長距離輸水現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計及功能

李 可

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

國內(nèi)某大型水利工程全長1431.945 km，輸水干渠包括總干渠長1276.414 km?？偢汕斔问揭悦髑橹?，局部布置管涵。渠道運行控制采用節(jié)制閘閘前常水位控制方式，可基本自流輸水。

1 系統(tǒng)概述

本工程自動化調(diào)度與運行管理決策支持系統(tǒng)閘站系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是基于分層思想進行設(shè)計的，整體結(jié)構(gòu)布局上可設(shè)計成遠方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)。

現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)對需監(jiān)控的對象需配備一臺工控機和一套PLC，各現(xiàn)地閘站監(jiān)控站點的信息及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)或通訊協(xié)議模式，使用多芯線纜或銅芯雙絞線連接至PLC，在現(xiàn)地機房內(nèi)搭建局域網(wǎng)使PLC和工控機在現(xiàn)地局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)互讀及通信傳輸，組成現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)?，F(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)的各現(xiàn)地控制單元(LCU)既作為閘站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層，向遠方調(diào)度中心站監(jiān)控系統(tǒng)上行發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受遠方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)的下行命令對設(shè)備進行監(jiān)控，又能獨立于遠方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)自主操作[1]。

遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)及現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)通過雙網(wǎng)方式的監(jiān)控專網(wǎng)相連，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性和安全性。

閘站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閘站監(jiān)控系統(tǒng)的組成見圖2。

圖2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每個監(jiān)控站點配置備一臺工控機和一套PLC，各監(jiān)控站點的信息及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)或通訊協(xié)議模式，使用多芯線纜或銅芯雙絞線連接至PLC，PLC和工控機連接至機房搭建的局域網(wǎng)內(nèi)建立現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)[2]。

現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)由冗余PLC和非冗余PLC兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，冗余PLC結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 冗余PLC結(jié)構(gòu)圖

非冗余PLC結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 非冗余PLC結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)地站PLC主機和工控機均位于現(xiàn)地閘站的監(jiān)控室內(nèi)，它們通過通信機房的交換機接入監(jiān)控專網(wǎng)。遠程I/O模塊布置在啟閉機室和監(jiān)控室，每個閘門和降壓站配置一套遠程I/O模塊。PLC主機和降壓站遠程I/O模塊合并組屏。一般水位、流量、溫度等公共傳感器接入1#閘門的遠程I/O模塊，對于倒虹吸出口節(jié)制閘閘前的水位接入相應(yīng)閘孔的啟閉機遠程I/O模塊。中心開關(guān)站電力監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于冗余PLC需通過485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，接入現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)，對于非冗余PLC，可以直接通過PLC的485端口，接入現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

本系統(tǒng)每站配置一套PLC主控制器，每站各閘門的遠程I/O和降壓站遠程I/O能連接到本站的PLC主控制器。PLC控制柜安裝在監(jiān)控室，現(xiàn)地遠程/IO控制柜安裝在啟閉機室。

3 監(jiān)控內(nèi)容

不同結(jié)構(gòu)的閘，所需監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息大同小異，各類結(jié)構(gòu)類型的閘需依據(jù)水量調(diào)度、生產(chǎn)運行等實際需求來進行精確監(jiān)控，現(xiàn)地站的監(jiān)控數(shù)據(jù)信息僅是閘站的監(jiān)控范圍的子集。

對于常規(guī)的涵閘，監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息需包括如下方面：閘前水位、閘后水位、瞬時流量、閘門啟閉機運行狀態(tài)、開啟高度、動力控制箱內(nèi)電流、電壓、溫濕度、相序故障，機械及電氣限位信號、閘門超載、欠載等信息。啟動回路如未配相序保護器將無償配置[4]。

基于保證干渠水位測量信息的準確性、可靠性的目的，安裝在倒虹吸出口側(cè)的節(jié)制閘，可根據(jù)實際需求虹吸側(cè)按孔數(shù)配置水位計，在節(jié)制閘后布置2臺水位計。對于在倒虹吸出口工作閘后布置一臺水位計。退水閘只測量一個閘上水位，不測閘下水位；分水閘測量一個閘前水位和一個閘后水位；對于退水閘與分水閘的水位計安裝位置不盡相同，前者只在閘上安裝測量，而后者閘前閘后均需安裝。同時，節(jié)制閘和分水閘需安裝流量計測量瞬時流量、累計流量、水溫等數(shù)據(jù)。

液壓式啟閉機的特性與卷樣式大相徑庭，需對液壓缸壓力、油溫、液壓油油位、壓縮機運行狀態(tài)等信息監(jiān)控。

各類閘(閥)的主要監(jiān)控內(nèi)容：

(1)公共信息：水位、流量(節(jié)制閘和分水閘)等。

(2)液壓啟閉機：控制方式、油泵狀態(tài)、閘門狀態(tài)、油壓、油位、糾偏、安全保護、電流、電壓和電源故障。

(3)卷揚啟閉機或閥門：控制方式、安全保護、閘門狀態(tài)、電流、電壓和電源故障。

(4)中心開關(guān)站：35 kV部分通過中心開關(guān)站的電力監(jiān)控子站采用通信方式交換信息；0.4 kV部分由閘站監(jiān)控PLC通過I/O接口或數(shù)據(jù)通信方式直接從設(shè)備現(xiàn)場采集[5]。

(5)降壓站：35 kV部分的信息已通過遠方終端模塊上送到所屬的中心開關(guān)站的電力監(jiān)控子站，該部份信息現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)不再采集；0.4 kV部分由閘站監(jiān)控PLC通過I/O接口或數(shù)據(jù)通信方式直接從降壓變電站設(shè)備現(xiàn)場采集[2]。

在閘門上游水位分別為7 m和4 m的情況下，閘門開度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)見表1，在不同的水位情況下，把閘門分為23個測量點，分別監(jiān)測到瞬時流量值。

表1 閘門開度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)表

結(jié)果分析如下，圖5中上面的曲線表示引水水位7 m時的流量曲線，下面的曲線表示引水水位4 m時的流量曲線，根據(jù)曲線可知當閘前引水水位降低時，調(diào)整相同的閘門開度，流量受水壓等因素影響變化趨緩。

圖5 閘門開度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)曲線圖

4 功能設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控功能劃分：工控機監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控、PLC監(jiān)控和啟閉機現(xiàn)地控制柜監(jiān)控。

(1)工控機監(jiān)控

工控機監(jiān)控涵蓋多項功能：數(shù)據(jù)監(jiān)測、動作控制、歷史及實時數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計及存儲和、管理維護。其功能組成見圖6。

圖6 工控機功能組成圖

1)監(jiān)測

監(jiān)測的主要四項功能：實時監(jiān)測、告警、模擬、趨勢。

a)實時監(jiān)測

實時監(jiān)測主要針對閘門啟停閉狀況、引水工況、電力及環(huán)境狀況、超限告警和PLC運行狀態(tài)五類數(shù)據(jù)。

b)告警

彈窗或聲光提示超限、超載欠載、動力回路錯相、電壓異?？刂葡到y(tǒng)故障、水位超限等各種告警信息；顯示閘門啟閉、流量變化、溫度區(qū)間變化異常等一些重要事件。

顯示的數(shù)據(jù)項包括：告警時間、告警位置、告警值、限制值和閘站點位。

c)模擬

運用于水位模擬。以閘站示意圖為背景，以圖形方式顯示實時水位，模擬水位變化的動態(tài)過程。

d)趨勢

選擇任意時間段，顯示本閘站在指定區(qū)間內(nèi)的水位、流量、電流、電壓等數(shù)據(jù)的曲線圖。

2)控制

控制就是向PLC發(fā)送控制命令，完成閘門的啟閉操作。一般情況下，由于現(xiàn)地站沒有水量調(diào)度業(yè)務(wù)，其不會對閘門進行控制。只有在遠程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障、網(wǎng)絡(luò)不通或發(fā)生應(yīng)急情況時，才會使用系統(tǒng)的控制功能?？刂瓶梢砸匀斯そ换サ姆绞竭M行，也可以通過讀取控制指令序列，來自動向向PLC發(fā)送控制指令[6]。

閘門控制指令分為的兩類：開高限定指令和流量限定指令。

a)開高限定指令

對所控制閘門進行強制性的閘門啟閉，需直接說明要控制閘門的孔號、啟/閉以及啟閉高度。

b)流量限定指令

為了滿足給定的閘站引水流量，在閘門開度計算模型的支持下，計算出需要啟閉的閘門以及啟閉高度。

3)查詢統(tǒng)計

在數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)上，通過查詢條件篩選查找、尋找出想要的信息。在查找結(jié)果的基礎(chǔ)上，進行整理、分析等的統(tǒng)計信息。最終將數(shù)據(jù)以可視化的方式展現(xiàn)給用戶。

4)數(shù)據(jù)存儲

隨著全球數(shù)字化時代的不斷發(fā)展和相關(guān)存儲技術(shù)的成熟落地，具備用數(shù)據(jù)說話，用數(shù)據(jù)決策的能力，是企業(yè)的核心競爭力，也是公司的軟實力。數(shù)據(jù)存儲因在數(shù)字化時代中扮演著數(shù)據(jù)倉庫的作用，其顯得尤為重要。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊通過開放的接口為數(shù)據(jù)存儲模塊提供數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)存儲模塊通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫混合的方式將數(shù)據(jù)源存儲在服務(wù)器上并對用戶增加、修改、刪除、查詢請求進行最優(yōu)處理，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)存儲主要包含采集和控制相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲，采集的數(shù)據(jù)會附加編號、所屬級別、時間、描述、數(shù)值等?？刂频臄?shù)據(jù)會附加編號、所屬級別、操作時間、操作用戶、操作描述。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲方式配置靈活，主要包含以下方式：時間存儲、數(shù)據(jù)變化存儲。

a)時間存儲：在設(shè)定的時間到達時進行數(shù)據(jù)存儲。

b)數(shù)據(jù)變化存儲：如閘門開度、水位、流量、溫度、壓力、控制命令等數(shù)值發(fā)生變化時進行數(shù)據(jù)存儲。

5)管理維護

管理維護的主要功能包括用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、代碼管理、PLC管理等。

(2)觸摸屏監(jiān)控功能

觸摸屏監(jiān)控主要功能包括：監(jiān)測和控制。

1)監(jiān)測

監(jiān)測的主要功能包括：實時監(jiān)測和告警。

a)實時監(jiān)測

實時監(jiān)測的主要內(nèi)容分為閘門狀態(tài)、供電狀態(tài)、自動化設(shè)備運行狀態(tài)、調(diào)水信息(水位、流量)、系統(tǒng)告警信息(故障報警、操作記錄、權(quán)限提示)。

b)告警

閘門過上下限位、荷重異常、過壓、過載、PLC系統(tǒng)自診斷故障、水位超出警戒值、操作記錄、權(quán)限不滿足等告警信息。

2)控制

控制就是向PLC發(fā)送控制命令，完成閘門的啟閉操作。一般情況下，由于現(xiàn)地站沒有水量調(diào)度業(yè)務(wù)，其不會對閘門進行控制。只有在遠程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障、網(wǎng)絡(luò)不通或發(fā)生應(yīng)急情況時，才會使用系統(tǒng)的控制功能。控制以人工交互的方式進行。

(3)PLC監(jiān)控功能

PLC作為閘站監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯運算控制的核心，它監(jiān)控管理著被控設(shè)備并服務(wù)于上位機軟件系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)不僅僅是PLC，系統(tǒng)內(nèi)包含開度、荷重、行程開關(guān)、水位、流量等傳感器和繼電器、接觸器等執(zhí)行器，這樣使得整個系統(tǒng)在監(jiān)采集視處理數(shù)據(jù)的同時，還能同時滿足控制的需要。數(shù)據(jù)采集與處理、閘門控制、安全保護、控制切換、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等功能。其功能組成見圖7。

圖7 PLC功能組成圖

1)數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集來源主要分為無源觸點狀態(tài)、模擬量信號、串口通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊等方式。無源觸點狀態(tài)接入開入量模件來采集閘門系統(tǒng)的遠方、上限位、上升等開關(guān)量狀態(tài)。模擬量信號接入PLC的模入量模件，一般模擬信號以4 mm～20 mm或0～5 V來表示水位、流量、閘位、溫度、電流、電壓等模擬量信號。串口或網(wǎng)絡(luò)通訊一般接入通訊模件的串行或網(wǎng)絡(luò)接口，通過通訊地址和通訊規(guī)約采集流量、流速、溫度等數(shù)據(jù)。

2)控制

接收各級站點發(fā)來的控制命令，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的權(quán)限所有者判斷當前命令來源是否具備執(zhí)行權(quán)限，具備條件正常執(zhí)行，不具備條件退出執(zhí)行并反回提示信息，執(zhí)行過程中根據(jù)工況的各種要求進行邏輯判斷，不滿足退出流程提示報警信息，滿足成功執(zhí)行提示執(zhí)行成功。

3)安全保護

PLC系統(tǒng)中的安全保護主要根據(jù)閘門特性通過相關(guān)傳感器采集的信號，通過開度、荷重、過載邏輯關(guān)系判斷對閘門本體、電機、電網(wǎng)進行保護等。

4)控制切換

在PLC控制柜通過軟按鈕或硬按鈕的設(shè)置方式實現(xiàn)遠方/現(xiàn)地、自動/手動切換，當遠方和自動在時，由遠方系統(tǒng)控制。當現(xiàn)地和遠方在時，由現(xiàn)地柜觸摸屏通過PLC控制。當現(xiàn)地和手動在時，由現(xiàn)地柜按扭控制。

5)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測

PLC系統(tǒng)內(nèi)的PLC的心跳網(wǎng)絡(luò)模塊監(jiān)測冗余模塊的主模塊是否在正常運行，如果不在運行，備用模塊立刻將執(zhí)行權(quán)限交給備PLC執(zhí)行，并提示告警信息。

6)冬季在柴油發(fā)電機供電時，啟閉閘門需切除節(jié)制閘(工作閘)融冰和現(xiàn)地站三級負荷，閘門停止啟閉后再投入融冰和三級負荷。

(4)啟閉機啟動回路柜與現(xiàn)地遠程I/O控制柜集成后能實現(xiàn)的主要功能

控制柜的面板上對各類啟閉機實現(xiàn)的主要功能要求如下：齒桿啟閉機、卷揚啟閉機、螺桿啟閉機、電動蝶閥的升、降和停止操作，電動蝶閥開、關(guān)和停止操作、開度預(yù)置、聲光報警。

液壓啟閉機的油泵的起、停操作、閘門的升、降、停操作、進行閘門開度預(yù)置、閘門雙缸同步糾偏、閘門沉降的自動回升復(fù)位[7]。

5 結(jié)語

我國閘門控制的自動化技術(shù)起步較晚，但是近年來發(fā)展較快，自動化在水利行業(yè)中的應(yīng)用越來越成熟，本系統(tǒng)自動化程度較高，數(shù)據(jù)采集量大，系統(tǒng)可靠性要求較高，系統(tǒng)達到設(shè)計要求，并且運行效果較好。