身份和權(quán)限判斷，如果是系統(tǒng)的合法用戶，則賦予用戶合法的管理范圍和權(quán)限。

（2）旱閘信息采集與告警

數(shù)據(jù)信息采集與告警功能完成從旱閘現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)交換服務(wù)器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照告警設(shè)置分級(jí)產(chǎn)生告警信息，并將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與告警傳送到控制中心，保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）啟閉控制和保護(hù)

此功能實(shí)現(xiàn)接收控制系統(tǒng)操作人員控制指令，并按照此指令進(jìn)行旱閘開(kāi)啟或關(guān)閉操作。

系統(tǒng)具備短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、超壓和欠壓保護(hù)、高低油位保護(hù)與緊急開(kāi)關(guān)等保護(hù)裝置。

（4）信息存儲(chǔ)

該功能將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后依照自動(dòng)轉(zhuǎn)存機(jī)制轉(zhuǎn)存入普通關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)形成歷史數(shù)據(jù)。工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)按照掃描周期存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制數(shù)據(jù)，普通數(shù)據(jù)庫(kù)以較大的時(shí)間粒度存放業(yè)務(wù)需要的工作數(shù)據(jù)。需要轉(zhuǎn)存入普通數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)有：旱閘運(yùn)行數(shù)據(jù)和旱閘控制數(shù)據(jù)、用戶登錄數(shù)據(jù)等。根據(jù)一般對(duì)數(shù)據(jù)粒度的要求，數(shù)據(jù)時(shí)間粒度為30 min，旱閘運(yùn)行數(shù)據(jù)和旱閘控制數(shù)據(jù)按實(shí)際發(fā)生的情況記錄。

表1 旱閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備配置

（5）信息查詢與檢索

該功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的查詢檢索與基礎(chǔ)信息的查詢檢索?？梢砸訥IS或者圖表的方式，顯示旱閘的重要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如旱閘運(yùn)行狀態(tài)、啟閉機(jī)工作是否正常、告警等。

（6）系統(tǒng)管理

該功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行管理。包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、用戶角色安全管理、系統(tǒng)運(yùn)行日志管理、以及系統(tǒng)告警信息管理。

（7）報(bào)表管理

系統(tǒng)設(shè)置報(bào)表管理模塊，在報(bào)表管理模塊中，可以查看歷史數(shù)據(jù)形成的報(bào)表，并根據(jù)實(shí)際需求打印出來(lái)后存檔。

4.2 系統(tǒng)配置

依據(jù)上述功能，系統(tǒng)需要配置的設(shè)備如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程管理范圍內(nèi)的主要旱閘門(mén)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制，控制方式可根據(jù)管理規(guī)范支持人工和自動(dòng)控制。通過(guò)本系統(tǒng)的建設(shè)，提升了閘門(mén)的安全性能，提高了閘門(mén)自動(dòng)化和現(xiàn)代化水平，節(jié)約了人力成本，為整個(gè)智慧海塘的建設(shè)添磚加瓦，也為其他海塘旱閘的自動(dòng)化監(jiān)控提供有益探索，并具有借鑒意義。