民生渠首工程自動化監測及控制系統

晏峻峰

（喀什地區水利水電勘測設計院，新疆喀什 844000）

1 概述

民生渠首是葉爾羌河流域重要的控制性樞紐工程，是實現引、排目標的重要控制建筑物。該工程具有規模大、重要設施繁多、管理涉及面廣等特點。民生渠首工程共設閘門14孔，其中，泄洪閘門10孔，每孔凈寬10 m，進水閘門共4孔，每孔凈寬5 m。閘門型式均為平板鋼閘門。閘室上布置有工作橋、啟閉機閘房、交通橋和檢修橋。

2 監控系統功能設計

根據該渠首的性質和作用，本設計系統具有以下功能：

1）數據采集：渠首閘門上、下游水位實時采集;閘門具備監控和常規數據處理功能。

2）閘門啟閉機電機正、反轉和停機控制。

3）系統具備故障自檢功能和水位及閘門超限告警功能。

4）系統具有防雷避雷措施以及系統設備具備一定的抗外部干擾能力。

5）對14孔閘門拉桿和啟閉機工作現場進行監視。

6）渠首上、下游1 km范圍內實現遠方遙控監視。

3 監控系統方案設計

民生渠首閘門監測控制系統中心控制室緊靠進水閘閘房。控制中心完成系統數據采集、處理，集中監視，統一控制調度功能。內設大調度屏，模擬顯示系統工程的布局和監視點的工況及實時數據，增加系統調控運行的直觀性。

3.1 渠首閘門上、下游水位、流量實時采集

本方案將閘上、下游實時采集設計為獨立子系統;采用連續工作方式。在渠首閘門上、下游100～200 m范圍內分別安裝兩臺WSH型氣介式超聲遙測水位計，并在3處進水閘渠道200～300 m范圍內分別安裝1臺LBX-7型渾水流量計。該數據用485通信方式（最大傳輸距離1 200 m）送系統控制中心水位、流量監測前置機。系統控制中心顯示屏實時反映上、下游水位和水位差數據及進水閘流量情況。

3.2 閘門監控子系統

采用1臺工業控制計算機加4個現場PLC（可編程控制器）控制單元組成。4個現場PLC控制單元分設在進水閘及泄洪閘閘室內。分別對4孔進水閘門，10孔泄洪閘門進行測量和控制。監測采集的量包括：閘門開度、監控反饋信號、電壓監視。

3.3 工業監視

每孔閘門的閘室內裝設1臺定焦彩色攝像機，監視閘門拉桿和啟閉機的工作。另在閘房上層建4個了望臺，分別安裝1臺全方位遙控變焦彩色攝像機，用以監視閘上、下游1 000 m范圍及閘區內的情況。配備集彩色攝像、全方位云臺、防塵防潮保護罩為一體的可變焦一體化彩色攝像機。通過如上的設備配置，控制室監控中心就能夠通過監視器有效的對閘站、及周邊地區進行有效的實時監視，了解閘站及周邊地區監視范圍內動態情況，真正實現集中監控和管理。

所有的視頻信號通過國產優質同軸電纜傳輸至控制中心室。在控制中心室設置：

1）2臺8畫面分割器。每臺畫面分割器可同時監視8畫面，也可選單幅畫面放大顯示。用于顯示來自前端14路監控點圖像的畫面，實現14孔閘門現場監視畫面一同實時顯示。

2）配置一臺視頻矩陣切換系統。主要用于視頻圖像的切換和管理。

3）1臺長延時錄象機即能夠對重要的情景進行自動錄像。使重要的場景能夠進行回放，便于瀏覽和觀看。

4）1臺網絡交換機使所有與該機連接的計算機均能互相顯示，以使整個系統易于管理和控制。

5）數據庫服務器;圖像控制主機;水位、流量監測前置機;閘門、水情工作站;閘門控制前置機。主要用于對控制信號和視頻信號進行顯示、管理和控制等，同時內插RS-485卡，使相關的具有RS-485接口的設備都能夠連接同一條總線上運行，專門用于圖像處理。每臺機均內置網卡，使任意1臺計算機所顯示、控制及管理的信息，在其它計算機上都能顯示，以便控制和管理。

6）圖像處理卡。內插在圖像控制主機內，進行視頻信號的處理，既能夠視頻壓縮，又能夠解壓縮，同時也能夠將壓縮的視頻信號通過WAN/LAN、ISDN、DDN電話線等方式進行傳輸。

7）大屏幕。主要用來顯示渠首上下游水情數據、閘門監控的數據和由攝像頭傳回的閘門開閉的圖像。

8）監視器。專門用來顯示攝像頭傳回的閘門開閉的圖像。

9）不間斷電源。在停電情況下仍能給比較重要的設備供電。

10）控制臺。根據中心設備尺寸和形狀定制1臺控制臺，將監控中心的所有相關設備都安裝在控制臺里且顏色與所有設備搭配協調，這樣監控中心就顯得整潔、美觀以及具有較高的實用性和較高的可維護性等特點。

4 系統傳輸

本體統中心站與4個現場監控單元的通信距離在300 m以上，最大通信距離為700 m。而現場施工條件不具備，本系統用485通信方式。每個MODICON TSX COMPACT控制器通過RS-232/485轉換器進行數據指令傳輸。

系統的傳輸分布于各個攝像點、報警點和監控中心之間，主要完成視頻信號、控制信號的傳送。

5 系統可靠性設計

5.1 本系統的設備平均無故障工作時間

中心站控制機MTBF＞20 000 h;

現場控制設備MTBF＞40 000 h;

視頻監視設備MTBF＞20 000 h。

5.2 可靠性設計

為使系統的可靠性達到設計要求，在系統設計、設備選型、安裝、使用維護等方面采取了很多措施。本系統設備絕大多數使用工業級產品。系統主要設備設有備份，發生故障時其修復時間都不會超過2 h。

5.3 防雷安全措施

中心站電源上設置電源避雷器，其接地端與避雷地網良好連接。電源設備具有很強的抗干擾能力。

5.4 除控制軟件保障措施外，在閘門運行執行機構中設置完善的閘門繼保措施

1）電動機起動裝置上安裝過流繼電器、過壓繼電器、過熱繼電器。

2）閘門安裝上限行程開關，防止閘門越位造成損壞。

5.5 應急突發事件

為了處置突發事件，在控制中心設置人動急停按鈕，可緊急切斷閘門的工作電源，防止故障的擴大。

6 軟件可靠性設計

6.1 軟件可靠性設計

軟件分為中心站監控軟件和PLC控制軟件，PLC控制軟件用梯形邏輯圖編寫，可根據實際情況進行多種連鎖，當出現控制閘門不同步、卡滯、自動下落、越速等故障時，均能發出故障告警并立即停機。中心站監控軟件當發出閘門啟閉命令時，PLC采用多數表決法和數據的合理性判決數據的正確性，并返回中心站得到認可后方可進行閘門的啟閉操作。

閘位計的采樣采用數字濾波的方式以消除編碼器的誤碼。

系統的操作方式多樣，以保證系統的可靠運行。系統具有兩種運行方式—手動及自動。操作既可在中心站監控站操作，也可在現場手動操作，當在檢修或意外情況下，就可在現場手動操作。

由于控制軟件采用可編程序控制器提供的專用梯形邏輯圖編寫，監控軟件用專用組態軟件編程，使軟件只可能出現容易發現的邏輯錯誤，不會出現不宜發現的編程錯誤。由于系統軟件用的是專用工具軟件編程，不但軟件的開發周期大大縮短，而且工具軟件各種的可靠性措施能有效地防止由于程序飛掉而造成的死機現象的出現，大大地提高了系統軟件的可靠性。

人機界面中文化。人機聯系原則，是充分利用了具有被控對象的顯示畫面、鍵盤、鼠標及畫面對話區提示三者相結合的方式。操作過程有必要的可靠校核及閉鎖，對不同的操作管理人員提供不同的安全操作等級和權限。

具有軟件、硬件的監控定時器（看門狗）功能。

現場監控單元的控制軟件用組態軟件編寫。現場監控軟件按人工指令與自動判斷互校的方法設計。電機正反轉控制互鎖。上電、斷電和電機正反轉切換均設延時保護;在整個控制過程中對閘門卡滯的監視始終跟隨，一旦故障發生就自動停機。

6.2 人機對話

調水人員通過主控計算機的各類畫面，監視設備的運行狀態，用鼠標或鍵盤下達控制操作命令，完成閘門監控任務。畫面顯示清晰，調用速度快。

6.3 系統的可擴性

系統的配制上充分考慮今后的站點擴充、功能增加，便于今后與渠首內其他自動化聯網，實現數據共享。

軟件設計上充分考慮各類記錄報表、顯示畫面的增減。

6.4 現地監控單元

1）接收上位機調度運行命令，發送現場采集的各類設備運行實時參數與狀態信號。

2）根據上位機指令可進行14孔閘門中幾孔閘門的群控和單孔閘門控制功能。

6.5 工業監視

本視頻監控系統中的應用軟件主要用于對系統中的所有監控點攝像機的三可變鏡頭、云臺、8畫面分割器、長延時錄像機等設備狀態實施檢測和控制。中文顯示，為用戶提供了一個方便、友好的操作界面。系統操作和控制主界面就會出現各種圖像操作和控制信息，操作用戶即可根據自己被設定的權限對圖像進行各種操作，包括圖像可根據系統預定的時間在設置好的顯示終端設備上顯示并能進行自動切換，顯示不同監控點的圖像，同時計算機可對監控點三可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈，全方位云臺的上、下、左、右進行遠距離控制和操作，且每個全方位攝像點的攝像機可以設定為自動掃描方式，即攝像機通過全方位云臺進行上下左右來回掃描，及時掌握各監控點區域范圍內的運行情況、圖像記錄、檢索和處理、多畫面分割、圖像存儲與回放等多功能。

7 結束語

閘門控制監測控制系統綜合應用傳感器技術、通信技術、計算機技術及控制技術，要求系統設備的管理人員應具有一定的專業技術知識。因此建設方為系統管理最少配備以下專業人員：電子專業1名，計算機專業1名，維護操作人員1名。并對系統管理人員進行必要的培訓，使他們了解系統的基本原理、設備使用方法和必要的維護技能。系統運行中還須建立科學管理的規章制度。這些措施對保證系統可靠運行是不可缺少的。

[1]王東，潘洪健.節水灌溉自動監控系統在江東灌區的建設及應用[J]. 黑龍江水利科技，2005，33（6）：131.