北引擴建工程烏北0～11 km自動化設計方案

王越宇，葛 新

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316)

1 北引自動化系統工程現狀

北部引嫩工程供水自動監測控制系統經過近10 a的運行，設備老化嚴重，部分設備已經無法運行?？紤]到遙測傳感器的使用壽命，本次設計所有遙測傳感器全部重新配置。原有的遙測站與分中心采用超短波(VHF)通信方式，由于帶寬限制無法在其基礎上進行現代水利信息化改造，通信方式需重新設計，采用光纖通信方案［1］。

2 建設目標

建設目標包括5個方面:

1)建設糖廠壓力涵監控站。

2)實現糖廠壓力涵監控站的視頻監視。

3)建設0～11 km光纖通信網。

4)建設糖廠壓力涵輸電線路。

5)建設渠首站大屏幕系統。

3 建設內容

建設內容包括閘站監控系統、視頻監視系統、通信系統、糖廠壓力涵輸電線路和渠首大屏幕系統。

3.1 閘站監控系統

1)通過網絡及PLC控制技術實現對工程范圍內2孔閘門的遠程監控。

2)實時采集2處重要水位觀測點數據。

3.2 視頻監控系統

視頻監控系統采用先進的第三代視頻安防監控技術，將工程監測及安全監測統一設置，利用光纜線路進行數據傳輸，工程共布置視頻監測1點、報警探測器1點、硬盤錄像機1個。視頻信息采用分散存儲策略，存儲于總控中心、分控中心的硬盤陣列內，存儲時間＞180 d。

3.3 通信系統

1)設置26部IP電話，滿足工程范圍內管理站的調度及行政電話需求。

2)光纜線路，通信光纜全部采用48芯單模鎧裝直埋式光纜，光纖型號為G.652。室外光纜敷設的方式為沿渠道的一側直埋敷設。

3.4 糖廠壓力涵輸電線路系統

糖廠壓力涵從五星管理站的引嫩專用10 kV輸電線路T接點至閘上電動機起動開關柜內，總開關進線端為綜合自動化系統設備(閘站自動化、視頻、通信等)用電設施提供電源。

3.5 渠首站大屏幕系統

設計采用4塊獨立的55寸液晶拼接單元拼接而成，組合方式為2×2(行 列)。為運行人員提供所有監控、監測項目的集中顯示、集中控制、調度的環境。

4 設計方案

4.1 閘站監控系統

常用的水位自動測量設備主要有電子水尺、浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、雷達水位計等。在干渠末端、跌水建筑物、較小渠道以及倒虹吸等處設置雷達式水位計，閘站監控系統示意圖見圖1。

圖1 閘站監控系統示意圖

4.1.1 閘站控制節點

為達到對閘位站自動監控的功能，布設1處2孔閘門的閘門控制點。監測項目包括:閘門啟閉狀態、閘門開度、電流、電壓、溫濕度、限位保護、荷重保護、相序故障等。

4.1.2 系統構成

閘站監控系統采用分層設計，主要有現地控制層(包括:底層、現地智能控制單元)、主控制級層(總控中心)、輔助控制層(分控中心、控制所)組成。底層設備為閘門控制箱、繼電器、閘位計、限位開關、荷重保護器等電氣元件，布置于各個閘站閘室內或閘門啟閉平臺上。根據設計原則，底層設備可以實現手動控制閘門的操作。現地智能控制單元的核心部件為可編程序邏輯控制器(PLC)，對所管轄的閘門、傳感器等設備運行過程進行測量、控制和保護。

4.1.3 系統功能

閘站監控站功能要求如下:

1)實現實時監視功能，即自動采集閘門開啟高度、閘門上下水位和閘門運行狀態，通過遠程數據通信網發送到控制中心。

2)實現現地控制操作及控制功能，即現場閘門測控站操作員能夠通過閘門操作集中控制臺上相應按鈕或開關，直接通過閘門電氣箱控制閘門啟閉機運行，并通過人工觀測或通過經現場控制單元采集并顯示的信息，控制閘門到達所需位置。具有閘門現地控制、遠程監控功能。

3)實現數據查詢功能，即根據時間、閘門號、操作員等查詢歷史操作，根據時間、故障內容等查詢故障情況，根據時間、閘門號查詢該門歷史開度、上下游水位。

4)實現報警和緊急處理功能，即在閘門運行過程中通過現場控制單元實時監測設備運行狀態，一旦系統發生故障，立即報警并能夠及時處理。

4.1.4 設備配置

閘站現地控制單元(LCU)由可編程控制器PLC、觸摸屏等組成，完成狀態監視、數據采集(閘門開度、閘上閘下水位、流量等)、故障報警、遠方控制操作等工作。每個閘門啟閉機配置1個現地控制箱，主要由進線斷路器、交流接觸器、熱繼電器、多功能電量表、防雷保護器、按鈕、指示燈等組成，完成閘門的現地手動操作。

監控站現地設置PLC控制柜1個，內置可編程控制器(CPU冗余)、光端機、避雷器、電源、蓄電池、繼電器等元件。PLC控制柜布置于閘門控制室或閘站附近的管理站房內。PLC的CPU模塊冗余配置，熱備用。PLC通信模塊配置雙網卡，分別與對應的分控中心閘控交換機(主)和控制所閘控交換機(備)連接，可以實現在主通信通道故障時自動切換到備用通道上。

4.1.4.1 可編程控制器PLC

系統配置1套可編程控制器，布置于涵洞啟閉機室、并設置1處PLC遠程接口設置于中心站，完成各個閘門的數據采集及設備的控制與調節。

PLC需配置網絡遠程通訊模塊，并配備觸摸屏進行顯示、控制。

本系統采用CPU單機可編程控制器模塊，具體I/O數量配置如下:

涵洞出口PLC遠程I/O

開關量輸入DI96點 配置 128點開關量輸出DO 4點 配置 8點

4.1.4.2 液晶觸摸屏

PLC控制柜配置1臺彩色液晶觸摸屏作為人機界面。PLC通過液晶觸摸屏與控制主機等通過串行通信進行數據交換。在液晶觸摸屏上可以完成閘門的各種控制和調節，并顯示開度、流量、水位等信息。

液晶觸摸屏采用進口的高清晰15液晶顯示器，運行人員可以方便地在觸摸屏上輕按功能鍵，完成設備的各種控制操作以及相關數據的顯示，監視閘門的運行狀態。它應具有高亮度彩色LCD，分辨率高，結構緊湊，安裝方便，適合現場環境。

4.1.4.3 電源裝置

每個PLC控制柜內配置1套所選PLC所需的供電電源裝置，安裝在PLC控制柜上。

4.1.4.4 箱體

注:壓力涵洞PLC控制柜——機柜同時作為壓力涵洞樞紐—中心站光纖數據通道的終端設備，安裝一臺交換機。

主要性能指標:

配備電源220 V-240 V，50 Hz

工作溫度-5℃～+40℃

相對濕度≤85%+30℃時，

大氣壓力70～106 kPa

柜體尺寸800×600×2 200

4.1.4.5 防雷裝置

PLC控制柜內除安裝可編程控制器(PLC)及電源裝置外，屏內還裝有一套防雷裝置(電源防雷、室外信號線防雷、室外儀表引入防雷等)。

4.1.4.6 中間繼電器

型式為小型電磁繼電器，額定參數為:

1)額定工作電壓 DC:28 V

2)吸動電壓:DC:≤75%

3)釋放電壓:DC:≥10%

4)功耗:DC:≤0.9 W

5)觸電最大容量:5 A 250 VAC

6)電壽命:105

7)機械壽命:107

8)介質耐壓:≥1 200 V

9)絕緣電阻:≥100 MΩ，

10)溫度范圍:-25℃ ～ +55℃

11)裝置方式:PC板端子、插座式。

12)PLC控制柜配置12只，其中2只備用。

13)PLC遠程I/O配置8只，其中1只備用。

4.1.4.7 控制切換開關

控制切換開關為:PLC遠程I/O配置1只。

4.1.4.8 壓力涵洞出口PLC遠程接口箱技術要求

外形尺寸:高1 600 mm寬600 mm，深500 mm

安裝方式:底座式

箱體采用1.5～2.0 mm鋼板或敷鋁鋅板制作，并具有加熱及保溫裝置。

箱體表面采用靜電噴涂或烤漆處理。

閘站現地控制單元(閘門監控站)組成結構示意圖見圖2。

圖2 閘站現地控制單元(閘門監控站)組成結構示意圖

4.2 視頻監控系統

4.2.1 系統簡述

視頻監視系統主要監視閘門啟閉過程、水流狀況、渠道水位變化、閘站周圍環境以及配電自動化設施安全狀況等，適時錄像、報警。

本視頻監視系統是采用最新的數字視頻技術、現場總線技術、網絡通信技術建立的一套軟硬件相結合、完整的第三代視頻安防監控系統，與二代監控系統相比提高了整體性能和反應速度，并能向用戶提供全面的增值服務。視頻監控原理圖見圖3。

圖3 視頻監控原理圖

4.2.2 現地閘站

在現地閘站處根據需要設置攝像機及網絡硬盤錄像機，監視閘門啟閉過程、水流狀況、渠道水位變化、閘站周圍環境以及配電自動化設施安全狀況等，適時錄像、報警。

4.2.3 管理站

配置有網絡硬盤錄像機、視頻監視器，實現對管理區域內的實時監控。

4.2.4 需求分析

根據工程特性及管理要求，在北引干渠基本實現樞紐工程少人執守、閘站無人值守以及對工程管理設施的安全監控，系統應具備以下功能:

1)設備間安全防衛工作，門禁觸發報警、錄像。2)閘門自控站視頻監控、錄像、報警。

3)工程設施的防范，實時監視閘門、倒虹吸等工程設施的工作狀況并錄像。

4)渠道的實時監視。

5)遠端控制中心與閘站現場的語音通訊，遇到情況時能夠做到遠距離的指揮工作。

6)視頻信息要求保存180 d，并具備多種檢索、播放條件。

4.2.5 系統構成

系統根據組網方式可分為監控前端、通訊網絡、視頻工作站(控制所、管理站)3個主要部分。

1)監控前端。攝像機、報警傳感器、網絡硬盤錄像機及監控點其它配套設備為該系統的監控前端。

2)通訊網絡。基于光纖網絡的圖像傳輸方式，給用戶提供高速穩定的網絡系統，并方便有效的把各個監控點集合起來。

3)視頻工作站。

4.2.6 視頻監視系統設備配置

視頻監控系統主要包括攝像頭、網絡硬盤錄像機、存儲轉發服務器、管理服務器、顯示器、視頻光端機等，見表1。

表1 視頻監視系統設備配置表

5 通信系統設計

通信系統的服務具體對象主要有視頻監視系統、閘門監控系統以及為管理機構和各閘站提供的行政電話業務及語音調度服務。

5.1 通信方式選擇

鑒于本工程業務網絡對傳輸帶寬需求較大，因此本工程通信傳輸系統優先采用光纖通信方式組網。

5.2 調度及行政電話系統

日常工作電話、對外電話等。在企業內網的基礎上，采用可以在IP網絡上免費傳送語音、傳真、視頻和數據等業務的VoIP技術，實現網內免費通話。本設計在渠首分控中心站設置1臺32口語音網關和25部IP電話、在糖廠壓力涵設置1臺8口語音網關和1部IP電話。

5.3 通信電路建設

光纖是光信號的物理傳輸媒質，其特性直接影響光纖傳輸系統的帶寬和傳輸距離，目前已開發出不同特性的光纖以適應不同的應用。多模光纖傳輸距離近，單模光纖傳輸距離遠。根據本工程傳輸距離遠的實際情況，選用單模光纖。通信光纜全部采用單模鎧裝直埋式光纜，以滿足規范對防雷的要求。光纖型號為G.652，光纜芯數為48芯。

5.4 光纖通道建設

本工程中信息點均沿渠道成直線型分布，建設光纜數量1條，沿渠道一側直埋敷設，埋深1.2 m。光纜依次連接各個站點，光纜成端均采用全成端方式。

5.5 通信電源配置

工程所有通信設備全部采用DC—48 V電源供電。1個通信站點設置1套通信用高頻開關電源和1個蓄電池組，通信用高頻開關電源容量DC48 V/75 A，蓄電池組容量為DC48 V/100 Ah。通信用高頻開關電源系統由交流配電單元、直流配電單元、整流模塊及監控模塊組成。具有雙路交流輸入，能自動切換，平時經整流模塊整流后給直流通信設備供電，同時對蓄電池組浮充電，當交流電源消失后，由蓄電池組直接給直流通信設備供電。

6 糖廠壓力涵輸電線路系統

6.1 系統設計

糖廠壓力涵配電工程設計內容包括箱式變電站型號選擇，線路設計，配電柜設計，接地、防雷等?？側萘縔—113M—2.2—6電動機2臺，電動機額定電流5.6 A;綜合自動化系統設備5 kW，總容量;A=(5.6×2)+5.6+10=26.8 A

根據總容量查表，不超過供電半徑不計電壓損失，根據規范總電流的1.5倍即26.8×1.5=40.2 A選擇導線為VV22-3×10 mm2+1×6 mm2其1 kV以下4芯土壤溫度300C直埋電纜安全在流量為52 A。

高壓電纜選擇為YJV22—10直埋。根據總容量和閘門所在位置的特殊環境和今后的管理選擇變壓器為WBM-12/30箱式變電站及其附屬設備。

閘上總開關箱為4個回路戶外式配電箱，箱內設備選擇總開關為NM1LE-100 A，閘門啟閉回路NM1—60 A，綜合自動化回路DZ47—40 A，備用回路NM1—60 A。DZ47—D25/3P浪涌保護器1只。

6.2 導線選擇及敷設方式

10 kV終端桿至主變壓器及箱式變電站之間接線采用vjv22—10高壓電纜直埋敷設電纜下桿及進入箱式變電站部分穿鋼管保護。

變壓器及箱式變電站引至閘門各用電設備以及管理站房、自動化站房的低壓電纜采用VV22—3×10 mm2+1×6 mm2直埋敷設在電纜上閘門和橫穿干渠道路段采用穿鋼管保護。

6.3 箱式變電站布置

箱式變電站布置在干渠道路背水側，采用漿砌石基礎。

6.4 接地保護

箱式變電站的基礎周圍埋入人工接地體，其接地電阻值≤4 Ω。變電站內所有電氣設備均按規程要求做接地保護。

［1］引嫩工程建設管理局.黑龍江省引嫩擴建工程綜合自動化系統建設需求［R］.大慶:引嫩工程建設管理局，2011.