大壽水閘除險(xiǎn)加固工程閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋 峰

（廣西玉林水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 玉林 537000）

大壽水庫位于廣西壯族自治區(qū)博白縣旺茂鎮(zhèn)大壽村，所屬河流為南流江支流和江河分支流鳳山河上，是一座以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電的大（2）型水庫，至今已運(yùn)行了30多年。由于年久失修，工程主體建筑及各類機(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重，整體運(yùn)行效率及安全穩(wěn)定性差，存在諸多安全隱患，需經(jīng)除險(xiǎn)加固后，才能達(dá)到正常運(yùn)行要求。

1 大壽水庫水閘現(xiàn)狀

大壽水閘原閘門啟閉控制為人工現(xiàn)地手動(dòng)方式，運(yùn)行人員主要是通過操作現(xiàn)地啟閉控制箱完成閘門的關(guān)閉和啟動(dòng)。經(jīng)過多年運(yùn)行，啟閉及配套控制設(shè)備、電纜老化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響啟閉設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，存在較大的安全隱患，運(yùn)行穩(wěn)定性及運(yùn)行效率低下，且不具備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及故障保護(hù)功能，以至于閘門日常啟閉操作均需人工現(xiàn)地全程監(jiān)視完成，致使水閘運(yùn)行管理工作難度較大，嚴(yán)重影響汛期泄洪調(diào)度的執(zhí)行速度和水閘運(yùn)行的安全，影響下游的防洪安全。其中機(jī)電設(shè)備安全性評(píng)價(jià)為“不滿足”安全運(yùn)行要求，需全部進(jìn)行拆除和更新[1]。

2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘門設(shè)計(jì)目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，以解放值班、值守人員為頂層設(shè)計(jì)，并堅(jiān)持實(shí)效性、可靠性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)原則。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容

閘門監(jiān)控系統(tǒng)通過運(yùn)用自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能與收集、分析、處理閘門及其關(guān)聯(lián)設(shè)備產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)資料，并建立數(shù)據(jù)信息資源庫，充分發(fā)揮系統(tǒng)查詢功能的作用。閘門監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容主要包括：閘位計(jì)；閘門的現(xiàn)地控制柜（機(jī)柜、PLC、觸摸屏、繼電器、端子及附件）；閘門監(jiān)控主機(jī)；PLC控制軟件、觸摸屏軟件、上位機(jī)軟件；系統(tǒng)安裝及調(diào)試[2]。

2.1.2 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)地控制柜、傳感器、通信設(shè)備等組成。閘控系統(tǒng)主要是監(jiān)視和控制現(xiàn)場(chǎng)閘門，主要功能見圖1。

圖1 大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

（1）監(jiān)控主機(jī)

閘門監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)位于中控室。監(jiān)控主機(jī)具有對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作進(jìn)行全面監(jiān)控的功能，它是控制計(jì)算機(jī)以及控制系統(tǒng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程控制，并完成對(duì)資料的記錄、查詢、報(bào)表、統(tǒng)計(jì)等處理。監(jiān)控主機(jī)采用查詢/應(yīng)答體制，在需要時(shí)主動(dòng)查詢各閘門工作情況，在實(shí)時(shí)測(cè)控時(shí)監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)地控制柜數(shù)據(jù)同步，獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理統(tǒng)計(jì)工作。監(jiān)控主機(jī)可以從水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中獲取閘上下游水位，供閘門控制系統(tǒng)使用，可以將閘門狀態(tài)與操作信息傳輸至綜合數(shù)據(jù)庫，供其它系統(tǒng)使用。遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)只有通過監(jiān)控主機(jī)才能獲取閘門狀態(tài)，完成閘門控制。

（2）現(xiàn)地控制柜

閘門監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制柜共有1個(gè)，布置于閘壩啟閉房。通過現(xiàn)地控制柜，完成對(duì)各閘門控制及閘門開度實(shí)時(shí)測(cè)量。

現(xiàn)地工作站由觸摸屏、可編程控制器（PLC）、低壓電器、工業(yè)機(jī)柜等組成。

觸摸屏內(nèi)嵌軟件，該軟件發(fā)出的升、降、停指令，經(jīng)RS485總線傳至控制器上的PLC模塊，PLC解釋后執(zhí)行，通過中間繼電器控制動(dòng)力柜中交流接觸器，使螺桿或卷揚(yáng)機(jī)械作升、降、停的運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，觸摸屏內(nèi)嵌入式軟件不斷查詢對(duì)應(yīng)的閘位傳感器，得到當(dāng)前閘門開度位置，由此便可準(zhǔn)確控制閘門開度。

可編程控制器接收來自監(jiān)控主機(jī)和觸摸屏的指令，控制閘門的升、降、停的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，PLC將當(dāng)前閘位數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控主機(jī)和觸摸屏。可編程控制器同時(shí)查詢限位信號(hào)和過載信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)超限或過載時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止閘門升降。

低壓電器包括中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈、斷路器、電壓表、電流表等，用于實(shí)現(xiàn)閘門升、降、停等操作，指示閘門運(yùn)行狀態(tài)。

工業(yè)機(jī)柜將現(xiàn)地主要設(shè)備全部集成起來，以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控的整體水平。

（3）閘位計(jì)

閘位計(jì)完成對(duì)閘位（閘門開度）的實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)通過總線傳到現(xiàn)地控制柜，供PLC使用。閘位計(jì)同時(shí)帶有閘門限位開關(guān)，提供閘門限位信號(hào)。閘位計(jì)由編碼器、表頭、轉(zhuǎn)換器、連接齒片、安裝支架組成。

2.2 控制模式

（1）控制方案

一般而言，閘門控制系統(tǒng)基于系統(tǒng)運(yùn)行的控制有三個(gè)層次，系統(tǒng)控制與設(shè)備的關(guān)聯(lián)性越高，則控制程度越強(qiáng)。控制層次包括手動(dòng)、集中與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的控制區(qū)域監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控主機(jī)上的操控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的遠(yuǎn)程控制；集中控制功能針對(duì)于現(xiàn)地控制。操作人員在現(xiàn)地控制設(shè)備上進(jìn)行控制性操作，達(dá)到控制閘門的效果。在進(jìn)行集中控制時(shí)，需要封鎖遠(yuǎn)程控制功能，提高控制安全率，這不會(huì)對(duì)信息數(shù)據(jù)采集造成影響；手動(dòng)控制一般置于閘門啟閉機(jī)附近，在開展手動(dòng)控制工作的同時(shí)，能夠同時(shí)進(jìn)行對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)信息的收集工作。

上述三種控制層級(jí)之間的轉(zhuǎn)換需要應(yīng)用現(xiàn)地控制單元中的切換開關(guān)進(jìn)行。閘門不管被哪一層次控制，監(jiān)控主機(jī)對(duì)閘門運(yùn)行情況均能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）優(yōu)先控制

閘門控制分二級(jí)控制，最高級(jí)為現(xiàn)地控制，第二級(jí)是中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控。優(yōu)先級(jí)控制見圖2。

圖2 優(yōu)先級(jí)控制圖

（3）保護(hù)控制

閘門監(jiān)控系統(tǒng)需要由自身的安全性設(shè)計(jì)來保證正常運(yùn)行，閘門監(jiān)控軟件要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)閘門狀況、過載、過壓、越限等功能。必要時(shí)可在控制柜內(nèi)增加保護(hù)設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)采用光纖作為通信媒介，監(jiān)控主機(jī)和現(xiàn)地控制柜通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。現(xiàn)地控制柜內(nèi)PLC通過RS-232與觸摸屏進(jìn)行通信。閘位計(jì)通過14芯電纜與現(xiàn)地控制柜進(jìn)行通信。

2.4 系統(tǒng)功能

大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：自動(dòng)、實(shí)時(shí)測(cè)量水閘閘門開度；在閘室能夠通過現(xiàn)地控制柜按鈕手動(dòng)啟閉閘門；在閘室能夠通過現(xiàn)地控制柜觸摸屏自動(dòng)啟閉閘門；在水閘管理所的中控室能夠自動(dòng)啟閉各閘門；閘門自動(dòng)啟閉有預(yù)置閘位和預(yù)置流量兩種方式；根據(jù)庫水位、閘門開度，計(jì)算閘門流量；能夠?qū)λ弧㈤l位、流量進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)；能夠繪制水位、閘位、流量歷史過程線；能夠在觸摸屏、監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)程主機(jī)上顯示閘門狀態(tài)[1]。

2.5 系統(tǒng)主要設(shè)備及軟件

閘門監(jiān)控系統(tǒng)主要提供的基本軟件與應(yīng)用軟件有：（1）操作系統(tǒng)：Windows 2008 Server.（2）本地?cái)?shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口：SQL Server 2008。（3）PLC監(jiān)控軟件。（4）觸摸屏監(jiān)控軟件。（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。其中可編程序控制器（PLC）設(shè)備包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器模塊、總線通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊、電源以及所需的離散輸入/輸出（I/O）模塊、模擬量輸入模塊等。大壽水閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)共有1套PLC，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)需要確保PLC脫離主機(jī)系統(tǒng)后，能夠?qū)﹂l門進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)PCL與主機(jī)相連后有能夠?yàn)樯衔幌到y(tǒng)管控提供輔助。能夠定時(shí)或者根據(jù)命令要求向主控級(jí)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)信息。當(dāng)出現(xiàn)故障或者異常情況時(shí)，能夠快速向主控級(jí)進(jìn)行報(bào)告，再根據(jù)主控級(jí)指示，進(jìn)行故障解決的執(zhí)行操作，然后將執(zhí)行情況等再傳輸?shù)街骺丶?jí)。

3 結(jié)語

基于PLC控制技術(shù)對(duì)大壽閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的探究，針對(duì)性的解決了大壽水閘原閘門不能遠(yuǎn)程監(jiān)控及實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，有效提高水閘的運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)了閘門的現(xiàn)地及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。現(xiàn)該系統(tǒng)已順利完成調(diào)試并投入運(yùn)用，投入運(yùn)用以來，穩(wěn)定，可靠，實(shí)時(shí)性能均有突出表現(xiàn)，滿足該水閘安全運(yùn)行以及“無人值班、少人值守”的需求，對(duì)以后類似工程的閘門控制與信息處理自動(dòng)化工程建設(shè)具有重要的推廣價(jià)值。