大道王閘綜合自動化應用研究

于強

（山東省德州市水利局，山東 德州253000）

1 引言

水閘的建設和改造中，水閘自動化是主要發展方向，這是由于水閘自動化不僅對抗旱防洪有重要作用，而且還能提高水閘的綜合效率。馬頰河干流上有一個重要的水閘——大道王閘，在該地區防汛抗旱中發揮著十分重要的作用，對其進行自動化改造可以有效加強防汛抗旱工作的成效。

2 大道王閘概況

2.1 大道王閘基本情況

大道王閘的設計單位是山東省水利勘測設計院，由水利電力部馬頰河工程局施工，位于慶云縣板營鄉大道王村東馬頰河干流280+074 里程處。

大道王閘總長為100.4m，閘門的尺寸為10m×7m，共有9 個孔，屬于鋼筋混凝土開敞式大型節制閘，閘門為平板鋼材質，閘底高程-0.2m。二道消力坎消能用于閘下，配置的設備有9 臺手搖電動兩用卷揚式啟閉機，啟閉力2×25t/臺，同時，還設有一部柴油發電機，功率達到50kW。交通橋的橋面寬度在4.5m，載重達到8t。大道王閘的防洪流量能夠達到1004m3/s，排澇流量658m3/s。防洪時閘上水位可以達到7.56m，排澇時有6.07m 的閘上水位。

2.2 大道王水閘主要技術指標

大道王水大道王水閘主要技術指標如表1 所示。

3 大道王閘自動控制系統結構

3.1 自動化控制系統

大道王閘自動控制系統為總線分布式控制模式，利用9 孔閘門實現遠程監控。監控系統為大道王閘自動控制系統的最高層，其中包括PLC 單元管理器、收發器、集線器、感應器、86上位機以及管理計算機（彩顯），在互聯網的作用下，各個計算機可以實現信息交流[1]。PLC 對控制層的可編程序控制器進行控制，采集9 孔閘門的閘位、上下游水位、降雨量等數據，并利用網絡將信息和數據傳達到監控系統，利用輸出模塊對閘門的上下動作進行調解。此外，現場設備是大道王閘自動控制系統的最低層，可以在現場設備保留的前提下實現手動操作，具有啟閉機的功能[2]。此外，遠程接口控制電氣回路可以接受到PLC 可編程序控制器的動作指令。具體示意圖見圖1。

表1 水閘主要技術指標表

圖1 大道王閘自動控制系統結構圖

3.2 自動化模型

大道王閘利用改進型集中式控制系統，該系統主要的構成包括邏輯控制單元、中心計算機、信息采集設備以及現場機電設備。現場機電設備會按照設定的數據和程序來開展工作，現場機電設備運行過程中，由信息采集設備對數據進行采集，并發送信號到邏輯控制單元，通過邏輯控制單元對各個數據的篩選和整理，再將信息輸送到中心計算機，由中心計算機設定程序，并對一些數據進行處理，從而實現指令下達（見圖2）[3]。大道王閘的紫宗控制系統模式也是通過集中式控制系統發展而來的，立足于傳統的控制系統技術基礎上，利用下位機系統處理的功能，以保證上位機出現問題隱患不能正常發送指令的情況下，由下位機獨立實現邏輯控制任務，實現預定效果，提升自動化操作的效果。

圖2 大道王閘中改進型集中式控制系統示意圖

4 大道王閘自動控制系統工作原理

4.1 各類參量信息采集控制

在大道王閘自動控制系統中，模擬量、開關量以及數字量是需要進行信息采集的參量，其中，電壓、功率以及電流屬于模擬量，而水閘上下游水位信息和各個孔閘門閘位屬于數字量。此外，閘門上下限位信號、閘門開啟關閉、電機開關屬于開關量。

為了節省投資成本，優化結構，在整個自動化參量信息采集的控制系統中，需要利用智能自動檢測技術，通過485 總線傳送至上位機。而開關是利用PLC 的控制參數信息進行輸出和采集，數字量可以利用水閘位計編制為格雷碼，再利用PLC通過485 總線與上位機構成通信系統[4]。

4.2 上、下位機主要功能

上、下位機的主要功能如表2 所示。

5 水閘自動化監控系統的主要子系統

5.1 水閘微機監控系統

微機監控系統采用現地控制、中控制控制和遠方控制3 種控制層次。中控室控制層設備布置在中控室內，主要由系統服務器、監控工作站、打印機等設備組成；現地控制層主要由主機房的PLC 控制屏、現場傳感器組成。正常情況下，整個水閘控制在中控室的監控工作站上，操作人員通過水閘運行流程圖、水閘運行模擬顯示圖監視整個水閘運行狀況，通過軟件發出主控指令，現地PLC 和相應的開關設備將按照主控指令控制現場設備自動運行。特殊情況下，現地PLC 控制柜也可控制機組及相應設備自動運行。現場無人值班時，遠程調度中心可進行遠程控制。

表2 上、下位機主要功能表

5.2 水閘網絡通信系統

水閘微機監控和視頻監控系統有大量的實時數據、控制信息、監視信息需要傳輸到水情調度信息中心。網絡中心設置1 臺高性能數據庫服務器，通過雙絞線與調度中心3 層交換機連接；網絡中心另設置1 臺高性能計算機，采用光纖與調度中心交換連接。在調度中心交換機上設置虛擬網絡（VLAN），將數據庫服務器，監控工作站分割成不同的VLAN。保證網絡平臺上運行不同應用分開數據交換，防護病毒對服務器和控制系統的感染，同時，加裝網絡病毒防護軟件防止系統受病毒侵害。

6 大道王閘自動控制系統應用體會

大道王閘自動控制系統投入使用后，不僅提提升了水閘運行的效率，還極大地改善了工作人員的操作能力和管理能力。

6.1 自動化系統適應性

自動化系統的適用性，指的是自動化系統應用過程中，需要根據水閘現場的設備和相應的技術進行合理的設計，實現自動化系統功能的充分發揮。同時，設計自動化系統時，還要結合自動化技術的發展狀況考慮未來系統升級的問題，結合先進的設備和技術保證系統的可靠運行與安全。

6.2 管理與系統同步

技術人員需要對自動化系統進行科學的管理和設定。因此，要在水閘自動化系統的應用過程中，加強對管理人員的培訓和指導，讓相關人員熟練掌握維修技術，加強對設備工作的重視，制定相應的制度，為自動化設備的運行安全提供有效的保證[5]。

6.3 自動控制系統應用效果

大道王閘自動控制系統在投入運行后，改變了傳統以手工操作為主的半自動操作方式，將需要多人多物共同運行管理單位集中到一個功能豐富、技術先進穩定的管理平臺上，降低了水閘操作人員的工作負擔。

大道王閘自動控制系統是自動化系統與計算機網絡通信技術相結合，能夠讓大道王閘水情工情參數迅速準確上傳到數據調度中心，并及時根據預存指令及程序發布調控指令，能夠對簡單水情工情自行判斷處理，對優化工作效率及提高整體水利設施工作效率，提升水閘運營效益有極大意義。

7 結語

通過上文論述可以看出，大道王閘應用自動化系統后，改變了過去傳統的工作模式，將很多傳統的人力部分改為機械自動化，從一定程度上優化了水閘的工作效率，為水閘工作人員減輕了工作強度。尤其是將計算機通信技術與網絡傳輸技術融入大道王閘自動系統后，更是提升了系統與設備運行的準確度與安全性，集中式的控制系統讓各類參數都能在第一時間得到精準反饋，水閘和其他機電設備接收到調度指令后，都可以迅速做出反饋，實現協調運行，對提升大道王閘整體設施工作效率與經濟效益有十分重要的現實意義。