楊靜宗，楊在華，尹自萍

（1.保山學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 保山，678000；2.云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山，678200）

0 引言

紅谷田水庫位于云南省施甸縣壩區(qū)東北部，水庫距縣城約15km，壩址以上控制徑流面積50.5km2。水庫工程功能為農(nóng)村人畜和農(nóng)業(yè)灌溉供水。溢洪道布置在左岸，岸邊有閘控制式溢洪道，控制段堰型為駝峰堰。溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段及出口護(hù)坦段組成，采用底流消能?？刂贫卧O(shè)露頂式弧形閘門，孔口尺寸為8m×4.5m。閘門采用工字主橫粱，斜支臂工字梁結(jié)構(gòu)。閘門主要承擔(dān)泄洪任務(wù)，其操作條件為動水啟閉。閘門由一套QHLY2×250kN-3m下掛式液壓啟閉機(jī)控制操作，泵站系統(tǒng)設(shè)兩套互為備用的油泵和電動機(jī)組。啟閉機(jī)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)地和遠(yuǎn)程操作，該閘門啟閉機(jī)配置自備柴油發(fā)電機(jī)電源。

導(dǎo)流、輸水隧洞布置在左岸，導(dǎo)流隧洞與輸水隧洞在平面布置上呈Y型，采用“龍?zhí)ь^”的型式與導(dǎo)流隧洞相結(jié)合，安裝有事故檢修閘門和工作閘門。導(dǎo)流輸水隧洞斷面為2.0m×3.0m城門洞形斷面，設(shè)計輸水流量Q=3.0m3/s。事故檢修閘門孔口尺寸1.0m×1.0m，水頭49.5m，閘門型式為平面定輪鋼閘門，采用工字型主橫梁結(jié)構(gòu)，主支承采用懸臂主輪，支承型式采用滾動軸承。動水情況依靠加重塊下壓閉門，啟門時小開度提門平壓后靜水啟門，啟閉機(jī)選用QPG1×250kN-55m高揚(yáng)程卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。工作平面閘門孔口尺寸1.0m×1.0m，水頭49.5m，閘門型式為平面定輪鋼閘門，采用工字型主橫粱結(jié)構(gòu)，主支承采用懸臂主輪，支承型式采用滾動軸承。動水情況依靠啟閉機(jī)下壓力閉門，動水啟門，啟閉機(jī)選用QPPYII 250/150-1.5m液壓式啟閉機(jī)。

金屬閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，通常用來封閉建筑物的孔口、全部或局部開啟孔口，用于調(diào)節(jié)水庫上下游水位和流量，發(fā)揮水庫工程防洪、灌溉、供水等效益。在我國已建水庫中，運(yùn)行管理過程中大多數(shù)采用人工和電動啟閉兩種方式。傳統(tǒng)方式的閘門啟閉管理現(xiàn)代化水平極低，運(yùn)行管理不便。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)布置

水庫中心站布置于水庫管理房一樓，設(shè)中心機(jī)房一間，水庫中心站是水庫運(yùn)行管理的中心。監(jiān)控中心布置在水庫運(yùn)行管理中心，現(xiàn)場控制站布置在左岸的輸水隧洞工作閘室和溢洪道閘室內(nèi)，現(xiàn)場控制站通過光纖線路連接至大壩右岸的水庫管理中心的監(jiān)控中心站，在監(jiān)控中心對輸水隧洞工作閘門和溢洪道弧形閘門自動監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水庫閘門自控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、現(xiàn)場監(jiān)控站、通信鏈路、傳感器等構(gòu)成。監(jiān)控中心為管理人員提供人機(jī)操作界面，實(shí)時顯示機(jī)電、啟閉機(jī)、閘門等的運(yùn)行情況（閘門開啟度、泄流量）[1，2]?，F(xiàn)場監(jiān)控站主要由西門子S7-1200控制器、操作液晶面板組成，以EtherNet方式連接水庫管理機(jī)房的監(jiān)控中心站進(jìn)行通信。對閘門電機(jī)、液壓啟閉機(jī)、閘門運(yùn)行狀況等進(jìn)行監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制。安裝設(shè)備包括：PLC控制器、現(xiàn)場操作液晶面板、供電設(shè)備、通信設(shè)備等，以及閘門通信控制軟件。傳感器負(fù)責(zé)采集閘門開度、啟閉機(jī)油壓、泵電機(jī)電流、電壓等工況數(shù)據(jù)，并實(shí)施閘門開啟、關(guān)閉的遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成為：

（1）總體結(jié)構(gòu)：閘門自動控制系統(tǒng)由閘門監(jiān)控計算機(jī)、通信鏈路、現(xiàn)場監(jiān)控站、現(xiàn)場傳感器等組成。該系統(tǒng)由先進(jìn)的三層架構(gòu)完成，分別是管理層、控制層和現(xiàn)場層，完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析、存儲、報警及命令的執(zhí)行。

（2）通信鏈路：現(xiàn)場監(jiān)控站完全采用先進(jìn)的分布式安裝，通過光纖以太網(wǎng)與水庫管理中心進(jìn)行通信鏈路連接。

（3）系統(tǒng)功能：現(xiàn)場控制站均設(shè)一個控制柜，柜中裝有智能儀表、PLC模塊、現(xiàn)場操作液晶面板、供電器件、執(zhí)行器件、保護(hù)器件等，用來檢測開度、油壓、油溫、電流、電壓等電氣參數(shù)并控制閘門啟閉機(jī)的安全可靠運(yùn)行。在控制中心，操作人員通過人機(jī)對話窗口，可設(shè)置閘門的開度。命令發(fā)出后，相應(yīng)的PLC控制電機(jī)將閘門運(yùn)行到該位置然后停下。操作人員在閘門控制工作站上可看到各種運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

（4）管理層的計算機(jī)控制軟件可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的出流策略，自動控制閘門開度，也得到所需出流量。1.3系統(tǒng)運(yùn)行要求

閘門監(jiān)控系統(tǒng)為防汛、調(diào)度工作服務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)滿足下列要求[1，2]：

（1）能自動收集各閘站的閘門或閘閥開啟的高度信息，并實(shí)時傳輸?shù)焦芾碇行模?/p>

（2）能遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制閘門的開啟高度，也可與洪水預(yù)報及調(diào)度計算機(jī)連機(jī)控制閘門的開啟高度；

（3）能在惡劣天氣條件下穩(wěn)定工作；

（4）系統(tǒng)設(shè)備先進(jìn)，低故障、高可靠性，與現(xiàn)代化管理水平相適應(yīng)；

（5）采用的系統(tǒng)設(shè)備充分考慮易升級換代，在升級時以利對系統(tǒng)規(guī)模、功能擴(kuò)充；

（6）系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)備應(yīng)采用國內(nèi)外成熟產(chǎn)品，使系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠、長期穩(wěn)定運(yùn)行；

（7）具有對外數(shù)據(jù)接口，便于與其他自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

2 現(xiàn)場控制站監(jiān)控參量表和現(xiàn)場設(shè)備

2.1 現(xiàn)場控制站的監(jiān)控參量

根據(jù)閘門自動控制的要求，閘門自控系統(tǒng)主要監(jiān)測控制輸水工作閘門和溢洪道閘門的液壓啟閉機(jī)，并對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。閘門監(jiān)控站的監(jiān)控參量詳見表1。

表1 閘門監(jiān)控站的監(jiān)控參量表

系統(tǒng)采用下列3種控制模式：

（1）在管理中心實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制；

（2）在閘室電氣控制柜上對閘門實(shí)行現(xiàn)場手/自動控制；

（3）通過遠(yuǎn)程連接網(wǎng)絡(luò)，在縣級中心站的計算機(jī)工作站上實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制，并可通過計算機(jī)工作站上的監(jiān)測控制軟件，調(diào)整閘門開啟度控制水庫出水量。

為保障監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，該工程對各級工作人員設(shè)置用戶名和密碼，只有輸入正確的用戶名和密碼才能進(jìn)行操作；非工作人員只能觀看數(shù)據(jù)，不能遠(yuǎn)程監(jiān)控閘門。

2.2 縣級中心站的閘門遠(yuǎn)程控制及視頻核實(shí)

水庫的主要出流為輸水隧洞工作閘門和溢洪道弧形閘門。水庫的閘門運(yùn)行根據(jù)下游用水量的情況反過來對閘門開度決定的出水實(shí)施控制。

水庫管理中心與縣級中心站之間建立了VPN遠(yuǎn)程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，在縣級中心站可實(shí)現(xiàn)與水庫分中心站一樣的閘門控制。上述過程依據(jù)水庫當(dāng)前出水量與下游用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對閘門實(shí)施遠(yuǎn)程的自動控制。同時，由于建立了樞紐區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，閘門的運(yùn)行情況還可通過設(shè)置于閘室的視頻攝像機(jī)進(jìn)行核實(shí)。視頻圖像可通過視頻系統(tǒng)的硬盤錄像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能及設(shè)置于縣級中心站的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控終端軟件獲取閘門運(yùn)行情況的圖像，并可操作攝像機(jī)的云臺和鏡頭，進(jìn)行準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程視頻核實(shí)。

2.3 閘門控制站的現(xiàn)場設(shè)備

閘門現(xiàn)場監(jiān)控站主要設(shè)備：

（1）現(xiàn)場PLC控制器。

PLC控制器：西門子S7-1200

現(xiàn)場操作液晶面板：西門子SIMATIC KTP600 HMI面板

（2）現(xiàn)場傳感器及其他主要設(shè)備。

閘門開度傳感器：CELESCO（4-20ma）

閘門限位開關(guān)：P+F

壓力變壓器品牌：昆侖海岸

電壓變送器：WB

電流變送器：WB

數(shù)字顯示表：XMG5000

總開關(guān)品牌：施耐德

斷路器品牌：施耐德

繼電器品牌：施耐德

3 閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件

閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件由PLC組態(tài)編程軟件和上位機(jī)界面軟件組成，并進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和控制軟件的編制。水庫管理中心站采用SIMATIC TIA PORTAL V13，其具有直觀、易學(xué)和易用的特點(diǎn)。在PORTAL組態(tài)編程軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)底層控制策略組態(tài)與數(shù)據(jù)通信后，上位軟件主要是在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，使用界面層的KINGVIEW組態(tài)編程軟件或其他通用編程工具編制的系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

（1）系統(tǒng)軟件選型。

本系統(tǒng)選擇Windows Server 2012網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件，滿足中文WEB服務(wù)要求，選擇SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件。

（2）應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件應(yīng)用軟件分如下幾部分：

1）數(shù)據(jù)采集、處理軟件；

2）控制軟件；

3）通用應(yīng)用軟件；

4）數(shù)據(jù)庫管理軟件；

5）Web服務(wù)器軟件；

通過應(yīng)用軟件的顯示和操作，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能。

4 系統(tǒng)功能及系統(tǒng)性能指標(biāo)

4.1 系統(tǒng)功能

本地操控：操作人員在控制柜前可以觀察到各種運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并在手動檔上對閘門實(shí)施本地操控。

遠(yuǎn)程操控：在控制中心，操作人員通過人機(jī)對話窗口，可設(shè)置閘門的開度。命令發(fā)出后，相應(yīng)的PLC控制啟閉機(jī)將閘門運(yùn)行到該位置然后停下。操作人員在工控機(jī)上也可看到各種運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

調(diào)度操控：在運(yùn)行洪水預(yù)報與水庫調(diào)度時，水庫調(diào)度提出閘門執(zhí)行方案，經(jīng)操作人員認(rèn)可后即可自動控制閘門的運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)操控：通過遠(yuǎn)程連接網(wǎng)絡(luò)，在縣中心站的計算機(jī)工作站上實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制。根據(jù)水庫出水量情況，通過計算機(jī)工作站上的監(jiān)測控制軟件，按照水庫出水預(yù)設(shè)策略，對閘門實(shí)施遠(yuǎn)程的自動控制。

監(jiān)控站一方面監(jiān)測閘門等機(jī)電設(shè)備的工況，控制機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行；另一方面，所采集的數(shù)據(jù)被傳送到中心，并按照中心發(fā)布的命令來操縱設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。而在水庫管理中心的服務(wù)器及工作站上，系統(tǒng)具有以下主要功能：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理功能；

（2）數(shù)據(jù)庫管理功能；

（3）人機(jī)接口界面功能；

（4）控制操作功能；

（5）制表打印功能；

（6）應(yīng)用管理功能；

（7）系統(tǒng)時鐘管理功能；

（8）系統(tǒng)自診斷功能；

在運(yùn)行洪水預(yù)報與水庫調(diào)度時，水庫調(diào)度提出閘門執(zhí)行方案，經(jīng)操作人員認(rèn)可后即可自動控制閘門的運(yùn)行。

各功能分述為：

（1）工況采集。

現(xiàn)場監(jiān)控站采集閘門等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)：采集機(jī)電設(shè)備工作電壓、工作電流、啟閉機(jī)油壓、閘門運(yùn)行狀態(tài)（上限位、下限位、上升、下降、停止）、閘門開度等參數(shù)。

（2）開度顯示。

通過傳感器測量閘門上升、下降開度，實(shí)現(xiàn)中心顯示。

（3）數(shù)據(jù)傳輸和共享。

現(xiàn)場監(jiān)控站根據(jù)命令將采集的數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)實(shí)時上傳到水庫管理機(jī)房的閘門監(jiān)控中心。與此同時，閘門監(jiān)控中心的控制命令將被傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控站，從而操控機(jī)電設(shè)備。

（4）報警信息。

現(xiàn)場監(jiān)控站采集和計算的各種數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，監(jiān)控中心顯示相應(yīng)的報警信息。同時顯示常見事故、故障處理一覽表，為管理操作人員排除事故、故障提供方便。

（5）控制功能。

在閘門控制柜上可以將機(jī)電設(shè)備的操作切換為自動方式或手動方式。采用自動方式工作時，閘門由監(jiān)控中心控制。

1）可單獨(dú)對閘門進(jìn)行啟門、閉門、停機(jī)控制；

2）可設(shè)置閘門上升、下降開度；

采用手動方式工作時，操作人員在閘室電氣控制柜上對閘門實(shí)行現(xiàn)場手動控制，監(jiān)控中心只能對閘門工況進(jìn)行監(jiān)測。

（6）建立設(shè)備檔案。

該系統(tǒng)可統(tǒng)計、記錄機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行次數(shù)和小時數(shù)，以及事故和故障等。

（7）人機(jī)界面。

將實(shí)時數(shù)據(jù)以圖形化的界面顯示，提供友好的人機(jī)界面，運(yùn)行管理人員能清晰方便的通過顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)或打印機(jī)等人機(jī)接口工具，實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、參數(shù)設(shè)定與修改、打印記錄等功能。

4.2 系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)

（1）環(huán)境。

由于系統(tǒng)的主要元器件選用的是質(zhì)量優(yōu)良性能穩(wěn)定的器件，因此整個系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下工作。

（2）系統(tǒng)實(shí)時性。

模擬量采集周期≤10ms；

開關(guān)量采集周期≤10ms；

控制命令響應(yīng)周期≤2ms。

（3）可靠性。

全系統(tǒng)：MTBF＞45000H；

監(jiān)控單元：MTBF＞45000H。

（4）可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)終端站采用的PLC為模塊化配置，可在現(xiàn)有的配置下擴(kuò)展開關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等模塊，具有良好的可擴(kuò)展性。

5 設(shè)備選型及主要技術(shù)指標(biāo)

5.1 系統(tǒng)PLC設(shè)備

系統(tǒng)PLC設(shè)備主要由PLC控制器和現(xiàn)場模塊組成，現(xiàn)場模塊分為I/O模塊、電源模塊、總線接口模塊等。設(shè)備造型采用西門子控制器系列的SIMATIC S7-1200，該裝置設(shè)計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集[3]。

5.2 傳感器及其它主要設(shè)備

（1）閘門開度傳感器。

該系統(tǒng)采用的是專用于啟閉機(jī)油缸內(nèi)的GEFRAN磁致伸縮傳感器，主要性能指標(biāo)如下：

線性誤差：≤0.05%F.S；

重復(fù)精度：≤0.000 5%F.S；

分辨率：≤0.001%；

遲滯：≤0.001%F.S；

溫度穩(wěn)定性：≤0.002%/°C；

工作電壓：+12VDC～+24VDC；

工作電流：≤16mA。

（2）壓力變送器。

壓力變送器選用國內(nèi)廣泛使用于工業(yè)現(xiàn)場壓力控制的工業(yè)級變送器。

（3）電量變送器

表3 壓力變送器技術(shù)參數(shù)

其用于測量電壓、電流。其主要技術(shù)指標(biāo)為：

測量范圍：0～450V；

測量精度：±0.2%滿量程；

長距離傳輸能力：4～20mA直流，750Ω；

具有雷擊波和突波的保護(hù)能力；

固定方式：符合DIN46277，可安裝于35mm道軌。

6 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

6.1 S7-1200光纖以太網(wǎng)通信

在本系統(tǒng)中，選用西門子公司的S7-1200PLC，它與監(jiān)控中心上位機(jī)采用以太網(wǎng)通信，傳輸介質(zhì)使用光纖。以太網(wǎng)通信與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通信速度更快，以太網(wǎng)通信速率達(dá)到100M，而傳統(tǒng)總線速率最快在10M左右；

（2）以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)更開放，PLC之間以及PLC與上位機(jī)之間更容易互聯(lián)交換信息；

（3）以太網(wǎng)十分成熟，應(yīng)用成本較低，也更易使用；

（4）本系統(tǒng)使用光纖作傳輸介質(zhì)，在水庫這樣的野外環(huán)境中，大大減少了雷擊的可能，極大地提高了設(shè)備通信距離，增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的可靠性。

6.2 閘門開度傳感器

近年來，液壓啟閉機(jī)閘門開度開始采用磁致伸縮傳感器來進(jìn)行測量，本系統(tǒng)中也使用了安裝于啟閉機(jī)油缸內(nèi)的磁致伸縮傳感器。其主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）與安裝于活塞缸上的拉繩位移傳感器等相比，由于安裝于油缸內(nèi)部，閘井內(nèi)的惡劣環(huán)境對其沒有影響，可靠性較高；

（2）采用非接觸測量，永不磨損，全封閉，使用壽命長；

（3）分辨率達(dá)到微米級，測量精度很高。

6.3 閘門的小開度啟閉

得益于S7-1200 PLC較強(qiáng)的控制性能和閘門開度傳感器的高精度，該系統(tǒng)閘門控制可以實(shí)現(xiàn)步長5mm的啟閉，解決了以往閘門的小開度啟閉困難，方便了水庫的運(yùn)行調(diào)度。

7 結(jié)論及建議

閘門的正確啟閉是水庫運(yùn)行管理工作中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，而閘門的啟閉控制則主要利用閘門啟閉機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在本水庫工程中，閘門采用了先進(jìn)的SIMATIC S7-1200控制裝置。其次，利用計算機(jī)技術(shù)對水庫的閘門運(yùn)行情況進(jìn)行了遠(yuǎn)程的自動監(jiān)視和控制。通過近兩年的運(yùn)行，閘門監(jiān)控系統(tǒng)操作靈活、維護(hù)方便，實(shí)現(xiàn)了水庫管理“現(xiàn)場測站無人值守、中心站少人值班”的控制模式，提高了水庫的運(yùn)行管理能力。