水閘自動化監控系統的組成及關鍵設計

宋春杰 王輝

摘 要:利用先進的計算機網絡技術及自動控制技術、通信技術和傳感器技術建立水閘監控系統,對實現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控系統的發展概況,指出了實施水閘自動化監控的必要性,并分析了系統的組成,最后探討了水閘自動化監控的關鍵設計。

關鍵詞:水閘自動化 監控系統 關鍵設計

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

水閘自動化監控系統的實施不僅有利于對閘門、泵站等工程準確、可靠地進行監測和控制,繼而將水情、閘門工況和運行狀態等信息共享,建立實時和歷史數據庫供流域機構及有關部門監督和分析統計而且能夠對防治水害、加強水資源統一管理、降低運行成本、保障水利持續發展具有十分深遠的意義。因此,論文結合上海奉賢區水閘的自動化監控管理為例探討這一領域的研究現狀及關鍵技術。

1水閘監控系統的發展概況

現有的水閘監控系統一般采取分布式控制系統(DCS)結構,在一定程度上提高了系統的自動化程度和設備的可靠性,但是由于水閘所處的工作環境普遍比較惡劣,其液壓系統、傳感設備裝置等元器件老化較快,經常出現誤動、拒動現象,信息一般沒有數字化,更沒有進行存儲,因此,集控系統平臺上缺乏設備及系統健康狀態信息,從設備的檢修維護方面看,現有的水閘監控系統基本上還是采取事后維修,或者定期檢修這樣較為傳統的檢修維護策略,而在技術管理領域基本上還處于空白階段,沒有進行系統的設計、規劃、實施,因此,將控制、維護和技術管理集成系統應用于水利自動化系統,形成水利樞紐集成自動化系統,可以在很大程度上提高系統的可靠性和穩定性,保證控制命令的正確執行。為了提高水利工程效益和管理水平,精簡管理人員,適應現代化水利的要求,必須利用先進的計算機技術、通信網絡技術及自動化監控技術形成水利閘門控制、維護和技術管理綜合集成自動化系統。通過對水利樞紐閘門系統的運行狀態和健康狀態實施實時監控,可以提高調度運行響應速度和能力,實現在線優化調度,充分發揮水利樞紐工程信息在國民經濟建設和社會發展中的作用。

2水閘自動化監控系統的組成

上海奉賢區水閘自動化控制系統可按以下方案設置:區水閘管理所作為遠程控制的總站（區防汛辦可作為總監視站）,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、千步涇水閘、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座水閘作為下設的12個站,每個分站可設中央控制室、中央控制室下又可設幾個現場工作站。若小型節制閘可只設現場工作站,不設中央控制室。水閘管理調度自動化系統是先進的各種實時數據采集和監控系統,它是利用遙測遙控技術,各種媒體數據通訊技術、計算機技術和專業的系統軟件編程來實現對水閘運行的監視和控制,能自動采集系統內各項參數,同時根據實時閘門運行狀況和水情變化,按照水利工程調度運行方案,實時做出調度方案,并監控閘門予以執行,實行水閘調度與監控自動化。各分站的閘門監控管理自動化系統由二大部分組成:計算機監控系統和圖像監控系統。

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統又分為二部分:（1）中央控制室。通過網絡接口和網絡線由現場工作站的可編程序控制器PLC傳輸實時顯示各種參數變化情況和設備運行狀態。（2）現場工作站,由可編程序控制器和上位計算機及現場檢測儀表以及機械設備故障報警器等組成。①可編程序控制器PLC主要負責現場閘門運行參數的采集和設備的控制。如電流、電壓、閘前后的水位和閘門狀態以及設備完好情況的檢測和閘門開、關的控制等。②PLC上位計算機通過RS232或RS485串行口與PLC進行通信收集PLC最新采集的數據,包括電壓、電流,閘前后的水位和油壓,閘門開關狀態以及設備完好情況等,并把以上的這些數據顯示在計算機監示器上供工作人員控制時參考和決策。③機械設備故障報警。可以分鋼絲繩松懈報警、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 圖像監控系統

為了監視閘群內外的現場狀況,便于及時掌握了解水閘閘室內外船只情況和閘門運行時的運行軌跡以及水閘區域內的各種實時情況,完成對閘區的覆蓋式監控。各分站的圖像監控系統由攝像機、監視器、視頻切換器、漢字字符發生器、數字硬盤機、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備（控制機和視頻切換器組成）、記錄設備（由一臺數字硬盤錄像機來完成,具體位數根據實際所需來布置）和顯示設備（具體彩色監視器根據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視器圖像監控系統,主控制器圖像的視頻信號通過漢字字符發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字硬盤錄像機。硬盤錄像機根據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。通過網卡,可在網上傳輸圖像。

3水閘自動化監控系統關鍵設計

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監控系統和圖像監控系統根據各閘以往積累的實際經驗來編制運行控制程序所有運行參數,開關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檢測閘室內外水位、機電設備完好狀況,PLC不斷檢測各種即將運行的設備完好情況,等關閘條件具備時PLC再次檢察閘門內外的水位,提前數分鐘用語音音響等設備告訴閘室內外的船員“水閘馬上要關閘,請船員注意安全”連續發3～5次,并在工作室或中控室同步發出聲音,提示崗位操作人員在圖像監控系統的畫面上觀察河面上船只過閘情況,同時PLC進一步檢測設備完好狀況,供電正常,PLC啟動程序開始關閘,關閘時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,直到關到底時發出關足信號,PLC立即停止起閉機工作,關閉過程結束。如果在關閘過程中,攝像機檢測到閘前發現船只,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,待船只避開危險區后關閘進一步進行。開閘時,PLC根據經驗值設定的允許范圍開閘。（內外水位允許值內可一次開閘到位,內外水位差超過允許值時,根據設定值分幾次提升,提升次數與水位差成正比,水位差越大,提升次數越多。(2）點動方式是現場操作人員手動控制,即用鼠標在計算機正面圖形上點控,完成開關閘的人工控制。

二是節制閘智能全自動控制的實施。控制按設定日期（陰歷）和設定內河水位參數控制值進行自動引排水。即根據每月的引排表水日期表,自動根據閘外水位,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,當內河水位低于參數值時,自動引水,高于參數值時自動排水。開啟閘門時,由PLC檢測當前設備完好情況,再檢查供電電源,由圖像監控系統檢查河面上船只情況和有無大的漂浮物,發現問題及時報警進行緊急處理關小或關閉閘門等事件處理后再開閘引水或排澇。節制閘門開啟高度的控制值由流量、流速儀器根據設定參數通過PLC自動控制閘門開啟高度值,優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,便于在調試或維修時操作。

3.2 信息收集與傳輸

系統信息的收集是由可編程序控制器PLC負責現場閘門運行參數的采集。即PLC通過模擬量和開關量輸入模塊與水位變送器,電流電壓變送器以及閘門開關狀態和機械設備完好情況等信號進行聯接,不斷采集這些信號,并存入內存數據庫,PLC通過RS232或RS485通信接口上位計算機進行聯接,通過以太網通信口與中控室主機的通信口進行聯接,接受上位計算機數據采集的命令,并把PLC最新采集的數據發送給上位機,PLC接收上位機的命令,通過開關量輸出模塊來控制閘門的開關動作。

3.3 遠程控制的實施

目前各分站可采用寬帶網的通訊方式進行聯絡,各分站把收集的各種數據信息通過寬帶網傳輸到總站區水閘管理所的中央控制室,這樣總站既能監控到各分站所在水閘的調度運行情況,又能傳輸入命令直接調度運行,區防汛辦可進行實時監控。

3.4 系統保護措施研究

（1）防雷保護。本系統采取了以下防雷保護措施:環境防雷:配設避雷針、避雷帶以及地網系統,防止直擊雷的破壞;動力電源防雷:在電源總入口處的三相動力線上,安裝大電流“電源防浪涌保護器”,防止直擊雷或感應雷經動力電源線串入監控系統;數據網絡防雷:在數據線接口處加裝“數據網絡避雷器”,裸露于室外的設備外殼加屏蔽罩并可靠接地。

（2）接地保護。控制系統接地防干擾。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生的感應電壓。閘門控制系統接地應遵守的原則是: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計并生產出可靠性高、性價比好的閘門監控系統。本文根據上海奉賢區水閘自動化控制系統的現狀,制定了的閘門監控系統控制方案,重點探討了其關鍵設計,希望對業內人士提供理論依據。

參考文獻

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