淺析三河閘閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)改造

郭志毅 陳江云 陳培然 薛業(yè)章

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處 洪澤 223100 2.淮安市農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)與評(píng)審中心淮安 223000）

1 工程概況

三河閘工程位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)與盱眙縣交界處，洪澤湖東南角。為淮河排洪入江的控制口門(mén)，是淮河流域性防汛抗旱骨干工程。閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63 孔，每孔凈寬10m，閘孔凈高6.2m，總寬697.75m，設(shè)計(jì)流量12000m3/s，屬大（1）型水閘。三河閘閘門(mén)均為鋼結(jié)構(gòu)弧形門(mén)，配套QHM2×100kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。左右岸空箱內(nèi)分別設(shè)有水電站一座，裝機(jī)容量為200kW。

三河閘建成以來(lái)，在歷任管理者和工作者的精心管理、精細(xì)維護(hù)、精準(zhǔn)調(diào)度下，成功抗御了1954年、1991年、2003年、2007年等年份淮河大洪水，年均泄洪近200 億m3，保障了蘇北里下河地區(qū)不再受到淮河洪水災(zāi)害之苦，發(fā)揮了水資源供給、生態(tài)保護(hù)等功能。

2 改造原因

由于三河閘孔數(shù)較多，采用人工開(kāi)停機(jī)操作，費(fèi)人工、耗時(shí)長(zhǎng)、準(zhǔn)確度低、及時(shí)性差。三河閘原閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，存在硬件設(shè)備老化、軟件系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，無(wú)法滿足精細(xì)化管理與運(yùn)行調(diào)度需求，尤其在發(fā)生特大洪水等緊要關(guān)頭，可能會(huì)延誤時(shí)機(jī)，錯(cuò)失最好的調(diào)度時(shí)機(jī)，造成難以挽回的損失。為提升三河閘閘門(mén)自動(dòng)化控制水平，本次采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的科技手段，優(yōu)化三河閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高三河閘現(xiàn)地控制單元穩(wěn)定性和可靠性，提升系統(tǒng)軟件的實(shí)用性、可靠性、界面友好性等，從底層傳感器、現(xiàn)地控制單元、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件等方面對(duì)三河閘自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)、全面的改造。

此外，三河閘配套建設(shè)的南、北兩座水電站，目前均獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法同時(shí)對(duì)兩個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需耗費(fèi)兩份人力、物力對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。為節(jié)約人力、物力資源，同時(shí)也為了確保水電站的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘南、閘北水電站遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制，需對(duì)兩座水電站自動(dòng)控制進(jìn)行升級(jí)改造。

本次改造將兩座水電站一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)接入到三河閘控制中心，納入三河閘閘門(mén)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三河閘閘門(mén)及水電站的一體化控制和集中管理調(diào)度，滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行和實(shí)際管理需要，有效節(jié)約人力、物力維護(hù)成本，大幅提升管理效率和精細(xì)化水平。

3 主要改造內(nèi)容

3.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)63 孔閘門(mén)的自動(dòng)化控制和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，利用已建水文站的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)上下游水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，實(shí)現(xiàn)2 座水電站在控制中心的一體化控制。

3.2 結(jié)構(gòu)分布

系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按控制優(yōu)先級(jí)別分別設(shè)現(xiàn)地手動(dòng)控制級(jí)、現(xiàn)地級(jí)、站控級(jí)，可以進(jìn)行切換。系統(tǒng)越接近設(shè)備，控制權(quán)限越高?？刂茩?quán)由高到低順序?yàn)椋含F(xiàn)地、站級(jí)、遠(yuǎn)控中心。

3.3 系統(tǒng)組成

閘控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)地自動(dòng)控制單元、手動(dòng)控制單元、操作機(jī)構(gòu)、各類傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)置站級(jí)控制中心，配置工控機(jī) 2 套（冷備），視頻存儲(chǔ)與顯示設(shè)備1 套，以及交換機(jī)、UPS 電源、打印機(jī)等?，F(xiàn)地自動(dòng)控制單元配置 9 套PLC。系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如1 圖所示。

4 系統(tǒng)控制方式

4.1 三河閘閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制中心

主要包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、組態(tài)軟件、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。通過(guò)工控機(jī)可在控制中心對(duì)閘門(mén)進(jìn)行操作，采用主流組態(tài)軟件，開(kāi)發(fā)三河閘閘門(mén)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用軟件，利用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可將系統(tǒng)內(nèi)的閘門(mén)控制信息、閘位、水位、電氣參數(shù)及圖像等實(shí)時(shí)信息通過(guò)統(tǒng)一的通訊網(wǎng)絡(luò)匯集到控制中心。

4.2 PLC 控制系統(tǒng)

配置9 套PLC 現(xiàn)地控制單元，每套PLC 控制7孔閘門(mén)，利用PLC、智能儀表和現(xiàn)地傳感器等實(shí)時(shí)采集各閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò)獨(dú)立的光纖傳輸至控制中心與計(jì)算機(jī)建立起自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)63 孔閘門(mén)現(xiàn)地自動(dòng)控制。

4.3 現(xiàn)地手動(dòng)控制

現(xiàn)地設(shè)32 個(gè)手動(dòng)控制柜，每個(gè)手動(dòng)柜控制2 臺(tái)閘門(mén)啟閉（32 號(hào)控制1 臺(tái)）。手動(dòng)控制柜上，通過(guò)操作按鈕實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的升、降、停等操作。

4.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

對(duì)現(xiàn)有光纖通信鏈路進(jìn)行優(yōu)化與完善，提升通信可靠性。

4.5 預(yù)留閘控系統(tǒng)信息到上級(jí)管理單位的接口

根據(jù)控制中心情況，通過(guò)光纖把閘門(mén)信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)、水情信息等傳輸?shù)缴霞?jí)管理單位。

4.6 接入控制中心

將南北水電站一體化控制裝置接入控制中心。

5 主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)提供的設(shè)備及軟件應(yīng)完全滿足實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性、實(shí)用性、安全性、可擴(kuò)性等要求。

5.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性應(yīng)能達(dá)到如下指標(biāo)：

（1）數(shù)據(jù)采集周期

電氣摸擬量：≤1s；非電氣摸擬量：≤5s；開(kāi)關(guān)量：≤1s。

（2）控制響應(yīng)時(shí)間

接收控制命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時(shí)間＜2s。

（3）人機(jī)接口響應(yīng)時(shí)間

重要畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面：＜1s；90%常規(guī)畫(huà)面：＜2s；其他畫(huà)面：＜3s；

數(shù)據(jù)庫(kù)刷新到畫(huà)面上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間：＜2s；

操作員發(fā)執(zhí)行命令到應(yīng)答顯示的響應(yīng)時(shí)間：＜3s；

從出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)到畫(huà)面上顯示并發(fā)音響報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間：＜2s。

5.2 系統(tǒng)可靠性

閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)要能適應(yīng)周圍的工作環(huán)境，具有高抗干擾能力，能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。計(jì)算機(jī)MTBF ≥20000h；現(xiàn)地控制單元MTBF ≥40000h；外圍設(shè)備及人機(jī)接口設(shè)備MTBF ≥20000h；通道平均故障時(shí)間＜24h/a；電源系統(tǒng)平均故障時(shí)間＜4h/a；設(shè)備平均故障排除時(shí)間≤1h。

圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

5.3 系統(tǒng)實(shí)用性

閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采用高可靠性現(xiàn)地監(jiān)控單元和上位機(jī)系統(tǒng)軟件。整個(gè)系統(tǒng)的年可利用率不低于99%。

5.4 系統(tǒng)可維護(hù)性

系統(tǒng)平均維護(hù)時(shí)間：MTTR ≤2h。

5.5 系統(tǒng)安全性

閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)每一功能和操作提供檢查和校核，發(fā)現(xiàn)有誤或受阻時(shí)能自動(dòng)或手動(dòng)禁止并報(bào)警，并記錄下來(lái)，一直到操作員發(fā)現(xiàn)為止。

5.6 可擴(kuò)性

閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有合理的軟件和硬件結(jié)構(gòu)，具有足夠的冗余能力及擴(kuò)充能力；I/0 測(cè)點(diǎn)有15%的備用容量；計(jì)算機(jī)CPU 正常平均負(fù)荷小于30%，緊急情況下負(fù)荷小于50%；外存具有60%的備用容量；系統(tǒng)有預(yù)留接口等。

6 主要系統(tǒng)功能

閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有如下功能：控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集和處理、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、運(yùn)行監(jiān)視和事故報(bào)警、統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、參數(shù)在線修改、數(shù)據(jù)通信等。

此次改造除硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的升級(jí)保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性外，還新增了兩個(gè)新功能：一是水情信息直接從水文系統(tǒng)中采集，增強(qiáng)了水情數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；二是實(shí)現(xiàn)了南北水電站的一體化控制。

6.1 控制與調(diào)節(jié)

閘門(mén)控制權(quán)限分為四級(jí)，即具備現(xiàn)地手動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)、站級(jí)控制和遠(yuǎn)程控制功能（需現(xiàn)地手動(dòng)級(jí)和站級(jí)控制中心授權(quán)）。

6.2 數(shù)據(jù)采集與處理

模擬量輸入信號(hào)：水位信號(hào)（雷達(dá)式水位計(jì)）等；

開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)：水位信號(hào)（格雷碼）、閘位信號(hào)、限位信號(hào)、電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)；

開(kāi)關(guān)量輸出：閘門(mén)上升、下降、停止，電操的上電、失電操作。

6.3 聯(lián)網(wǎng)功能

（1）與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，上位機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)地監(jiān)控單元的實(shí)時(shí)信息。

（2）與南北水電站自動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，并接入控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)南北水電站一體化控制和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。

保護(hù)類型包括軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。軟件保護(hù)包括閾值限位、飛車、卡滯、電氣故障、燒結(jié)等類型，硬件保護(hù)包括限位、過(guò)流、電操。

6.4 控制安全保護(hù)

閘門(mén)控制系統(tǒng)的安全保護(hù)。

6.5 運(yùn)行監(jiān)視和事故報(bào)警

運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，水閘監(jiān)控系統(tǒng)可以使運(yùn)行人員通過(guò)監(jiān)視器對(duì)全閘各主設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。監(jiān)視的內(nèi)容包括當(dāng)前各設(shè)備的運(yùn)行及停運(yùn)情況，并對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)控系統(tǒng)定時(shí)掃查各故障狀態(tài)信號(hào)，一旦發(fā)生狀態(tài)變化立即在LCD 上顯示出來(lái)，同時(shí)記錄故障內(nèi)容及發(fā)生時(shí)間，并用語(yǔ)音報(bào)警。

6.6 統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能

主要由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的事故及故障、參數(shù)越復(fù)限、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，并記錄下來(lái)，作為設(shè)備使用情況、壽命以及運(yùn)行安全性可靠性判別的依據(jù)。

6.7 參數(shù)在線修改

系統(tǒng)工程師可在線對(duì)運(yùn)行狀態(tài)判別條件、預(yù)置參數(shù)和計(jì)算公式進(jìn)行修改。

6.8 設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄及生產(chǎn)管理

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)閘門(mén)操作、運(yùn)行、主要電氣設(shè)備動(dòng)作及運(yùn)行、事故及故障、主要設(shè)備和裝置退出運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄、定值變更等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。

6.9 畫(huà)面顯示

畫(huà)面顯示是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，畫(huà)面調(diào)用允許自動(dòng)及召喚方式實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)方式是指當(dāng)有事故發(fā)生或進(jìn)行某些操作時(shí)有關(guān)畫(huà)面的自動(dòng)推出，召喚方式由操作員直接操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需畫(huà)面。畫(huà)面種類包括各單線圖、曲線、報(bào)警畫(huà)面、運(yùn)行指導(dǎo)、表格等。

6.10 系統(tǒng)管理功能

能夠進(jìn)行相關(guān)用戶的管理、控制權(quán)限區(qū)分等功能。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次改造，大大提升了三河閘閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性和穩(wěn)定性，同時(shí)由于南北水電站控制系統(tǒng)的引入，也減少了水電站控制運(yùn)行時(shí)所需的人力、物力成本。三河閘閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造成功和穩(wěn)定運(yùn)行，也為三河閘工程發(fā)揮其巨大的工程效益和社會(huì)效益奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)■