大壽水閘除險加固工程閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

韋 峰

（廣西玉林水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 玉林 537000）

大壽水庫位于廣西壯族自治區(qū)博白縣旺茂鎮(zhèn)大壽村，所屬河流為南流江支流和江河分支流鳳山河上，是一座以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電的大（2）型水庫，至今已運行了30多年。由于年久失修，工程主體建筑及各類機電設(shè)備老化嚴(yán)重，整體運行效率及安全穩(wěn)定性差，存在諸多安全隱患，需經(jīng)除險加固后，才能達到正常運行要求。

1 大壽水庫水閘現(xiàn)狀

大壽水閘原閘門啟閉控制為人工現(xiàn)地手動方式，運行人員主要是通過操作現(xiàn)地啟閉控制箱完成閘門的關(guān)閉和啟動。經(jīng)過多年運行，啟閉及配套控制設(shè)備、電纜老化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響啟閉設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，存在較大的安全隱患，運行穩(wěn)定性及運行效率低下，且不具備運行狀態(tài)監(jiān)控及故障保護功能，以至于閘門日常啟閉操作均需人工現(xiàn)地全程監(jiān)視完成，致使水閘運行管理工作難度較大，嚴(yán)重影響汛期泄洪調(diào)度的執(zhí)行速度和水閘運行的安全，影響下游的防洪安全。其中機電設(shè)備安全性評價為“不滿足”安全運行要求，需全部進行拆除和更新[1]。

2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

閘門設(shè)計目標(biāo)是，實現(xiàn)自動化控制，以解放值班、值守人員為頂層設(shè)計，并堅持實效性、可靠性、科學(xué)性、經(jīng)濟性設(shè)計原則。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容

閘門監(jiān)控系統(tǒng)通過運用自動控制及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制功能與收集、分析、處理閘門及其關(guān)聯(lián)設(shè)備產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)資料，并建立數(shù)據(jù)信息資源庫，充分發(fā)揮系統(tǒng)查詢功能的作用。閘門監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容主要包括：閘位計；閘門的現(xiàn)地控制柜（機柜、PLC、觸摸屏、繼電器、端子及附件）；閘門監(jiān)控主機；PLC控制軟件、觸摸屏軟件、上位機軟件；系統(tǒng)安裝及調(diào)試[2]。

2.1.2 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機、現(xiàn)地控制柜、傳感器、通信設(shè)備等組成。閘控系統(tǒng)主要是監(jiān)視和控制現(xiàn)場閘門，主要功能見圖1。

圖1 大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

（1）監(jiān)控主機

閘門監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主機位于中控室。監(jiān)控主機具有對系統(tǒng)運作進行全面監(jiān)控的功能，它是控制計算機以及控制系統(tǒng)測量，實現(xiàn)閘門遠程控制，并完成對資料的記錄、查詢、報表、統(tǒng)計等處理。監(jiān)控主機采用查詢/應(yīng)答體制，在需要時主動查詢各閘門工作情況，在實時測控時監(jiān)控主機與現(xiàn)地控制柜數(shù)據(jù)同步，獲取現(xiàn)場實時資料，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理統(tǒng)計工作。監(jiān)控主機可以從水情自動測報系統(tǒng)中獲取閘上下游水位，供閘門控制系統(tǒng)使用，可以將閘門狀態(tài)與操作信息傳輸至綜合數(shù)據(jù)庫，供其它系統(tǒng)使用。遠程控制計算機只有通過監(jiān)控主機才能獲取閘門狀態(tài)，完成閘門控制。

（2）現(xiàn)地控制柜

閘門監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制柜共有1個，布置于閘壩啟閉房。通過現(xiàn)地控制柜，完成對各閘門控制及閘門開度實時測量。

現(xiàn)地工作站由觸摸屏、可編程控制器（PLC）、低壓電器、工業(yè)機柜等組成。

觸摸屏內(nèi)嵌軟件，該軟件發(fā)出的升、降、停指令，經(jīng)RS485總線傳至控制器上的PLC模塊，PLC解釋后執(zhí)行，通過中間繼電器控制動力柜中交流接觸器，使螺桿或卷揚機械作升、降、停的運動。與此同時，觸摸屏內(nèi)嵌入式軟件不斷查詢對應(yīng)的閘位傳感器，得到當(dāng)前閘門開度位置，由此便可準(zhǔn)確控制閘門開度。

可編程控制器接收來自監(jiān)控主機和觸摸屏的指令，控制閘門的升、降、停的運動。同時，PLC將當(dāng)前閘位數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控主機和觸摸屏?？删幊炭刂破魍瑫r查詢限位信號和過載信號，當(dāng)出現(xiàn)超限或過載時，將發(fā)出報警信號，停止閘門升降。

低壓電器包括中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈、斷路器、電壓表、電流表等，用于實現(xiàn)閘門升、降、停等操作，指示閘門運行狀態(tài)。

工業(yè)機柜將現(xiàn)地主要設(shè)備全部集成起來，以體現(xiàn)現(xiàn)場級測控的整體水平。

（3）閘位計

閘位計完成對閘位（閘門開度）的實時測量，數(shù)據(jù)通過總線傳到現(xiàn)地控制柜，供PLC使用。閘位計同時帶有閘門限位開關(guān)，提供閘門限位信號。閘位計由編碼器、表頭、轉(zhuǎn)換器、連接齒片、安裝支架組成。

2.2 控制模式

（1）控制方案

一般而言，閘門控制系統(tǒng)基于系統(tǒng)運行的控制有三個層次，系統(tǒng)控制與設(shè)備的關(guān)聯(lián)性越高，則控制程度越強。控制層次包括手動、集中與遠程自動控制。遠程自動控制的控制區(qū)域監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控主機上的操控軟件實現(xiàn)對閘門的遠程控制；集中控制功能針對于現(xiàn)地控制。操作人員在現(xiàn)地控制設(shè)備上進行控制性操作，達到控制閘門的效果。在進行集中控制時，需要封鎖遠程控制功能，提高控制安全率，這不會對信息數(shù)據(jù)采集造成影響；手動控制一般置于閘門啟閉機附近，在開展手動控制工作的同時，能夠同時進行對設(shè)備數(shù)據(jù)信息的收集工作。

上述三種控制層級之間的轉(zhuǎn)換需要應(yīng)用現(xiàn)地控制單元中的切換開關(guān)進行。閘門不管被哪一層次控制，監(jiān)控主機對閘門運行情況均能夠進行實時監(jiān)控。

（2）優(yōu)先控制

閘門控制分二級控制，最高級為現(xiàn)地控制，第二級是中控室遠程監(jiān)控。優(yōu)先級控制見圖2。

圖2 優(yōu)先級控制圖

（3）保護控制

閘門監(jiān)控系統(tǒng)需要由自身的安全性設(shè)計來保證正常運行，閘門監(jiān)控軟件要實現(xiàn)系統(tǒng)自動檢測閘門狀況、過載、過壓、越限等功能。必要時可在控制柜內(nèi)增加保護設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)采用光纖作為通信媒介，監(jiān)控主機和現(xiàn)地控制柜通過以太網(wǎng)進行通信?，F(xiàn)地控制柜內(nèi)PLC通過RS-232與觸摸屏進行通信。閘位計通過14芯電纜與現(xiàn)地控制柜進行通信。

2.4 系統(tǒng)功能

大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：自動、實時測量水閘閘門開度；在閘室能夠通過現(xiàn)地控制柜按鈕手動啟閉閘門；在閘室能夠通過現(xiàn)地控制柜觸摸屏自動啟閉閘門；在水閘管理所的中控室能夠自動啟閉各閘門；閘門自動啟閉有預(yù)置閘位和預(yù)置流量兩種方式；根據(jù)庫水位、閘門開度，計算閘門流量；能夠?qū)λ?、閘位、流量進行查詢、統(tǒng)計；能夠繪制水位、閘位、流量歷史過程線；能夠在觸摸屏、監(jiān)控主機、遠程主機上顯示閘門狀態(tài)[1]。

2.5 系統(tǒng)主要設(shè)備及軟件

閘門監(jiān)控系統(tǒng)主要提供的基本軟件與應(yīng)用軟件有：（1）操作系統(tǒng)：Windows 2008 Server.（2）本地數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口：SQL Server 2008。（3）PLC監(jiān)控軟件。（4）觸摸屏監(jiān)控軟件。（5）遠程監(jiān)控軟件。其中可編程序控制器（PLC）設(shè)備包括中央處理器（CPU）、存儲器模塊、總線通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊、電源以及所需的離散輸入/輸出（I/O）模塊、模擬量輸入模塊等。大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)共有1套PLC，對其進行設(shè)計需要確保PLC脫離主機系統(tǒng)后，能夠?qū)﹂l門進行監(jiān)控，當(dāng)PCL與主機相連后有能夠為上位系統(tǒng)管控提供輔助。能夠定時或者根據(jù)命令要求向主控級系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)信息。當(dāng)出現(xiàn)故障或者異常情況時，能夠快速向主控級進行報告，再根據(jù)主控級指示，進行故障解決的執(zhí)行操作，然后將執(zhí)行情況等再傳輸?shù)街骺丶墶?/p>

3 結(jié)語

基于PLC控制技術(shù)對大壽閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案的探究，針對性的解決了大壽水閘原閘門不能遠程監(jiān)控及實時監(jiān)控等問題，有效提高水閘的運行管理效率，實現(xiàn)了閘門的現(xiàn)地及遠程自動控制功能?，F(xiàn)該系統(tǒng)已順利完成調(diào)試并投入運用，投入運用以來，穩(wěn)定，可靠，實時性能均有突出表現(xiàn)，滿足該水閘安全運行以及“無人值班、少人值守”的需求，對以后類似工程的閘門控制與信息處理自動化工程建設(shè)具有重要的推廣價值。