閘門(mén)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

成耀文 葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司

閘門(mén)是水利工程項(xiàng)目的關(guān)鍵，利用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行監(jiān)督與管理，通過(guò)閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)可檢測(cè)閘門(mén)的啟閉和開(kāi)度、圖像信息等，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)和閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，另外還包括傳感部件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施。因?yàn)榻M成多樣，所以在實(shí)施監(jiān)控時(shí)對(duì)技術(shù)提出了較高的要求。

一、閘門(mén)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的必要性

（1）如水庫(kù)地處暴雨區(qū)域，集雨面積較大，庫(kù)容相對(duì)較小，汛期閘門(mén)啟閉頻繁；管理處與閘房相距一般相距較遠(yuǎn)，對(duì)閘門(mén)控制不方便、不安全，不能滿足目前水庫(kù)防洪調(diào)度快速反應(yīng)的要求，因此設(shè)計(jì)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。（2）運(yùn)用信息技術(shù)能及時(shí)、快捷、準(zhǔn)確、可靠地傳遞水、雨情，有效地提高洪水預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期，為制定防洪調(diào)度方案提供科學(xué)、快速、準(zhǔn)確的依據(jù)和手段，進(jìn)一步提高水庫(kù)防洪減災(zāi)能力，對(duì)保護(hù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全起著重要作用。（3）系統(tǒng)具有信息資源共享，網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查詢功能。通過(guò)分析水雨情資料、水位流量關(guān)系，有助于修正優(yōu)化防洪興利調(diào)度計(jì)劃，為水庫(kù)防汛、供水管理決策提供科學(xué)依據(jù)，充分利用水資源，最大限度地發(fā)揮防洪及供水等方面的效益。（4）對(duì)水庫(kù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析變化趨勢(shì)，為管理部門(mén)及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水庫(kù)的運(yùn)行狀況提供科學(xué)依據(jù)，極大地提高對(duì)水庫(kù)工程的科學(xué)管理水平。

二、閘門(mén)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)原則

（一）實(shí)用性與先進(jìn)性

采用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，保證系統(tǒng)實(shí)用，隨機(jī)信息采樣周期及操作響時(shí)間短，應(yīng)實(shí)時(shí)性好。在開(kāi)放性與標(biāo)準(zhǔn)化方面，采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級(jí)、擴(kuò)展和互聯(lián)。

（二）可靠性與安全性

主要考慮兩個(gè)方面：一是充分利用現(xiàn)有的高可靠性絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)資源和設(shè)備，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全可靠；二是采用成熟的采集設(shè)備、控制設(shè)備、傳輸設(shè)備等，采取必要的防護(hù)措施保證系統(tǒng)有較高的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力，并設(shè)置系統(tǒng)的用戶表及口令限制，確保系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

（三）經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性

在滿足工程需要的前提下，選用性能價(jià)格比高的設(shè)備；采用的設(shè)備充分考慮易擴(kuò)展、易升級(jí)換代，并且在擴(kuò)展或升級(jí)時(shí)可以最大限度地保護(hù)原有的硬件設(shè)備和軟件投資。

（四）集成性和可維護(hù)性

系統(tǒng)采用功能模塊集成且相對(duì)獨(dú)立，一個(gè)功能模塊故障不影響其它功能模塊的工作；監(jiān)控主機(jī)具有自動(dòng)診斷功能，能判定故障位置，便于維護(hù)。

（五）統(tǒng)一規(guī)劃和分步實(shí)施

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)、分步實(shí)施；系統(tǒng)應(yīng)留有擴(kuò)展的余地和接口，使系統(tǒng)易于規(guī)模擴(kuò)展和功能擴(kuò)展；為以后大壩沉陷、位移、滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的續(xù)建提供平臺(tái)，避免重復(fù)建設(shè)。

三、閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）時(shí)鐘同步。能夠使系統(tǒng)中的智能電子設(shè)備獲得統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，這對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和安全保護(hù)具有重要的意義。（2）數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)地控制層能接收各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)及故障信息，并發(fā)送到管理處中心控制層；且接收管理處監(jiān)控中心下達(dá)的各種控制指令。（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器采集閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)及開(kāi)度等各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供查詢，準(zhǔn)確反映各設(shè)備的動(dòng)作情況。（4）可視化管理功能。通過(guò)分別裝在溢洪道閘門(mén)上下游附近的二個(gè)彩色球形攝像機(jī)與閘門(mén)聯(lián)動(dòng)對(duì)閘門(mén)工況進(jìn)行監(jiān)視，查看閘門(mén)上下游側(cè)水位、泄洪水流的形態(tài)。（5）計(jì)算統(tǒng)計(jì)。根據(jù)上下游水位、閘門(mén)開(kāi)度確定泄洪流態(tài)，計(jì)算泄洪流量及泄洪水量；或根據(jù)水庫(kù)水位變化情況及庫(kù)容曲線確定上游來(lái)水量，并根據(jù)上下游水位、下泄流量、閘門(mén)的流量關(guān)系曲線等計(jì)算出開(kāi)啟的閘門(mén)數(shù)和開(kāi)度，自動(dòng)控制閘門(mén)啟閉實(shí)現(xiàn)控制水位和控制流量平衡。（6）控制與調(diào)節(jié)。操作人員在監(jiān)控中心主機(jī)或現(xiàn)地控制單元通過(guò)密碼登錄方式進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)則根據(jù)預(yù)定原則由操作人員輸入指令，完成對(duì)閘門(mén)的控制、調(diào)節(jié)，發(fā)生故障立即自動(dòng)停止閘門(mén)的動(dòng)作。（7）越限報(bào)警。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)要采集的參數(shù)項(xiàng)目設(shè)置上、下限值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到越限等異常狀態(tài)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警且將異常狀態(tài)信號(hào)顯示于顯示屏上，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄下來(lái)，以供查詢。（8）自診斷、故障報(bào)警。系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，能對(duì)硬件設(shè)備、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件的故障進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)故障征兆或故障，立即停止該部分設(shè)備的運(yùn)行（閉鎖相應(yīng)的控制輸出），報(bào)警、并自動(dòng)顯示和記錄。（9）記錄。對(duì)所采集的參數(shù)各按設(shè)定每隔一段時(shí)間保持一次，對(duì)閘門(mén)啟閉過(guò)程及前后狀態(tài)進(jìn)行記錄，以供查詢。（10）歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與查詢。中心站主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)能存儲(chǔ)本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，觸摸屏只能存儲(chǔ)少量的報(bào)警及過(guò)程數(shù)據(jù)；它們都提供查詢接口。（11）打印功能。對(duì)能在顯示器中顯示的采集數(shù)據(jù)、匯總報(bào)表及視頻圖像都能通過(guò)設(shè)定的打印機(jī)打印出來(lái)。

四、閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向

（一）自動(dòng)故障診斷

電氣自動(dòng)化技術(shù)的引入使得閘門(mén)故障的診斷和排除更為便捷和準(zhǔn)確。一個(gè)成熟的閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)分類；影響系統(tǒng)運(yùn)行甚至可能造成安全隱患的狀況可以立即報(bào)警并自動(dòng)采取應(yīng)急措施，保證閘門(mén)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）人工智能的應(yīng)用

伴隨電氣自動(dòng)化技術(shù)的不斷成熟、電氣系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，現(xiàn)在的電氣系統(tǒng)已經(jīng)可以較為安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。因此可以引入人工智能技術(shù)，人工智能技術(shù)的引入可以自動(dòng)識(shí)別異常數(shù)據(jù)和故障，并且自動(dòng)對(duì)故障進(jìn)行排查、分類和處理。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水利工程在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)方面占據(jù)十分重要的位置。通過(guò)引入閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控弄系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督控制，提高了閘門(mén)自動(dòng)化水平和管理效率，極大地改善了勞動(dòng)環(huán)境；對(duì)保障水庫(kù)安全運(yùn)行，進(jìn)一步提高水庫(kù)防洪減災(zāi)、調(diào)度運(yùn)行技術(shù)水平起著重要作用；促進(jìn)水庫(kù)發(fā)揮更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。