自動(dòng)化閘站的數(shù)據(jù)采集及處理

張述剛，王義銳，葉雨龍，楊 洋

（1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261300；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心煙臺分中心，山東 煙臺 264001；3.水利部機(jī)電研究所，天津 301900）

1 概述

閘站是我國水利工程建設(shè)中的重要組成部分，在防洪排澇，抗旱運(yùn)輸，調(diào)水等多方面有著及其重要的意義。我國地域廣闊，有著豐富的水資源，大小閘站遍布各地, 大多數(shù)閘站自動(dòng)化控制系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，極大提高了調(diào)水作業(yè)的規(guī)范性和安全性。同時(shí)，通過部署遠(yuǎn)方和現(xiàn)地監(jiān)控平臺，建立起一個(gè)分布式監(jiān)控平臺，統(tǒng)一的協(xié)議使各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)后臺能進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信和交換，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測、操控，這些都使得無人值守、統(tǒng)一調(diào)度成為可能。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化閘站系統(tǒng)分為運(yùn)行監(jiān)控中心、現(xiàn)地控制單元和監(jiān)控單元等幾部分，實(shí)現(xiàn)閘站實(shí)時(shí)的信息采集、傳輸和控制。

（1）運(yùn)行監(jiān)控中心

（2）現(xiàn)場控制單元

主要由PLC、機(jī)柜、繼電器、接觸器、電源等部分組成。現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)主要對開度、水位、流量、電流、電壓、等設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

（3）監(jiān)控單元

能夠?qū)Πㄋ椤⑺弧⒘髁俊㈤l門開度、電流、電壓等在內(nèi)的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測采集，且能在設(shè)備異常工作時(shí)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，保障機(jī)電設(shè)備合理運(yùn)行。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)原理

閘站自動(dòng)化工作原理主要是通過對閘前閘后水池水位、流量這些影響上下游水位的關(guān)鍵信息進(jìn)行分析，自動(dòng)控制閘門啟閉放水分流來調(diào)控水位，滿足正常的調(diào)水或者分流等需要，通常為閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

閘站閉環(huán)自動(dòng)控制原理：閉環(huán)自動(dòng)控制也就是反饋控制。閘站閉環(huán)控制主要根據(jù)水位、流量傳感器檢測被控對象（閘門）的狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)變成物理信號傳給PLC控制柜。PLC根據(jù)閘站具體狀況設(shè)定一個(gè)水位區(qū)間數(shù)值比較被控閘門當(dāng)前狀態(tài)（輸出量）對當(dāng)前水位的偏差，產(chǎn)生一個(gè)控制信號，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被控閘門上升或下降，使水位慢慢達(dá)到PLC設(shè)定的水位區(qū)間內(nèi)。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

閘站自動(dòng)化系統(tǒng)采集、監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包括閘門啟閉狀態(tài)、閘前、閘后水位、流量、開度信息、電量信息、限位及荷重狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)、故障信息等。

在各村設(shè)置一名核桃輔導(dǎo)員，專門負(fù)責(zé)本責(zé)任區(qū)域內(nèi)泡核桃的栽植、病蟲害、施肥、修剪等技術(shù)的日常指導(dǎo)。在全鎮(zhèn)設(shè)立8個(gè)示范區(qū)，面積1410.4畝，對全體輔導(dǎo)員實(shí)行目標(biāo)責(zé)任制管理、簽訂了管護(hù)合同。層層落實(shí)抓示范樣榜，建立示范樣榜8塊，其中鎮(zhèn)級 1塊，連片面積達(dá)到100畝以上；村級7塊，連片面積達(dá)到20畝以上；每個(gè)核桃輔導(dǎo)員設(shè)立示范樹，做到目標(biāo)明確、責(zé)任到人。

4.1 主要功能

數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)平臺，主要通過在線方式連續(xù)監(jiān)測、記錄和分析動(dòng)態(tài)水位、流量、開度、電量信息、限位等數(shù)據(jù)，提供詳盡的、可追溯的數(shù)據(jù)和各個(gè)參變量。控制功能是通過現(xiàn)地PLC柜下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)對閘門的控制功能。現(xiàn)地PLC柜對現(xiàn)地連接的全部傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，并將信息傳至PLC控制柜中，經(jīng)分析后傳至人機(jī)界面顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息。

（1）水位和流量信息采集

水位、流量數(shù)據(jù)是下游地區(qū)進(jìn)行泄洪、調(diào)度、分流等決策的重要依據(jù)，因此水位、流量的測量非常重要。通過采集閘前閘后水位、過閘的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等，并將信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺，讓閘站現(xiàn)場工作人員詳細(xì)了解水資源分配情況，為水資源調(diào)度分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）遠(yuǎn)程控制

PLC控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信與監(jiān)控平臺建立連接。操作人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺進(jìn)行閘門開度和閘門啟停的控制。

（3）故障報(bào)警

在閘門故障、水位過高或過低時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)信息，可根據(jù)閘站具體情況來設(shè)定報(bào)警閾值。當(dāng)出現(xiàn)閘門沖頂、通信中斷、過流、停電等故障時(shí)，報(bào)警信息將被反饋到監(jiān)控后臺并記錄。

（4）事件操作記錄

事件記錄包含具體人員操作記錄，如啟停狀態(tài)、控制參數(shù)的增加、刪除、修改等動(dòng)作記錄，這些記錄將作為事件在本地記錄留檔。

（5）事件警告

閘門啟動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化、控制參數(shù)如開度限位、水位高度限位等參數(shù)的增加、刪除、修改、操作指令等動(dòng)作均會(huì)觸發(fā)事件警告并記錄。

（6）參數(shù)設(shè)置

閘門開度的設(shè)置可以采用上下游水池水位、流量的浮動(dòng)作為參考，同時(shí)在設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)微差，通過參數(shù)設(shè)置消除微差，對參數(shù)進(jìn)行修改，使數(shù)值趨近于實(shí)際值。

4.2 數(shù)據(jù)采集的輸入和輸出

（1）輸入

數(shù)據(jù)的輸入包括開關(guān)量輸入、模擬量輸入等，開關(guān)量輸入包括：閘門啟閉機(jī)現(xiàn)地、遠(yuǎn)方、啟動(dòng)、停止、故障、報(bào)警、閘門全開和全關(guān)限位等，通過輸入模塊可觸點(diǎn)對應(yīng)程序的輸入寄存器地址，以此在程序中分配相應(yīng)的寄存器地址，采集信息通過PLC傳送至監(jiān)控后臺。模擬量輸入采集設(shè)備包含各類水位計(jì)、流量計(jì)等。通信傳輸方式有2種，一種是串口Modbus協(xié)議類型，一種是4～20 mA電流信號。Modbus協(xié)議采集通過PLC串口模塊，根據(jù)儀表的波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位等進(jìn)行校驗(yàn)判斷，當(dāng)參數(shù)設(shè)置一致時(shí)，在PLC程序中即可讀到儀表數(shù)據(jù)信號，并將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在指定的寄存器中。4～20 mA的模擬量信號采集通過PLC的AI模塊，內(nèi)部將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺。

（2）輸出

主要是PLC控制參數(shù)開關(guān)量輸出。PLC內(nèi)邏輯程序通過如水位、流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息作為限制條件實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量的輸出，包括遠(yuǎn)程開、關(guān)閘、停止等的控制。如限制條件到達(dá)設(shè)定值，即執(zhí)行輸出信號發(fā)出指令，通過控制設(shè)備的繼電器、接觸器等來啟動(dòng)或停止。

5 自動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)升級

5.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

部分在高溫、高濕度地區(qū)運(yùn)行作業(yè)的閘站，經(jīng)過幾年下來可發(fā)現(xiàn)采集設(shè)備大部分存在數(shù)據(jù)采集不到、數(shù)據(jù)顯示不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)采集緩慢等難題。野外的惡略環(huán)境如高溫、濕度大等導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集設(shè)備更易受到損壞。這些數(shù)據(jù)在閘站日常運(yùn)行決策中起到關(guān)鍵作用，因此保證數(shù)據(jù)采集設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。在改進(jìn)系統(tǒng)時(shí)不僅需要做好采集設(shè)備日常防護(hù)，還需要考慮上下游水質(zhì)和冰期調(diào)水作業(yè)對水位采集的影響，還應(yīng)考慮采集設(shè)備的故障率、使用年限等對數(shù)據(jù)采集的影響，對日常運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)故障率高的采集設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)升級。

5.2 數(shù)據(jù)過濾優(yōu)化

數(shù)據(jù)通信采集中通常存在數(shù)據(jù)采集頻次過高，采集過程中會(huì)產(chǎn)生很多無效數(shù)據(jù)。優(yōu)化改進(jìn)閘站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對不同種類的數(shù)據(jù)可根據(jù)數(shù)據(jù)需要采取相應(yīng)的降頻次采集、時(shí)間段采集優(yōu)化等策略。同時(shí)應(yīng)當(dāng)在原有過濾方案的基礎(chǔ)上建立一套完善的數(shù)據(jù)分析決策機(jī)制，在滿足真實(shí)數(shù)據(jù)交互這一基本需求下，能對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，篩選和清理干擾數(shù)據(jù)，降低PLC和監(jiān)控后臺的處理工作量。

6 數(shù)據(jù)采集及處理的作用

6.1 提高閘站機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、儲(chǔ)存、分析，得出年度、季節(jié)、月份、周、日、時(shí)的水位、流量、開度、用電量的情況，找出它們之間的關(guān)系與規(guī)律，結(jié)合閘站機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)、修理記錄，確定閘站機(jī)組的維護(hù)、保養(yǎng)、修理的周期，保證閘站機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2 減少水的損耗

通過閘站之間流量的關(guān)系，可確定閘站之間的水的損耗，經(jīng)過對各時(shí)間段流量損耗的分析，得出損耗少的時(shí)間段進(jìn)行開閘供水，達(dá)到減少損耗的目的。

6.3 減少用電費(fèi)用

對閘站用電量、供水量進(jìn)行分析，峰谷用電時(shí)單位電量的價(jià)錢是不同的，找出單位供水量花費(fèi)最低價(jià)錢的時(shí)間進(jìn)行供水，提高電的利用率，減少費(fèi)用，增強(qiáng)企業(yè)的效益。

7 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，閘站的智能化、自動(dòng)化程度得到了顯著提高。采集設(shè)備的改造升級與優(yōu)化保障了自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、可靠性。在完善現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程控制功能的同時(shí)，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理的設(shè)備、流程，引入數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可全面提升閘站自動(dòng)化控制標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作、精準(zhǔn)化控制、智慧化調(diào)度，最終提高閘站工作的安全性和運(yùn)行效率，提升閘站系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。