筍塔水庫閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)重建研究

（福建省南安市筍塔水庫管理處，福建南安 362300）

1 概 況

筍塔水庫溢洪道位于大壩右端，設(shè)計流量706 m3/s，校核流量892 m3/s，全長250.60 m，進口為有閘寬頂堰，堰凈寬30 m，堰頂高程120.32 m；安裝6.5 m×10 m 鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門3 扇，配2×10t 手搖電動兩用卷揚機3 臺。

筍塔水庫閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)始建于2004 年底，曾為筍塔水庫防洪興利發(fā)揮了一定的作用。由于當時技術(shù)條件相對落后，監(jiān)控采用模擬信號傳輸，線路采用雙絞線，信號衰減較為嚴重，系統(tǒng)故障較多，經(jīng)幾年運行后，元器件老化損壞，后來基本不能使用，2014 年水庫大壩除險加固時全部拆除。

2 閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)重建的必要性及擬建成目標

2.1 閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)重建的必要性

1）筍塔水庫地處暴雨區(qū)域，集雨面積較大，庫容相對較小，汛期閘門啟閉頻繁；管理處與泄洪閘房相距近千米，對閘門控制不方便、不安全，不能滿足目前水庫防洪調(diào)度快速反應(yīng)的要求，因此重建閘門監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。

2）運用信息技術(shù)（計算機、網(wǎng)絡(luò)、通訊技術(shù)）能及時、快捷、準確、可靠地傳遞水、雨情，有效地提高洪水預(yù)報精度和延長洪水預(yù)見期，為制定防洪調(diào)度方案提供科學、快速、準確的依據(jù)和手段，進一步提高水庫防洪減災(zāi)能力，對保護下游人民生命財產(chǎn)安全起著重要作用。

3）系統(tǒng)具有信息資源共享，網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視，實時動態(tài)查詢功能。通過分析水雨情資料、水位流量關(guān)系，有助于修正優(yōu)化防洪興利調(diào)度計劃，為水庫防汛、供水管理決策提供科學依據(jù)，充分利用水資源，最大限度地發(fā)揮防洪及供水等方面的效益。

4）對水庫有關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，分析變化趨勢，為管理部門及時、準確地掌握水庫的運行狀況提供科學依據(jù)，極大地提高對水庫工程的科學管理水平。

2.2 閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)目標

1）對水庫流域內(nèi)水、雨情信息實時準確地采集和監(jiān)測。

2）可現(xiàn)地手動或自動、遠程自動控制各扇閘門的啟閉停狀態(tài)，自動檢測各扇閘門的開度、上游水位、泄洪流量；可實現(xiàn)定閘門開度、定泄流量的自動控制功能。

3）建立數(shù)據(jù)庫，提供相關(guān)信息查詢服務(wù)。提供各時段的雨量、水庫水位、閘門狀態(tài)、泄流量、泄洪量統(tǒng)計等相關(guān)數(shù)據(jù)的報表，并可打印成紙質(zhì)資料。

4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋重要監(jiān)控區(qū)域（大壩概貌、水庫概貌、水庫水尺觀測、各扇閘門啟閉機動作監(jiān)視、溢洪道泄流監(jiān)視等），24 h 在線智能監(jiān)控，要有良好的夜視能力，歷史數(shù)據(jù)存檔期不少于10 d。

5）系統(tǒng)具有直觀良好的操作界面。

6）系統(tǒng)應(yīng)具有可拓展性，為今后水庫建設(shè)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、大壩滲流和壩體沉陷位移變形監(jiān)測系統(tǒng)提供拓展平臺。

3 建設(shè)原則

1）實用性與先進性。采用成熟的計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，保證系統(tǒng)實用，隨機信息采樣周期及操作響應(yīng)時間短，實時性好。在開放性與標準化方面，采用開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級、擴展和互聯(lián)。

2）可靠性與安全性。主要考慮兩個方面：一是充分利用現(xiàn)有的高可靠性計算機網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備，使整個網(wǎng)絡(luò)安全可靠；二是采用成熟的采集設(shè)備、控制設(shè)備、傳輸設(shè)備等，采取必要的防護措施保證系統(tǒng)有較高的抗干擾能力和糾錯能力，并設(shè)置系統(tǒng)的用戶表及口令限制，確保系統(tǒng)能長期可靠地運行。

3）經(jīng)濟性和可擴展性。在滿足工程需要的前提下，選用性能價格比高的設(shè)備；采用的設(shè)備充分考慮易擴展、易升級換代，并且在擴展或升級時可以最大限度地保護原有的硬件設(shè)備和軟件投資。

4）集成性和可維護性。系統(tǒng)采用功能模塊集成且相對獨立，一個功能模塊故障不影響其它功能模塊的工作；監(jiān)控主機具有自動診斷功能，能判定故障位置，便于維護。

5）統(tǒng)一規(guī)劃和分步實施。對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、分步實施；系統(tǒng)應(yīng)留有擴展的余地和接口，使系統(tǒng)易于規(guī)模擴展和功能擴展；為以后大壩沉陷、位移、滲漏監(jiān)測系統(tǒng)及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的續(xù)建提供平臺，避免重復(fù)建設(shè)。

4 閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及功能

本系統(tǒng)分為3 個子系統(tǒng)：一是水雨情自動測報子系統(tǒng)，二是視頻監(jiān)視子系統(tǒng)，三是閘門自動化監(jiān)控子系統(tǒng)。

4.1 水雨情自動測報子系統(tǒng)

通過傳感器和監(jiān)測設(shè)施，實現(xiàn)對水雨情信息的實時現(xiàn)場監(jiān)測。其由1 個水位雨量測站、2 個雨量測站和數(shù)據(jù)采集中心組成；監(jiān)測站主要包括傳感器（水位計及雨量計）、遙測終端機RTU、4G 通訊模塊、太陽能電池板、蓄電池、充電保護控制器、光纖收發(fā)器等；數(shù)據(jù)采集中心有路由器、前置機、監(jiān)控中心計算機等組成。

軟件功能：①雨情信息：系統(tǒng)支持實時雨量查詢，可顯示各雨量站的名稱、24 h 內(nèi)的降雨情況，可以查看雨量數(shù)據(jù)報表。②水情信息：系統(tǒng)支持實時水位查詢，并以閃爍提示方式顯示超汛限和超警戒水位?？梢圆榭此贿^程線和水位數(shù)據(jù)報表。

4.2 視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

通過現(xiàn)場攝像裝置，將現(xiàn)場實時情景以圖像準確、快速、清晰地傳輸?shù)焦芾硖幈O(jiān)控中心，值班人員根據(jù)圖像直觀地掌握相關(guān)設(shè)備設(shè)施的運行狀況和事故處理情況等；實時采集到的視頻信息存儲在服務(wù)器中，作為歷史資料以供查詢。

本視頻監(jiān)視子系統(tǒng)共設(shè)置9 個監(jiān)視點。設(shè)置3 個槍式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機分別監(jiān)視3 個閘門啟閉機動作情況，設(shè)置2 個球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機分別監(jiān)視閘門處溢洪道上、下游泄洪情況，設(shè)置1 個球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機觀察水尺，設(shè)置2 個球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機分別位于大壩左右側(cè)以監(jiān)視大壩，設(shè)置1 個球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機監(jiān)視庫區(qū)。

軟件功能：系統(tǒng)支持在統(tǒng)一平臺遠程查看各視頻點信息，對各視頻監(jiān)視點實現(xiàn)任意切換查看；支持調(diào)整多畫面集成與分解及對視頻信息多畫面靈活調(diào)整的實時查看；并可以通過軟件控制現(xiàn)場的攝像機鏡頭以及云臺，調(diào)整光圈大小、焦距遠近、變倍高低以及圖像角度等，滿足對現(xiàn)場多方位監(jiān)控需要；支持將視頻在內(nèi)外網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)上分級發(fā)布，當工作人員外出時，能隨時通過不同網(wǎng)絡(luò)獲取視頻信息。

4.3 閘門自動化監(jiān)控子系統(tǒng)

閘門自動化監(jiān)控子系統(tǒng)可分為閘門監(jiān)控和計算機網(wǎng)絡(luò)兩部分。

閘門監(jiān)控采用3 層開放分布式結(jié)構(gòu)，其包括現(xiàn)地手動控制層，現(xiàn)地集中控制層，管理處監(jiān)控中心（遠程）控制層等部分。

1）現(xiàn)地手動控制層設(shè)于閘門啟閉機端，每個閘門各配置一套，由啟閉電機、常規(guī)的繼電器、限位開關(guān)等組成控制回路，實現(xiàn)每扇閘門的啟、閉、?？刂啤?/p>

2）現(xiàn)地集中控制層設(shè)在溢洪道閘房內(nèi)，由LCU機柜內(nèi)的PLC 模塊、觸摸屏等組成。其自身軟、硬件能獨立完成運行，主要功能有：①通過傳感器對水位、閘門開度等數(shù)據(jù)進行測量，所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)均能在系統(tǒng)界面上顯示；②人工在觸摸屏上鍵入指令，實現(xiàn)閘門的控制；③實施管理處監(jiān)控中心主機的控制命令，控制閘門自動升、降、停；④對數(shù)據(jù)采集、處理和對系統(tǒng)進行診斷，網(wǎng)絡(luò)和其它控制器故障不會影響其工作。

3）管理處監(jiān)控中心（遠程）控制層設(shè)在水庫管理處，其由網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、監(jiān)控計算機等組成，接收、儲存現(xiàn)地集中控制層的采集信息，值班人員可根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行必要的調(diào)整，形成調(diào)度指令并將指令下達。

4）計算機網(wǎng)絡(luò)采用全開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機等都使用符合開放系統(tǒng)國際標準的中文版操作系統(tǒng)。

4.4 閘門自動化監(jiān)控子系統(tǒng)軟件應(yīng)具備的主要功能

1）時鐘同步。能夠使系統(tǒng)中的智能電子設(shè)備獲得統(tǒng)一的時間基準，這對于系統(tǒng)的實時監(jiān)控、管理和安全保護具有重要的意義。

2）數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)地控制層能接收各傳感器的測量數(shù)據(jù)及故障信息，并發(fā)送到管理處中心控制層；且接收管理處監(jiān)控中心下達的各種控制指令。

3）實時監(jiān)測。通過傳感器采集閘門運行狀態(tài)及開度等各種實時運行參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以供查詢，準確反映各設(shè)備的動作情況。

4）可視化管理功能。通過分別裝在溢洪道閘門上下游附近的二個彩色球形攝像機與閘門聯(lián)動對閘門工況進行監(jiān)視，查看閘門上下游側(cè)水位、泄洪水流的形態(tài)。

5）計算統(tǒng)計。根據(jù)上下游水位、閘門開度確定泄洪流態(tài)，計算泄洪流量及泄洪水量；或根據(jù)水庫水位變化情況及庫容曲線確定上游來水量，并根據(jù)上下游水位、下泄流量、閘門的流量關(guān)系曲線等計算出開啟的閘門數(shù)和開度，自動控制閘門啟閉實現(xiàn)控制水位和控制流量平衡。

6）控制與調(diào)節(jié)。操作人員在監(jiān)控中心主機或現(xiàn)地控制單元通過密碼登錄方式進入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)則根據(jù)預(yù)定原則由操作人員輸入指令，完成對閘門的控制、調(diào)節(jié)，發(fā)生故障立即自動停止閘門的動作。

7）越限報警。根據(jù)實際情況對要采集的參數(shù)項目設(shè)置上、下限值，當系統(tǒng)檢測到越限等異常狀態(tài)，就會發(fā)出報警且將異常狀態(tài)信號顯示于顯示屏上，并在數(shù)據(jù)庫中記錄下來，以供查詢。

8）自診斷、故障報警。系統(tǒng)能對運行參數(shù)的變化趨勢進行分析，能對硬件設(shè)備、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件的故障進行自檢，發(fā)現(xiàn)故障征兆或故障，立即停止該部分設(shè)備的運行（閉鎖相應(yīng)的控制輸出），報警、并自動顯示和記錄。

9）記錄。對所采集的參數(shù)各按設(shè)定每隔一段時間保持一次，對閘門啟閉過程及前后狀態(tài)進行記錄，以供查詢。

10）歷史數(shù)據(jù)儲存與查詢。中心站主計算機數(shù)據(jù)庫能存儲本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，觸摸屏只能存儲少量的報警及過程數(shù)據(jù)；它們都提供查詢接口。

11）打印功能。對能在顯示器中顯示的采集數(shù)據(jù)、匯總報表及視頻圖像都能通過設(shè)定的打印機打印出來。

5 采用的安全措施

1）設(shè)置權(quán)限管理。各監(jiān)控站對閘門進行監(jiān)控操作的先決條件是必須擁有系統(tǒng)控制權(quán)限，系統(tǒng)控制權(quán)限只有現(xiàn)場監(jiān)控站才能進行授予、改變或收回。如果有幾個監(jiān)控站都擁有控制權(quán)限，他們同時發(fā)出操作閘門指令，系統(tǒng)則會比較他們的權(quán)限級別，權(quán)限級別比較高的指令獲得執(zhí)行，級別低的就會被屏蔽掉。

2）設(shè)置支持視頻子系統(tǒng)與閘門監(jiān)控子系統(tǒng)頁面集成，使閘門出水口實時監(jiān)控圖像與閘門監(jiān)控子系統(tǒng)的監(jiān)控界面同一窗口顯示，讓操作人員在實施控制閘門時，能同時看到整個閘門及其啟閉機現(xiàn)場的真實反應(yīng)動作，并能夠?qū)ΡO(jiān)控圖像的攝像機的云臺、變焦等進行控制調(diào)節(jié)。

3）配置閘位上、下限位保護。將上、下限位開關(guān)分別接入閘門啟、閉電路，當閘門運動至限制位置，自動切斷控制電路，防止閘門開、關(guān)過頭。

4）設(shè)置電機保護器檢測電動機電壓、電流，當電動機過載或缺相等故障時能隨時報警，并切斷控制電路，停止閘門啟閉。

5）PLC 軟件設(shè)計具有自檢功能，系統(tǒng)通電PLC 首先對各個傳感器輸入信號和控制狀態(tài)反饋信號進行檢測，各個信號準確無誤后才進入運行控制程序。

6）系統(tǒng)軟件設(shè)計采用自鎖和互鎖功能。當自檢測到故障時系統(tǒng)進入自鎖狀態(tài)，立即停止閘門運行，只有故障排除后才能啟動控制程序。

7）故障時緊急停機措施。在閘門啟閉電機動力線路上接入斷路器，軟件設(shè)計為：當系統(tǒng)發(fā)出閘門停止的控制命令2 s后，閘門仍繼續(xù)運行，若電機動力線路接觸器故障，就必須緊急斷開斷路器，切斷電機電源，停止閘門運動。

8）掉電保護。中心站在失去正常供電電源時，系統(tǒng)能迅速啟用備用直流電源供電，以保證在一段時間內(nèi)能繼續(xù)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和保存，避免信息丟失，當主電源恢復(fù)供電時，又自動切換為主電源供電。

9）設(shè)置“防火墻”。在網(wǎng)絡(luò)中，將內(nèi)部網(wǎng)和公眾訪問網(wǎng)（Internet）分開，在兩個網(wǎng)絡(luò)通訊時執(zhí)行一種訪問控制尺度，它能允許你“同意”的人和數(shù)據(jù)進入你的網(wǎng)絡(luò)，同時將你“不同意”的人和數(shù)據(jù)拒之門外，保護內(nèi)部網(wǎng)免受非法用戶入侵。

10）防雷設(shè)施。針對水庫的工程特點，要采用多個環(huán)節(jié)和多種措施進行防雷保護，主要措施有：合理、規(guī)范的接地處理；電源防雷；儀器及引線防雷；通信系統(tǒng)防雷。

6 結(jié)語

重建后的筍塔水庫閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一套經(jīng)濟實惠、可靠性強、穩(wěn)定性高、功能齊全、故障易檢修、防護措施到位的現(xiàn)代自動化信息化的控制系統(tǒng)，它提高了閘門自動化水平和管理效率，極大地改善了勞動環(huán)境；對保障水庫安全運行，進一步提高水庫防洪減災(zāi)、調(diào)度運行技術(shù)水平起著重要作用；促進水庫發(fā)揮更好的經(jīng)濟效益和社會效益。