閘門遠程自動化監控系統的設計探討

林昭生

摘 要：閘門遠程自動化監控系統是水利工程的重要組成部分，也是確保水庫安全運行的基礎。結合工作經驗，重點圍繞系統結構、系統硬件和系統軟件等方面探討閘門遠程自動化監控系統的設計工作，以供實踐參考。

關鍵詞：閘門；遠程監控；系統結構；硬件設施

中圖分類號：TV664；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0008-02

閘門遠程自動化監控系統具有功能完整、監測精度高、維護方便、設備簡單和性能優越等特點，它改變了傳統的單一、集中的監控方式，操作人員只需要通過視頻實時監控就能準確掌握現場的水位情況，極大地方便了閘門的日常控制和管理工作。本文從閘門遠程自動化監控系統的各個環節進行深入分析，希望進一步提高該系統的可靠性。

1 系統結構

閘門遠程控制主要采用PLC集中控制，其主要功能是控制閘門啟閉和采集相關的水文信息，以管理單位共同組成的分布式結構的工作方式建立以太網或總線的監控終端，其監控結構如圖1所示。

從圖1中可以看出，現地控制單元作為最直接的操作控制者，需要采用降級操作。需要保留原有手動操作的是改造項目，

閘門的設計需要結合手動操控，并且針對電氣互鎖要進行相關的手動或自動操作設計。

2 系統硬件設計的可靠性分析

2.1 供電線路

對于整個控制系統而言，提供安全、穩定的供電線路是整個系統正常運行的基礎，由于雷擊可能對控制系統造成致命的損傷，所以在對控制系統進行設計時，要對感應雷予以重視，建立接地系統，安裝防雷裝置，對能進行人工控制的供電系統要進行人工控制，對室外水文數據的通信、采集線路采取保護，而且需要根據實際情況進行多級保護。

為了能夠提高供電線路的穩定性，提高電源質量變成了重點項目。在閘門現場的供電中，由于大功率電機工作時會造成電壓波動，導致供電不穩定，而且在系統控制中，常有PLC監控直接引用電機電源，或者直接在PLC監控中添加開關進行電源控制的情況，這樣會對電網設備用電產生一定影響，并且不能對PLC監控單位的用電起到保障作用。因此，為了能使PLC監控系統的用電與其他用電設備進行用電分離，所以要針對PLC監控運行的具體情況添加穩壓濾波裝置，為其提供不間斷的電源。

2.2 現場環境

現場控制柜的工作環境主要包括機械的運行、溫度與濕度、布線等情況。但對不同的設備有不同的要求，對中低壓設備和弱電裝置要有一定的防護要求，尤其是對設備的溫度要有極高

的要求。同時，在閘門的工作環境中，需要針對濕度、溫度和季節變化等因素做好防潮、防高溫、防低溫等措施。

對閘門元件進行安裝時，必須要符合閘門設備的安裝要求，還要注意安裝過程中低壓器控制柜元件的安裝要求和操作規范，要注意中低壓器件、感性元件的消弧、信號線與功率線的隔離、屏蔽以及柜體接地等安裝要求。同時，在閘門的現場控制中要采取樓板結構，將控制柜中的元件安裝牢固，避免出現因電機振動造成的機械干擾，還必須采取增加減振彈簧、鋪設橡膠墊腳等安全措施。控制柜的安全安裝能使設備維護、更換變得更有效率，且便于線路的標識、更改。

2.3 采集與控制

通過采用前端模擬采集方法對閘門進行監控，要針對閘門的動力狀況、電參數、閘門開合度、周邊環境和水位、流量等因素進行監控。然而，針對一般的閘門控制傳感器和水位、流量的情況，在采集數據時會產生影響。同時，在對傳感器的安裝位置選擇上除了要考慮防塵、防震、防腐蝕等環境適應能力外，還必須考慮測量精度、量程和輸出方式。在對設備進行精度和量度的測量時，還要與傳動變比裝置結合起來，其一般由軸承和變比齒輪組成，在安裝設計時要注意對正機械軸向，安裝彈性連軸器，并且結合彈簧的耐疲勞性，選擇彈簧的正常工作狀態，不斷加強傳感器的自收功能。

傳感器的輸送主要是通過電壓、電流和總線等方式傳輸。電壓型輸出的電壓一般在0～5 V，在進行電源的輸送過程中容易出現傳感器端變送電路的現象，且主要出現在距離電機較遠的傳感器，這樣信號會受到干擾，所以在傳感器的電流輸出時應采用4～20 mA或0～20 mA的電流模擬電量輸出。對于擁有多個閘門、傳感器，并且傳感器分布較遠的水庫，全部采用電壓或電流輸出的方式會造成布線繁雜的問題，換作用總線或遠程FO的傳輸方式為佳。

開關量主要采用按鈕進行啟閉操作，用于回路工作的控制和電源系統的防護。同時，在開關量中電流的輸入主要采取直流的輸入方式，并且采用統一的電源，使用外部電源時必須要安裝隔離繼電器。另外，為了防止部分系統觸點抖動，應替換部分機械類開關為非接觸式限位開關，而且為了增加保護作用，非接觸類開關不能直接進行人工控制回路。

閘門啟閉電機的輸出來源主要是開關量的輸出，并且控制回路的設計簡單、便捷，但在設計過程中要注意以下幾點：①在PLC輸出電器中可分為晶體管、可控硅、繼電器等3種，晶體管和可控硅主要用來進行直流和交流負載，但為了減少管理人員的維護難度，可選用繼電器的電器PLC輸出；②正反轉接觸器須互鎖，為了避免觸點粘連導致不能及時進行回路切斷，在控制整個回路時應采用兩級串聯接觸器；③接入控制回路必須要起到保護作用，對PLC發出的信號能起到反應和保護作用。

2.4 通信方式

監控系統中的通信方式是運程監控的關鍵，通信方式的選擇不僅會對系統的架構產生影響，還會對系統的穩定性產生影響，在通信方式的選擇上有3種比較典型的架構，分別是閘控現場、管理所工作站、遠程工作站。為了能夠避免雷電等外部因素干擾信號，在傳輸方式上主要采用有線輸送方式，閘控與管理所工作站可同時采用光纜作為傳輸介質的有線傳輸方式，可增強通信的可靠性。管理所工作站與遠程工作站通信方式有多種，例如無線專網、VPN等，偏僻地區可采用衛星通信。但在廣域的通信網絡中存在著眾多不穩定因素，為了避免因不穩定因素的干擾而出現網絡誤傳、漏傳、延遲等現象，在設計過程中要對軟件進行多方面的安全防護考慮。

3 可靠性系統軟件設計分析

系統軟件主要包括現地PLC與上位機程序，現地系統是實現系統監控的關鍵，要求PLC不僅有很好的監控能力，還可以對相關的數據進行處理，并且在控制的程序邏輯、通信水平上和反饋檢測中有很好的控制管理能力。工作人員還應了解和關注上位機程序的等級管理、數據處理和界面設計等。

輸入開關量的防抖處理主要通過現地PLC的數據處理來實現，對開關量信號在進行硬件濾波后再進行軟件的增加，并且通過現地PLC對模擬量的數字進行過濾。為了防止信號抖動，對模擬量信號進行處理時，可采用連續多次采樣取均值的方式。

反饋檢測是通過作用于監測對象，對輸出信號進行監控的一種實時反映檢測。而且通過遠程控制能夠掌握和控制現地的實際情況。為了更好地對系統進行控制和了解，必須要對輸出控制效果進行跟蹤、反饋，在閘門開啟后，可對接觸器、閘門等部件進行檢測、判斷和保護。

在控制邏輯上，可以設計相關的程序避免出現沖突現象，例如，在反轉的互鎖、限位，手、自動操作切換，多級閘門的啟動順序等程序上。同時，結合閘門的實際情況和水庫的相關要求進行改進，規范啟閉動作的規定操作范圍。

系統通信主要包括現地總線通信和現地與上位機之間的遠程通信，在對現地總線進行設計時可根據現地總線的實際情況適當延長工作站的運行時間，并且對控制動作分優先級，對同一控制對象采用站點集中采集的方式。為了減少通信的次數和數據量，簡化上位機的操作步驟，應對系統底層的運算量進行處理，現地與上位機之間的通信往往會產生數據延時與丟失。

在對上位機程序進行設計時，要對監控系統進行分級管理，同時還要明確監控系統的操作權限和優先等級，對日常工作中的數據進行記錄，有利于直接反映系統中存在的異常情況，并幫助管理人員判斷系統異常的原因。另外，為了保證操作界面的清潔、簡便，避免在操作過程中出現操作錯誤，在對系統操作完成后，退出界面的同時指令會對系統數據進行自動清除，對影響系統運行的界面參數進行單獨的放置和處理，并且予以權限管理的方式。

4 結論

在水利工程中，閘門遠程自動化監控系統的廣泛應用給操作人員的控制和管理帶來了便利，提高了工作效率。因此，進一步優化閘門遠程自動化監控的工作環節，加強系統的可靠性和穩定性，對我國水利事業的發展具有重要的意義。

參考文獻

[1]王力，王興坡，關林.閘門自動化監控系統在板橋水庫中的應用[J].河南水利與南水北調，2012（10）.

[2]毛冠雄.水庫閘門遠程監控自動化系統研制[J].建筑遺產，2013（08）.

〔編輯：張思楠〕

3 可靠性系統軟件設計分析

系統軟件主要包括現地PLC與上位機程序，現地系統是實現系統監控的關鍵，要求PLC不僅有很好的監控能力，還可以對相關的數據進行處理，并且在控制的程序邏輯、通信水平上和反饋檢測中有很好的控制管理能力。工作人員還應了解和關注上位機程序的等級管理、數據處理和界面設計等。

輸入開關量的防抖處理主要通過現地PLC的數據處理來實現，對開關量信號在進行硬件濾波后再進行軟件的增加，并且通過現地PLC對模擬量的數字進行過濾。為了防止信號抖動，對模擬量信號進行處理時，可采用連續多次采樣取均值的方式。

反饋檢測是通過作用于監測對象，對輸出信號進行監控的一種實時反映檢測。而且通過遠程控制能夠掌握和控制現地的實際情況。為了更好地對系統進行控制和了解，必須要對輸出控制效果進行跟蹤、反饋，在閘門開啟后，可對接觸器、閘門等部件進行檢測、判斷和保護。

在控制邏輯上，可以設計相關的程序避免出現沖突現象，例如，在反轉的互鎖、限位，手、自動操作切換，多級閘門的啟動順序等程序上。同時，結合閘門的實際情況和水庫的相關要求進行改進，規范啟閉動作的規定操作范圍。

系統通信主要包括現地總線通信和現地與上位機之間的遠程通信，在對現地總線進行設計時可根據現地總線的實際情況適當延長工作站的運行時間，并且對控制動作分優先級，對同一控制對象采用站點集中采集的方式。為了減少通信的次數和數據量，簡化上位機的操作步驟，應對系統底層的運算量進行處理，現地與上位機之間的通信往往會產生數據延時與丟失。

在對上位機程序進行設計時，要對監控系統進行分級管理，同時還要明確監控系統的操作權限和優先等級，對日常工作中的數據進行記錄，有利于直接反映系統中存在的異常情況，并幫助管理人員判斷系統異常的原因。另外，為了保證操作界面的清潔、簡便，避免在操作過程中出現操作錯誤，在對系統操作完成后，退出界面的同時指令會對系統數據進行自動清除，對影響系統運行的界面參數進行單獨的放置和處理，并且予以權限管理的方式。

4 結論

在水利工程中，閘門遠程自動化監控系統的廣泛應用給操作人員的控制和管理帶來了便利，提高了工作效率。因此，進一步優化閘門遠程自動化監控的工作環節，加強系統的可靠性和穩定性，對我國水利事業的發展具有重要的意義。

參考文獻

[1]王力，王興坡，關林.閘門自動化監控系統在板橋水庫中的應用[J].河南水利與南水北調，2012（10）.

[2]毛冠雄.水庫閘門遠程監控自動化系統研制[J].建筑遺產，2013（08）.

〔編輯：張思楠〕

3 可靠性系統軟件設計分析

系統軟件主要包括現地PLC與上位機程序，現地系統是實現系統監控的關鍵，要求PLC不僅有很好的監控能力，還可以對相關的數據進行處理，并且在控制的程序邏輯、通信水平上和反饋檢測中有很好的控制管理能力。工作人員還應了解和關注上位機程序的等級管理、數據處理和界面設計等。

輸入開關量的防抖處理主要通過現地PLC的數據處理來實現，對開關量信號在進行硬件濾波后再進行軟件的增加，并且通過現地PLC對模擬量的數字進行過濾。為了防止信號抖動，對模擬量信號進行處理時，可采用連續多次采樣取均值的方式。

反饋檢測是通過作用于監測對象，對輸出信號進行監控的一種實時反映檢測。而且通過遠程控制能夠掌握和控制現地的實際情況。為了更好地對系統進行控制和了解，必須要對輸出控制效果進行跟蹤、反饋，在閘門開啟后，可對接觸器、閘門等部件進行檢測、判斷和保護。

在控制邏輯上，可以設計相關的程序避免出現沖突現象，例如，在反轉的互鎖、限位，手、自動操作切換，多級閘門的啟動順序等程序上。同時，結合閘門的實際情況和水庫的相關要求進行改進，規范啟閉動作的規定操作范圍。

系統通信主要包括現地總線通信和現地與上位機之間的遠程通信，在對現地總線進行設計時可根據現地總線的實際情況適當延長工作站的運行時間，并且對控制動作分優先級，對同一控制對象采用站點集中采集的方式。為了減少通信的次數和數據量，簡化上位機的操作步驟，應對系統底層的運算量進行處理，現地與上位機之間的通信往往會產生數據延時與丟失。

在對上位機程序進行設計時，要對監控系統進行分級管理，同時還要明確監控系統的操作權限和優先等級，對日常工作中的數據進行記錄，有利于直接反映系統中存在的異常情況，并幫助管理人員判斷系統異常的原因。另外，為了保證操作界面的清潔、簡便，避免在操作過程中出現操作錯誤，在對系統操作完成后，退出界面的同時指令會對系統數據進行自動清除，對影響系統運行的界面參數進行單獨的放置和處理，并且予以權限管理的方式。

4 結論

在水利工程中，閘門遠程自動化監控系統的廣泛應用給操作人員的控制和管理帶來了便利，提高了工作效率。因此，進一步優化閘門遠程自動化監控的工作環節，加強系統的可靠性和穩定性，對我國水利事業的發展具有重要的意義。

參考文獻

[1]王力，王興坡，關林.閘門自動化監控系統在板橋水庫中的應用[J].河南水利與南水北調，2012（10）.

[2]毛冠雄.水庫閘門遠程監控自動化系統研制[J].建筑遺產，2013（08）.

〔編輯：張思楠〕