提升水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)安全水平的途徑

李 勝

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局橫排頭管理處，安徽 六安 237000)

隨著自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱閘控系統(tǒng))的應(yīng)用越來越廣泛。近年來，新建和除險(xiǎn)加固的水閘大都使用了自動化監(jiān)控設(shè)備，對提升水閘管理信息化、智能化、現(xiàn)代化水平，起到了積極作用。但是，由于設(shè)計(jì)方案缺陷、硬件設(shè)備故障、軟件系統(tǒng)不穩(wěn)定及運(yùn)行管理不善等原因，閘控系統(tǒng)還存在著一些不安全因素。分析閘控系統(tǒng)常見問題，通過設(shè)計(jì)等手段使該系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會造成事故，即提高該系統(tǒng)的本質(zhì)安全，是值得深入研究的課題。

閘控系統(tǒng)雖具技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行高效、減輕勞動強(qiáng)度、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控、自動監(jiān)控、自動記錄等優(yōu)點(diǎn)，但如果可靠性不高，安全風(fēng)險(xiǎn)大，管理人員不能用、不敢用、不會用，必然會被棄用。如果我們從軟硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析研究，提高其本質(zhì)安全水平，使其可靠性、安全性達(dá)到或超過傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場操作，則一定能發(fā)揮其作用，為信息化建設(shè)和數(shù)字水利發(fā)展打好基礎(chǔ)。

1 閘控系統(tǒng)的常見安全問題及原因分析

1.1 數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確

閘控系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)主要有水位、閘位、流量、荷重、電流、電壓、功率、電源狀態(tài)、開關(guān)位置等，有開關(guān)量也有模擬量，有電氣量也有非電氣量。參與閘門控制的數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，將嚴(yán)重影響操控的準(zhǔn)確性和安全性。

造成采集不準(zhǔn)確的主要原因有：傳感器本身精度不夠，選型不當(dāng)；線路干擾，未做濾波設(shè)計(jì)；安裝調(diào)試問題，如閘位、水位傳感器變比、偏移量設(shè)置不準(zhǔn)確，安裝不規(guī)范造成重復(fù)性差，閘門動作后不能歸零。

1.2 閘門失控

進(jìn)行自動控制時，閘門不能按設(shè)定方式動作，如達(dá)到設(shè)定開度值不能自動停止，達(dá)到上、下限位時拒停，在閘門卡阻時不能自動停車，停車時閘門滑落，沒有操作指令時自行開啟或關(guān)閉等，都屬于閘門失控。

造成閘門失控的主要原因有：閘門開度編碼器失效，閘門啟動后失去開度反饋；荷重儀損壞；上下限位移動失效；PLC程序紊亂；通信信號中斷；二次系統(tǒng)有寄生回路造成誤動；軟件缺乏必要的保護(hù)設(shè)計(jì)。

1.3 通信中斷

每個閘控系統(tǒng)都有若干個現(xiàn)地控制單元(LCU)，LCU一般以PLC為核心元件，PLC與傳感器通信中斷會使其得不到閘位、水位等重要信號的反饋，造成操作失敗甚至閘門失控。遠(yuǎn)程工作站、上位機(jī)與PLC通信中斷，則會使控制電腦無法獲取現(xiàn)場的各種狀況、狀態(tài)、數(shù)據(jù)，也無法得到各種故障信息及現(xiàn)場視頻，使遠(yuǎn)程控制的安全性得不到保障。

造成通信中斷的主要原因有：通信方式設(shè)計(jì)不合理；沒有用工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，使用普通商業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)備組網(wǎng)，不能適應(yīng)現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾和溫濕度環(huán)境；線纜和連接器安裝不規(guī)范，強(qiáng)弱電沒有分開敷設(shè)；沒有必要的防震動防干擾措施；監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與單位的辦公網(wǎng)絡(luò)沒有隔離，或使用公網(wǎng)沒有做好防火墻，廣播風(fēng)暴、地址沖突、病毒入侵等造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

1.4 監(jiān)控軟件運(yùn)行不穩(wěn)定

部分水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)在初期安裝調(diào)試時運(yùn)行流暢，使用一段時間后就出現(xiàn)一些不穩(wěn)定現(xiàn)象，如操作不響應(yīng)或反應(yīng)嚴(yán)重滯后，歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)異常，數(shù)據(jù)庫不能備份或丟失，系統(tǒng)卡頓、崩潰、閃退等。

造成監(jiān)控軟件運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因有：軟件設(shè)計(jì)缺陷，如控制動作沒有分優(yōu)先級，沖突處理機(jī)制不佳；數(shù)據(jù)記錄周期過短，數(shù)據(jù)量增長過快，數(shù)據(jù)庫的記錄、讀取、更新占用過多系統(tǒng)資源；使用盜版操作系統(tǒng)軟件或組態(tài)軟件，系統(tǒng)本身不穩(wěn)定或部分功能不正常；操作人員對系統(tǒng)不了解，誤刪系統(tǒng)文件或修改了底層運(yùn)行的參數(shù)。

2 從硬件設(shè)計(jì)方面提升閘控系統(tǒng)本質(zhì)安全的途徑

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，基于PLC和通信技術(shù)的閘控系統(tǒng)是主流。系統(tǒng)一般采用分布式結(jié)構(gòu)(DCS)，可分為三層，即位于水閘機(jī)房內(nèi)的現(xiàn)地控制單元、位于中控室內(nèi)的上位機(jī)(操作員工作站/工程師工作站)、位于主管單位調(diào)度中心的遠(yuǎn)程工作站，滿足無人值班、少人值守的需要。其中遠(yuǎn)程調(diào)度中心也可監(jiān)而不控，只對現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，不發(fā)出控制指令。三層結(jié)構(gòu)中，LCU是現(xiàn)場控制的最終執(zhí)行者，硬件上要考慮降級操作，即保留手動操作回路，要合理設(shè)計(jì)手自動切換和電氣閉鎖功能。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)是閘控系統(tǒng)的一部分，用于全方位監(jiān)視和記錄現(xiàn)場狀況，如啟閉機(jī)、閘門、船只、漂浮物等情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的可視化操作監(jiān)視?？梢詥为?dú)組網(wǎng)在遠(yuǎn)端顯示，也可以嵌入上位機(jī)的監(jiān)控程序，在水閘操作時自動調(diào)用相關(guān)畫面。

2.2 電源部分

穩(wěn)定可靠的供電是閘控系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。主要從兩個方面考慮：一是提高電源質(zhì)量。有些水閘地處偏遠(yuǎn)，低壓供電線路較長，壓降大，供電不穩(wěn)定，電機(jī)啟停容易造成電壓波動。設(shè)計(jì)時，控制單元供電應(yīng)與動力供電分開，要求比較高的水閘可以加配直流電源，給PLC供電的開關(guān)電源使用交直流雙路供電模塊，可以有效提高電源質(zhì)量和供電可靠性。二是做好防雷。水閘往往地處曠野和水面環(huán)境，易受雷擊，室外供電線路、傳感器、通信線纜常常成為雷電波入侵的通道。設(shè)計(jì)中除了設(shè)避雷針、避雷帶防直擊雷外，還要注意防感應(yīng)雷。要做好進(jìn)線保護(hù)，建好接地系統(tǒng)，在入侵途徑安裝避雷器和浪涌保護(hù)器，必要時采取多級保護(hù)。水閘動力電源的總開關(guān)可選用帶分勵脫扣器的斷路器，在中控室設(shè)“緊急停機(jī)”按鈕，在緊急情況下可以從中控室遠(yuǎn)程跳閘斷電。

2.3 數(shù)據(jù)采集與控制

數(shù)據(jù)采集主要包括水情、工情和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，用以感知設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)。傳感器選擇要根據(jù)水閘工程現(xiàn)場情況，考慮防塵、防水、防曬、耐腐蝕、抗干擾等環(huán)境適應(yīng)性，還要考慮精度、量程和輸出方式，對直接參與水閘控制、保護(hù)的數(shù)據(jù)，尤其要注重其可靠性，必要時采取冗余設(shè)計(jì)。

水情數(shù)據(jù)主要包括上下游水位，傳感器單元可用浮子水位計(jì)、超聲波水位計(jì)，數(shù)據(jù)以4～20mA模擬量信號傳至PLC。對某些關(guān)系安全的特征水位，比如警戒水位、保證水位、集水井上限水位等，可做冗余設(shè)計(jì)，如單獨(dú)設(shè)簡單可靠的浮球開關(guān)，采集開關(guān)量信號，不依賴模擬量信號通道，當(dāng)水位超限時，用有線或無線方式向中控室報(bào)警。

工情數(shù)據(jù)主要包括電源狀態(tài)、閘位、啟閉機(jī)控制方式、電壓、電流、功率、荷重、上下限位、液壓啟閉機(jī)油壓等。閘位是重要的反饋控制信號，對重要涵閘，可做冗余設(shè)計(jì)。一般將閘位儀安裝在啟閉機(jī)上，通過傳動變比裝置把起升機(jī)構(gòu)位置傳給PLC，以此反映閘門位置。對于卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，閘門下降過程中如遇卡阻，則不能正確反映閘位。作為冗余方案，可以再安裝一套恒力拉繩閘位儀，拉繩端固定在閘門上，直接反映閘位。閘門上下限位是重要的保護(hù)措施，必要時可設(shè)置雙限位，內(nèi)側(cè)限位開關(guān)用于使PLC發(fā)出停機(jī)令，外側(cè)限位開關(guān)可直接作用于交流接觸器的勵磁線圈回路，達(dá)到不依賴PLC使交流斷電的目的。啟閉機(jī)控制回路采用兩級交流接觸器串聯(lián)的方式，以防止觸點(diǎn)粘連或機(jī)構(gòu)卡阻造成不能停機(jī)的情況。啟閉機(jī)電機(jī)是短時斷續(xù)工作模式，溫度監(jiān)測不能靈敏反映其工作狀況，可不設(shè)測溫點(diǎn)，用智能電工儀表監(jiān)視其電壓、電流和功率，更利于發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行異常。

安全監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括位移、揚(yáng)壓力、裂縫等，可分別使用GNSS位移傳感器、振弦式滲壓計(jì)和測縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)主要用于越限報(bào)警和趨勢分析，不參與水閘控制。

2.4 通信方式

在水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)典型的三層架構(gòu)中，通信對系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性有重要影響。主要包括現(xiàn)場設(shè)備至PLC通信、PLC與上位機(jī)通信、中控室與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。現(xiàn)場的各種傳感器、智能儀表、開關(guān)信號與PLC通信，根據(jù)信號類型采用不同方式。開關(guān)量宜采用無源接點(diǎn)接入PLC的數(shù)字量輸入模塊DI；模擬量如不需現(xiàn)場顯示，可直接接入PLC的模擬量輸入模塊AI，如需現(xiàn)場顯示，則先接入顯示儀表，儀表輸出后再接入PLC。電壓型的模擬信號易受干擾，現(xiàn)場宜采用電流型模擬量的輸出方式。采集信號點(diǎn)較多時，全部采用模擬量傳輸會使布線過于繁雜，現(xiàn)在越來越多的儀表和傳感器支持總線傳輸，總線協(xié)議有多種，可結(jié)合PLC選型來選擇，要注意響應(yīng)時間、阻抗匹配和站點(diǎn)容量。隨著WiFi、Lora、ZigBee、NB-IoT等無線技術(shù)的發(fā)展，布線不方便的地方也可采用無線連接。PLC與上位機(jī)的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)，為提高可靠性，采用環(huán)形網(wǎng)。網(wǎng)線采用屏蔽雙絞線，如傳輸距離較遠(yuǎn)，為防止電氣干擾，減少信號衰減，可采用光纖傳輸。中控室與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信，可采用自建網(wǎng)絡(luò)或VPN，或兩者結(jié)合，重要節(jié)點(diǎn)可組成環(huán)網(wǎng)。廣域網(wǎng)級的通信不穩(wěn)定因素較多，設(shè)計(jì)時要從軟件角度控制誤傳、漏傳、中斷、延遲等現(xiàn)象，并設(shè)置防火墻。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)量大，一般應(yīng)與控制系統(tǒng)分開組網(wǎng)。如不具備條件，可以設(shè)置VLAN隔離。

3 從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面提升閘控系統(tǒng)本質(zhì)安全的途徑

閘控系統(tǒng)的軟件包括PLC程序和上位機(jī)程序，其中現(xiàn)地PLC程序是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它采集現(xiàn)場各種設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)，響應(yīng)上位機(jī)指令，執(zhí)行水閘操控動作。要注意數(shù)據(jù)處理、反饋檢測、邏輯控制和通信連接等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)要注意權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫管理和用戶界面。

3.1 數(shù)據(jù)處理方面

閘門到達(dá)上下限位點(diǎn)、啟閉機(jī)電機(jī)接觸器吸合等信號是以開關(guān)量方式輸入PLC的。這些開關(guān)在開閉時會出現(xiàn)抖動，隨著控制器算法周期達(dá)到毫秒級，開關(guān)抖動將對控制邏輯造成巨大影響。防抖處理可以增加軟件延時，躲過抖動。水位、閘位等信號是以模擬量方式輸入PLC的，由于水閘工程現(xiàn)場有電源諧波、雷電波、電機(jī)啟停等干擾因素，需要對模擬量作數(shù)字濾波處理。硬件濾波較為復(fù)雜，軟件濾波則比較方便。如對水位一類變化緩慢的數(shù)據(jù)，采用多次采樣中位值濾波法，可有效過濾干擾數(shù)據(jù)，提高采樣準(zhǔn)確性，大大減少越限誤報(bào)率。對閘位數(shù)據(jù)，配合上述硬件冗余設(shè)計(jì)，采用二次采樣限幅濾波法，確保閘位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3.2 控制邏輯方面

可通過程序設(shè)計(jì)避免不安全和違反規(guī)程的操作。如正反轉(zhuǎn)互鎖，禁止不經(jīng)過停止流程而改變閘門運(yùn)動方向；在程序上限制每次啟門的最大高度，設(shè)置先中間再兩邊的啟閉順序；檢測過閘流量與下游水位是否相適；操作前對機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、上下游水位自動檢測并作為開機(jī)條件；操作中實(shí)時反饋閘位、荷重、振動、限位、電流、壓力等參數(shù)，判斷異常狀態(tài)作用于保護(hù)停機(jī)、報(bào)警等。通過合理的邏輯控制和保護(hù)，達(dá)到比現(xiàn)場人工眼觀、耳聽、鼻嗅、手觸更安全、靈敏的效果。

3.3 系統(tǒng)通信方面

包括現(xiàn)地各設(shè)備與PLC之間的總線通信和PLC與上位機(jī)之間的通信。為提高現(xiàn)場總線通信數(shù)據(jù)傳輸可靠性，在編程時，可對總線狀態(tài)切換作適當(dāng)延時，再進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。在出現(xiàn)控制動作時，要區(qū)分優(yōu)先級。PLC與上位機(jī)的通信以及與遠(yuǎn)程工作站的通信，往往發(fā)生數(shù)據(jù)延時或丟包，因此，一些運(yùn)算盡量放在底層處理，設(shè)定值發(fā)給PLC再執(zhí)行，不依賴上位機(jī)程序進(jìn)行反饋檢測，簡化上位機(jī)操作步驟，盡量減少其通信次數(shù)與數(shù)據(jù)量。

3.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)方面

使用正版組態(tài)軟件。對多用戶分級管理，賦予不同操作權(quán)限和優(yōu)先級。界面設(shè)計(jì)力求簡潔易用，對影響底層運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置界面宜單獨(dú)放置，并要求更高的操作權(quán)限。由于水閘控制中一般沒有高速變化的對象，可適當(dāng)降低數(shù)據(jù)存儲的頻率，并設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)庫備份、更新策略，以提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)安全性能。

4 反饋檢測問題的處理途徑

當(dāng)PLC輸出控制信號時，要對控制對象的狀態(tài)進(jìn)行檢測，以跟蹤反饋輸出控制信號的實(shí)際效果。遠(yuǎn)程控制與傳統(tǒng)的現(xiàn)場手動操作，最大的變化是操作者不能現(xiàn)場觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，也就不能人工處理各種異常和故障。PLC控制可靠性的關(guān)鍵是對現(xiàn)場真實(shí)情況的反饋，并據(jù)此自動作出判斷和進(jìn)行保護(hù)。

4.1 閘門卡阻的判斷處理

當(dāng)輸出一個閘門啟閉信號后，首先要檢測接觸器是否吸合，以反饋閘門處于升/降狀態(tài)。判斷閘門卡阻可有兩種方式，一是讀取荷重儀數(shù)據(jù)，如超過定值則判為卡阻；二是讀取開度編碼器數(shù)據(jù)，如在一定時間間隔內(nèi)，開度變化未達(dá)到設(shè)定值，判為卡阻。凡閘門卡阻，均應(yīng)輸出停機(jī)信號。

4.2 閘門拒停的判斷處理

操作閘門時，一般在上位機(jī)輸入開度預(yù)設(shè)值，閘門動作達(dá)到此值時停止。如實(shí)際到達(dá)該位置閘門未停，則為拒停?？捎幸韵路桨副苊猓?檢測不到開度值判為故障，輸出停機(jī)信號；?發(fā)出啟閉信號后，同時計(jì)時，在合理時間內(nèi)(根據(jù)閘門速度和啟閉高度計(jì)算)未達(dá)到預(yù)定值，判為操作超時，輸出停機(jī)信號；?設(shè)上下限位開關(guān)，達(dá)到限位時停機(jī)。

4.3 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況檢測

分為三種情況：一是閘門滑落的判斷。以一定周期檢測閘位，如無啟閉操作而閘位變動超過定值，判為閘門滑落。自動控制系統(tǒng)判斷比人工觀察更靈敏、準(zhǔn)確，有利于判斷故障，提高安全性和調(diào)度精準(zhǔn)性。二是閘門振動檢測。閘門應(yīng)避免停在產(chǎn)生振動的位置，此位置受閘門本身和水工建筑物、上下游水位、流量等因素影響，并不固定，人工觀察不太方便。使用振動傳感器可持續(xù)監(jiān)測，并通過改變開閉組合來避免。三是通過智能儀表檢測回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，可判斷電源狀態(tài)、電機(jī)過載、短路等故障。

5 結(jié) 語

水閘自動化監(jiān)控是發(fā)展趨勢，其安全性、可靠性是推廣使用中的痛點(diǎn)?？蓮能?、硬件設(shè)計(jì)方面及安全監(jiān)測方面提升閘控系統(tǒng)本質(zhì)安全水平，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行管理中的建章立制，常態(tài)化開展系統(tǒng)維護(hù)，努力提高員工的技術(shù)水平，落實(shí)“從根本上消除事故隱患”的要求，助力數(shù)字水利、智慧水利建設(shè)取得重大成果。