宋春杰 王輝

摘 要:利用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)建立水閘監(jiān)控系統(tǒng),對實現(xiàn)水閘的高效的集中控制和管理有重要影響。論文首先分析了水閘監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況,指出了實施水閘自動化監(jiān)控的必要性,并分析了系統(tǒng)的組成,最后探討了水閘自動化監(jiān)控的關(guān)鍵設(shè)計。

關(guān)鍵詞:水閘自動化 監(jiān)控系統(tǒng) 關(guān)鍵設(shè)計

中圖分類號:TV66 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0033-02

水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實施不僅有利于對閘門、泵站等工程準(zhǔn)確、可靠地進行監(jiān)測和控制,繼而將水情、閘門工況和運行狀態(tài)等信息共享,建立實時和歷史數(shù)據(jù)庫供流域機構(gòu)及有關(guān)部門監(jiān)督和分析統(tǒng)計而且能夠?qū)Ψ乐嗡?、加強水資源統(tǒng)一管理、降低運行成本、保障水利持續(xù)發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的意義。因此,論文結(jié)合上海奉賢區(qū)水閘的自動化監(jiān)控管理為例探討這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。

1水閘監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況

現(xiàn)有的水閘監(jiān)控系統(tǒng)一般采取分布式控制系統(tǒng)(DCS)結(jié)構(gòu),在一定程度上提高了系統(tǒng)的自動化程度和設(shè)備的可靠性,但是由于水閘所處的工作環(huán)境普遍比較惡劣,其液壓系統(tǒng)、傳感設(shè)備裝置等元器件老化較快,經(jīng)常出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象,信息一般沒有數(shù)字化,更沒有進行存儲,因此,集控系統(tǒng)平臺上缺乏設(shè)備及系統(tǒng)健康狀態(tài)信息,從設(shè)備的檢修維護方面看,現(xiàn)有的水閘監(jiān)控系統(tǒng)基本上還是采取事后維修,或者定期檢修這樣較為傳統(tǒng)的檢修維護策略,而在技術(shù)管理領(lǐng)域基本上還處于空白階段,沒有進行系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃、實施,因此,將控制、維護和技術(shù)管理集成系統(tǒng)應(yīng)用于水利自動化系統(tǒng),形成水利樞紐集成自動化系統(tǒng),可以在很大程度上提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,保證控制命令的正確執(zhí)行。為了提高水利工程效益和管理水平,精簡管理人員,適應(yīng)現(xiàn)代化水利的要求,必須利用先進的計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動化監(jiān)控技術(shù)形成水利閘門控制、維護和技術(shù)管理綜合集成自動化系統(tǒng)。通過對水利樞紐閘門系統(tǒng)的運行狀態(tài)和健康狀態(tài)實施實時監(jiān)控,可以提高調(diào)度運行響應(yīng)速度和能力,實現(xiàn)在線優(yōu)化調(diào)度,充分發(fā)揮水利樞紐工程信息在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中的作用。

2水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的組成

上海奉賢區(qū)水閘自動化控制系統(tǒng)可按以下方案設(shè)置:區(qū)水閘管理所作為遠(yuǎn)程控制的總站（區(qū)防汛辦可作為總監(jiān)視站）,金北水閘、白廟水閘、南橫涇水閘、南竹港水閘、南沙港水閘、巨潮水閘、千步?jīng)芩l、浦南運河西閘、南竹港出海閘、金南水閘、南門港水閘、中港水閘這12座水閘作為下設(shè)的12個站,每個分站可設(shè)中央控制室、中央控制室下又可設(shè)幾個現(xiàn)場工作站。若小型節(jié)制閘可只設(shè)現(xiàn)場工作站,不設(shè)中央控制室。水閘管理調(diào)度自動化系統(tǒng)是先進的各種實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng),它是利用遙測遙控技術(shù),各種媒體數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)和專業(yè)的系統(tǒng)軟件編程來實現(xiàn)對水閘運行的監(jiān)視和控制,能自動采集系統(tǒng)內(nèi)各項參數(shù),同時根據(jù)實時閘門運行狀況和水情變化,按照水利工程調(diào)度運行方案,實時做出調(diào)度方案,并監(jiān)控閘門予以執(zhí)行,實行水閘調(diào)度與監(jiān)控自動化。各分站的閘門監(jiān)控管理自動化系統(tǒng)由二大部分組成:計算機監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)又分為二部分:（1）中央控制室。通過網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)線由現(xiàn)場工作站的可編程序控制器PLC傳輸實時顯示各種參數(shù)變化情況和設(shè)備運行狀態(tài)。（2）現(xiàn)場工作站,由可編程序控制器和上位計算機及現(xiàn)場檢測儀表以及機械設(shè)備故障報警器等組成。①可編程序控制器PLC主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場閘門運行參數(shù)的采集和設(shè)備的控制。如電流、電壓、閘前后的水位和閘門狀態(tài)以及設(shè)備完好情況的檢測和閘門開、關(guān)的控制等。②PLC上位計算機通過RS232或RS485串行口與PLC進行通信收集PLC最新采集的數(shù)據(jù),包括電壓、電流,閘前后的水位和油壓,閘門開關(guān)狀態(tài)以及設(shè)備完好情況等,并把以上的這些數(shù)據(jù)顯示在計算機監(jiān)示器上供工作人員控制時參考和決策。③機械設(shè)備故障報警?？梢苑咒摻z繩松懈報警、閘門撐死報警、閘門沖頂報警、閘門上下限位超越報警、閘門關(guān)不到位報警、啟閉機剎車失靈報警、擱門器位置不正常報警、電源缺相（欠壓、過壓）報警、閘門關(guān)閉過程中有船只報警、高水位或低水位報警、超高船只限制進閘報警等等。

2.2 圖像監(jiān)控系統(tǒng)

為了監(jiān)視閘群內(nèi)外的現(xiàn)場狀況,便于及時掌握了解水閘閘室內(nèi)外船只情況和閘門運行時的運行軌跡以及水閘區(qū)域內(nèi)的各種實時情況,完成對閘區(qū)的覆蓋式監(jiān)控。各分站的圖像監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機、監(jiān)視器、視頻切換器、漢字字符發(fā)生器、數(shù)字硬盤機、高速球攝像機、解碼器等組成。具體分為中央控制室和前置攝像機二部份。中央控制室由控制設(shè)備（控制機和視頻切換器組成）、記錄設(shè)備（由一臺數(shù)字硬盤錄像機來完成,具體位數(shù)根據(jù)實際所需來布置）和顯示設(shè)備（具體彩色監(jiān)視器根據(jù)實際需要來選擇多少臺）組成。前置攝像機部份是由攝像機把攝入的圖像變換成視頻信號,把水面來往船只情況及時傳送給中控室視頻切換器,由視頻切換器的輸出通道傳送至監(jiān)視器圖像監(jiān)控系統(tǒng),主控制器圖像的視頻信號通過漢字字符發(fā)生器把圖像視頻信號疊加了漢字,然后通過視頻分配器傳送給數(shù)字硬盤錄像機。硬盤錄像機根據(jù)功能大小可錄制多路圖像,可同時顯示多路或單路實時圖像,在回放圖像的同時,可錄制現(xiàn)場攝入的圖像,只要輸入日期就可顯示歷史圖像資料,便于隨時查詢。通過網(wǎng)卡,可在網(wǎng)上傳輸圖像。

3水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計

3.1 全自動功能控制及輔助手動控制

一是船閘智能全自動控制的實施。由PLC監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各閘以往積累的實際經(jīng)驗來編制運行控制程序所有運行參數(shù),開關(guān)閘采用定時方式和點動方式二種:(1)計算機控制方式為全自動,由PLC檢測閘室內(nèi)外水位、機電設(shè)備完好狀況,PLC不斷檢測各種即將運行的設(shè)備完好情況,等關(guān)閘條件具備時PLC再次檢察閘門內(nèi)外的水位,提前數(shù)分鐘用語音音響等設(shè)備告訴閘室內(nèi)外的船員“水閘馬上要關(guān)閘,請船員注意安全”連續(xù)發(fā)3～5次,并在工作室或中控室同步發(fā)出聲音,提示崗位操作人員在圖像監(jiān)控系統(tǒng)的畫面上觀察河面上船只過閘情況,同時PLC進一步檢測設(shè)備完好狀況,供電正常,PLC啟動程序開始關(guān)閘,關(guān)閘時PLC再次檢測起閉機的電流、電壓,如異常,則取消程序,如一切正常,閘門則徐徐落下,直到關(guān)到底時發(fā)出關(guān)足信號,PLC立即停止起閉機工作,關(guān)閉過程結(jié)束。如果在關(guān)閘過程中,攝像機檢測到閘前發(fā)現(xiàn)船只,攝像機立即進行報警,PLC收到報警信號后立即停止啟閉機工作,閘門停止,待船只避開危險區(qū)后關(guān)閘進一步進行。開閘時,PLC根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定的允許范圍開閘。（內(nèi)外水位允許值內(nèi)可一次開閘到位,內(nèi)外水位差超過允許值時,根據(jù)設(shè)定值分幾次提升,提升次數(shù)與水位差成正比,水位差越大,提升次數(shù)越多。(2）點動方式是現(xiàn)場操作人員手動控制,即用鼠標(biāo)在計算機正面圖形上點控,完成開關(guān)閘的人工控制。

二是節(jié)制閘智能全自動控制的實施。控制按設(shè)定日期（陰歷）和設(shè)定內(nèi)河水位參數(shù)控制值進行自動引排水。即根據(jù)每月的引排表水日期表,自動根據(jù)閘外水位,漲潮時自動引水3h～4h或者至閘外水位落潮前自動停止引水,當(dāng)內(nèi)河水位低于參數(shù)值時,自動引水,高于參數(shù)值時自動排水。開啟閘門時,由PLC檢測當(dāng)前設(shè)備完好情況,再檢查供電電源,由圖像監(jiān)控系統(tǒng)檢查河面上船只情況和有無大的漂浮物,發(fā)現(xiàn)問題及時報警進行緊急處理關(guān)小或關(guān)閉閘門等事件處理后再開閘引水或排澇。節(jié)制閘門開啟高度的控制值由流量、流速儀器根據(jù)設(shè)定參數(shù)通過PLC自動控制閘門開啟高度值,優(yōu)先保證水工建筑物的安全性。

最后是輔助手動控制:控制室安置PLC和上位機,啟閉機房作為分路安置就地控制箱（與RTU柜合二為一）,通過分站的電腦操作屏手動控制,便于在調(diào)試或維修時操作。

3.2 信息收集與傳輸

系統(tǒng)信息的收集是由可編程序控制器PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場閘門運行參數(shù)的采集。即PLC通過模擬量和開關(guān)量輸入模塊與水位變送器,電流電壓變送器以及閘門開關(guān)狀態(tài)和機械設(shè)備完好情況等信號進行聯(lián)接,不斷采集這些信號,并存入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,PLC通過RS232或RS485通信接口上位計算機進行聯(lián)接,通過以太網(wǎng)通信口與中控室主機的通信口進行聯(lián)接,接受上位計算機數(shù)據(jù)采集的命令,并把PLC最新采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,PLC接收上位機的命令,通過開關(guān)量輸出模塊來控制閘門的開關(guān)動作。

3.3 遠(yuǎn)程控制的實施

目前各分站可采用寬帶網(wǎng)的通訊方式進行聯(lián)絡(luò),各分站把收集的各種數(shù)據(jù)信息通過寬帶網(wǎng)傳輸?shù)娇傉緟^(qū)水閘管理所的中央控制室,這樣總站既能監(jiān)控到各分站所在水閘的調(diào)度運行情況,又能傳輸入命令直接調(diào)度運行,區(qū)防汛辦可進行實時監(jiān)控。

3.4 系統(tǒng)保護措施研究

（1）防雷保護。本系統(tǒng)采取了以下防雷保護措施:環(huán)境防雷:配設(shè)避雷針、避雷帶以及地網(wǎng)系統(tǒng),防止直擊雷的破壞;動力電源防雷:在電源總?cè)肟谔幍娜鄤恿€上,安裝大電流“電源防浪涌保護器”,防止直擊雷或感應(yīng)雷經(jīng)動力電源線串入監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)防雷:在數(shù)據(jù)線接口處加裝“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)避雷器”,裸露于室外的設(shè)備外殼加屏蔽罩并可靠接地。

（2）接地保護?？刂葡到y(tǒng)接地防干擾。良好的接地可以減少由控制柜和大地之間的電位差引起的干擾電流,減少混入電源和輸入信號的干擾,可以防止由漏電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。閘門控制系統(tǒng)接地應(yīng)遵守的原則是:采用一點接地、信號地線和功率地線分開。

4結(jié)語

總之,隨著“無人值班,少人值守”這一運行模式在水電站的提出,水電站、水利樞紐的自動控制也迫切要求設(shè)計并生產(chǎn)出可靠性高、性價比好的閘門監(jiān)控系統(tǒng)。本文根據(jù)上海奉賢區(qū)水閘自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀,制定了的閘門監(jiān)控系統(tǒng)控制方案,重點探討了其關(guān)鍵設(shè)計,希望對業(yè)內(nèi)人士提供理論依據(jù)。

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