大道王閘綜合自動(dòng)化應(yīng)用研究

于強(qiáng)

（山東省德州市水利局，山東 德州253000）

1 引言

水閘的建設(shè)和改造中，水閘自動(dòng)化是主要發(fā)展方向，這是由于水閘自動(dòng)化不僅對(duì)抗旱防洪有重要作用，而且還能提高水閘的綜合效率。馬頰河干流上有一個(gè)重要的水閘——大道王閘，在該地區(qū)防汛抗旱中發(fā)揮著十分重要的作用，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造可以有效加強(qiáng)防汛抗旱工作的成效。

2 大道王閘概況

2.1 大道王閘基本情況

大道王閘的設(shè)計(jì)單位是山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，由水利電力部馬頰河工程局施工，位于慶云縣板營(yíng)鄉(xiāng)大道王村東馬頰河干流280+074 里程處。

大道王閘總長(zhǎng)為100.4m，閘門(mén)的尺寸為10m×7m，共有9 個(gè)孔，屬于鋼筋混凝土開(kāi)敞式大型節(jié)制閘，閘門(mén)為平板鋼材質(zhì)，閘底高程-0.2m。二道消力坎消能用于閘下，配置的設(shè)備有9 臺(tái)手搖電動(dòng)兩用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉力2×25t/臺(tái)，同時(shí)，還設(shè)有一部柴油發(fā)電機(jī)，功率達(dá)到50kW。交通橋的橋面寬度在4.5m，載重達(dá)到8t。大道王閘的防洪流量能夠達(dá)到1004m3/s，排澇流量658m3/s。防洪時(shí)閘上水位可以達(dá)到7.56m，排澇時(shí)有6.07m 的閘上水位。

2.2 大道王水閘主要技術(shù)指標(biāo)

大道王水大道王水閘主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

3 大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)為總線分布式控制模式，利用9 孔閘門(mén)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)為大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的最高層，其中包括PLC 單元管理器、收發(fā)器、集線器、感應(yīng)器、86上位機(jī)以及管理計(jì)算機(jī)（彩顯），在互聯(lián)網(wǎng)的作用下，各個(gè)計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信息交流[1]。PLC 對(duì)控制層的可編程序控制器進(jìn)行控制，采集9 孔閘門(mén)的閘位、上下游水位、降雨量等數(shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡(luò)將信息和數(shù)據(jù)傳達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)，利用輸出模塊對(duì)閘門(mén)的上下動(dòng)作進(jìn)行調(diào)解。此外，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的最低層，可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備保留的前提下實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，具有啟閉機(jī)的功能[2]。此外，遠(yuǎn)程接口控制電氣回路可以接受到PLC 可編程序控制器的動(dòng)作指令。具體示意圖見(jiàn)圖1。

表1 水閘主要技術(shù)指標(biāo)表

圖1 大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 自動(dòng)化模型

大道王閘利用改進(jìn)型集中式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要的構(gòu)成包括邏輯控制單元、中心計(jì)算機(jī)、信息采集設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備會(huì)按照設(shè)定的數(shù)據(jù)和程序來(lái)開(kāi)展工作，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由信息采集設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并發(fā)送信號(hào)到邏輯控制單元，通過(guò)邏輯控制單元對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)的篩選和整理，再將信息輸送到中心計(jì)算機(jī)，由中心計(jì)算機(jī)設(shè)定程序，并對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)（見(jiàn)圖2）[3]。大道王閘的紫宗控制系統(tǒng)模式也是通過(guò)集中式控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，立足于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用下位機(jī)系統(tǒng)處理的功能，以保證上位機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題隱患不能正常發(fā)送指令的情況下，由下位機(jī)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)邏輯控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定效果，提升自動(dòng)化操作的效果。

圖2 大道王閘中改進(jìn)型集中式控制系統(tǒng)示意圖

4 大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

4.1 各類(lèi)參量信息采集控制

在大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)中，模擬量、開(kāi)關(guān)量以及數(shù)字量是需要進(jìn)行信息采集的參量，其中，電壓、功率以及電流屬于模擬量，而水閘上下游水位信息和各個(gè)孔閘門(mén)閘位屬于數(shù)字量。此外，閘門(mén)上下限位信號(hào)、閘門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉、電機(jī)開(kāi)關(guān)屬于開(kāi)關(guān)量。

為了節(jié)省投資成本，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在整個(gè)自動(dòng)化參量信息采集的控制系統(tǒng)中，需要利用智能自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)485 總線傳送至上位機(jī)。而開(kāi)關(guān)是利用PLC 的控制參數(shù)信息進(jìn)行輸出和采集，數(shù)字量可以利用水閘位計(jì)編制為格雷碼，再利用PLC通過(guò)485 總線與上位機(jī)構(gòu)成通信系統(tǒng)[4]。

4.2 上、下位機(jī)主要功能

上、下位機(jī)的主要功能如表2 所示。

5 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)

5.1 水閘微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用現(xiàn)地控制、中控制控制和遠(yuǎn)方控制3 種控制層次。中控室控制層設(shè)備布置在中控室內(nèi)，主要由系統(tǒng)服務(wù)器、監(jiān)控工作站、打印機(jī)等設(shè)備組成；現(xiàn)地控制層主要由主機(jī)房的PLC 控制屏、現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成。正常情況下，整個(gè)水閘控制在中控室的監(jiān)控工作站上，操作人員通過(guò)水閘運(yùn)行流程圖、水閘運(yùn)行模擬顯示圖監(jiān)視整個(gè)水閘運(yùn)行狀況，通過(guò)軟件發(fā)出主控指令，現(xiàn)地PLC 和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備將按照主控指令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。特殊情況下，現(xiàn)地PLC 控制柜也可控制機(jī)組及相應(yīng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值班時(shí)，遠(yuǎn)程調(diào)度中心可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

表2 上、下位機(jī)主要功能表

5.2 水閘網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

水閘微機(jī)監(jiān)控和視頻監(jiān)控系統(tǒng)有大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制信息、監(jiān)視信息需要傳輸?shù)剿檎{(diào)度信息中心。網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)置1 臺(tái)高性能數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)雙絞線與調(diào)度中心3 層交換機(jī)連接；網(wǎng)絡(luò)中心另設(shè)置1 臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，采用光纖與調(diào)度中心交換連接。在調(diào)度中心交換機(jī)上設(shè)置虛擬網(wǎng)絡(luò)（VLAN），將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，監(jiān)控工作站分割成不同的VLAN。保證網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上運(yùn)行不同應(yīng)用分開(kāi)數(shù)據(jù)交換，防護(hù)病毒對(duì)服務(wù)器和控制系統(tǒng)的感染，同時(shí)，加裝網(wǎng)絡(luò)病毒防護(hù)軟件防止系統(tǒng)受病毒侵害。

6 大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用體會(huì)

大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)投入使用后，不僅提提升了水閘運(yùn)行的效率，還極大地改善了工作人員的操作能力和管理能力。

6.1 自動(dòng)化系統(tǒng)適應(yīng)性

自動(dòng)化系統(tǒng)的適用性，指的是自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)水閘現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮。同時(shí)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，還要結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r考慮未來(lái)系統(tǒng)升級(jí)的問(wèn)題，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行與安全。

6.2 管理與系統(tǒng)同步

技術(shù)人員需要對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的管理和設(shè)定。因此，要在水閘自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)管理人員的培訓(xùn)和指導(dǎo)，讓相關(guān)人員熟練掌握維修技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備工作的重視，制定相應(yīng)的制度，為自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行安全提供有效的保證[5]。

6.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，改變了傳統(tǒng)以手工操作為主的半自動(dòng)操作方式，將需要多人多物共同運(yùn)行管理單位集中到一個(gè)功能豐富、技術(shù)先進(jìn)穩(wěn)定的管理平臺(tái)上，降低了水閘操作人員的工作負(fù)擔(dān)。

大道王閘自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，能夠讓大道王閘水情工情參數(shù)迅速準(zhǔn)確上傳到數(shù)據(jù)調(diào)度中心，并及時(shí)根據(jù)預(yù)存指令及程序發(fā)布調(diào)控指令，能夠?qū)?jiǎn)單水情工情自行判斷處理，對(duì)優(yōu)化工作效率及提高整體水利設(shè)施工作效率，提升水閘運(yùn)營(yíng)效益有極大意義。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文論述可以看出，大道王閘應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)后，改變了過(guò)去傳統(tǒng)的工作模式，將很多傳統(tǒng)的人力部分改為機(jī)械自動(dòng)化，從一定程度上優(yōu)化了水閘的工作效率，為水閘工作人員減輕了工作強(qiáng)度。尤其是將計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)融入大道王閘自動(dòng)系統(tǒng)后，更是提升了系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確度與安全性，集中式的控制系統(tǒng)讓各類(lèi)參數(shù)都能在第一時(shí)間得到精準(zhǔn)反饋，水閘和其他機(jī)電設(shè)備接收到調(diào)度指令后，都可以迅速做出反饋，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行，對(duì)提升大道王閘整體設(shè)施工作效率與經(jīng)濟(jì)效益有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。