洞涇站節制閘遠程控制系統的應用與改進

王毅

（上海市松江區水務管理所，上海 201600）

0 引言

洞涇泵站工程位于上海市松江區境內，屬于青松大控制片重要口門之一，位于黃浦江北岸，是青浦、松江兩區758.23km2連片低洼湖蕩地區免遭洪澇災害的重要工程之一。泵站采用泵＋泵＋間＋泵＋泵結構形式，是一座單向排澇泵站，選用4臺1600QZ7.5-3.15型潛水軸流泵。樞紐平面布置如圖1所示。單泵設計流量為7.5m3/s，設計揚程3.15m，配套電機功率400kw，節制閘采用鋼結構直升門，閘孔凈寬10m，門寬均為9.94m門高5.85m，采用容量均為2＊200kN的倒掛式液壓啟閉機。進水流道進口設檢修閘門，出水流道出口采用浮箱拍門斷流，拍門外側設擋潮閘門。排澇泵站結構如圖2所示。泵站其它配套設備有：進水口的回轉式清污設備；檢修閘門與擋潮門的螺桿啟閉機；10/0.66kV、10/0.4kV輸配電系統；計算機監控系統；視頻監視系統等。

圖1 節制閘平面布置示意圖

圖2 排澇泵側身剖面示意圖

1 自動控制的策略和基本方法

1.1 自動控制實際應用

節制閘自動控制在具體應用中，雖然水位變化有一定規律，但根據潮水變化而每日不同，有時來潮不來水，很難算準固定的時間，使得引排水時間無法精確控制，流量調節不及時，將對水工建筑物及河道的安全帶來不利影響。為了保證工程安全高效應用，操作室需要固定24小時有人職守，運行值班人員需隨時按水位變化情況，查“閘門高度-水位-流量關系曲線”測算開高，及時調整閘門高度，以滿足調度要求[1]。如果能夠通過PLC自動控制系統、CCTV視頻監控系統、網絡視頻監控、結合手機遠程系統，隨時隨地隨手監看CRT顯示器中上、下游液位及歷史趨勢，能大大減輕運值人員的勞動強度，提高勞動效率。計算機監控體系可以取代舊時人工操縱和按時巡視、記實、回饋等繁瑣的勞動，進而實現少人乃至無人值守[2]。基于閘門，排澇泵的控制策略成熟，工藝流程較為簡便，故通過手機遠程控制系統能擺脫傳統的固定端操作，自由度大，可設置操作權限，一機多控，集中控制，遠程控制需要運行人員有較強的責任心和一定的專業度。

1.2 自動控制及監控系統

1.2.1 自動控制策略優化與改進

實際工作中自動控制的相關控制策略存在一些問題，有優化和改進的空間。例如日常運行中閘門閉門時全關判斷是兩側閘門開度均低于2mm，如果有單側卡塞或異常情況，油泵設備不能延時自動停運，需手動停止降門，否則設備一直在運轉。手機自動化監控系統搭建過程中遇到的問題：工程電腦版本較老存在軟硬件兼容性問題，有線無線并行網絡沖突問題，臺式機發射無線型號弱問題等。

自動控制的要點：為了保證安全所需的相關閉鎖條件，節制閘升降控制需設置閉鎖控制條件：①控制電源失電閉鎖。②水位差閉鎖。③過電流閉鎖。④人為閉鎖。⑤調度閉鎖等。

排澇水泵運行閉鎖控制條件：①電機進水閉鎖。②油室進水閉鎖。③接線盒進水閉鎖。④繞組溫度高閉鎖。⑤軸承溫度高閉鎖。⑥閘門關閉閉鎖。⑦泵前水位低閉鎖等。

1.2.2 遠程監視

通過上位機及遠程監視系統實現智能化遠程監視。具體組成：①手機監控及無線網絡。②全球眼即網絡視頻監控。③遠程監視軟件iVMS-4200及攝像頭等。

1.3 安全策略及安全性分析

為了防臺防汛以及設施設備安全。水閘自動化系統應充分考慮行業特點及對系統可靠性的特別要求，不能完全依賴自控設備而取消了純手動控制環節[3]。本文從安全性保障、網絡安全性策略、安全冗余量等方面就綜合自動控制方案的安全性進行分析。

2 自動化監控系統的搭建

2.1 手機自動化監控系統搭建

系統采用二級控制方式，由現場手動、觸摸屏現場控制級和監控級組成，是一個以通訊網絡為紐帶的集中管理二級控制系統[4]。手機自動化監控系統的搭建：首先搭建是需要對系統進行備份，確保不會有軟件沖突、系統破壞以及原程序丟失情況，使用一鍵GHOST功能即可實現。因為臺式機安裝在柜內發射無線型號弱，安裝高增益MW150型網卡。搭建無線網絡，測試有線無線并行兼容性。針對Microsoft Windows XP Professional 版本 2002 Service Pack 3的系統安裝自適應軟件，通過軟件實現手機與電腦互通及監控。組成雙電腦監控，CCTV視頻監視即攝像頭，先觀察閘門周圍情況后監控閘門自動化控制系統，系統拓撲圖詳見圖3。手機自動化監控系統試運行，解決相關問題后，通過一段時間的調試與試驗，系統基本穩定可靠。

圖3 手機遠控系統拓撲圖

2.2 手機及無線技術（無線覆蓋范圍測算及實驗）

本方案上位機配置TL-WN726N無線網卡，天線增益5dbi,發射功率100mW,無線速率150Mbps，頻率范圍2.4GHz。手機遠控系統中無線熱點覆蓋網絡范圍也是本方案的重點，覆蓋范圍主要由以下幾個方面因素影響：①距離。②室內格局、墻體。③路由器的擺放位置。④天線的增益。⑤路由器發射功率。⑥周圍信號。⑦終端接收靈敏度。

對于100mW的發射功率（根據國家規定，無線路由器的發射功率不得高于100mW。）其計算公式如下：

x=10log10（P/（1mW））

按dBm（分貝毫瓦，為一個指代功率的絕對值）單位進行計算后的值應為：

10lg（100mW/1mw）=10lg（100）=20dBm

經實際覆蓋距離的測試，選擇天線增益5dbi，發射功率20dbm，頻率為2.4GHz，計算室內格局、墻體損耗，路由器的擺放位置損耗，優質信號覆蓋距離約為30米，基本滿足泵閘控制室全距離監控操作。圖4為手機實時監控畫面。

圖4 手機實時監控畫面示意圖

2.3 PLC控制系統

2.3.1 PLC控制系統配置

本方案PLC系統是以工控機為上位機。該系統對泵站內絕大多數儀器設備進行數據采集。主要功能：經系統PLC處理后的各種數據顯示在畫面上，或用報表、曲線等形式查詢，使監測工作更加快速及時、準確高效。系統現有自動化軟硬件：操作員站上位機（電腦）的操作系統為Microsoft Windows XP Professional 版本 2002 Service Pack 3的系統，畫面組圖軟件為組圖王，采用 kingscada工控支持軟件編制而成。自動控制系統為施耐德的一套PLC系統帶有液晶操作屏，自動化平臺水準較高，自動化基礎已完備，控制系統相關設備配置清單詳見表1。

表1 PLC設備清單

2.3.2 泵閘自動控制策略

閘門開門操作：操作開門按鈕，油泵電機空載運行→延時后開門閥組通電動作→閘門開啟提升→到達開度設置位或鎖定位（到達鎖定位后應下降回落到鎖定機構上）→閘門停止運行→油泵電機停止。

閘門關門操作：操作關門按鈕，油泵電機空載運行→延時后（如閘門在鎖定位應開門提升脫鎖后再關門）關門閥組通電動作→閘門關閉下降→到達全關位→閘門停止運行→油泵電機停止。

閘門具有下滑提升功能：當閘門從全開工作位下滑100mm，自動啟動主油泵將閘門提升到全開工作位；如果提升無效，繼續下滑到150mm，自動啟動備用油泵將閘門提升到全開位，并發出聲光報警。

閘門具有同步糾偏功能：在開關門過程中，PLC自動檢測左右側閘門開度，并進行比較，當左右側閘門開度偏差值達到糾偏值，比例閥自動調整油缸的流量，閘門左右側的偏差值縮小，當偏差值縮小到零時，比例閥停止調整，使閘門保持同步運行；如糾偏無效，偏差值達增大到超差值（如觸摸屏設置30mm）時，自動停機并發出聲光報警信號。

圖5 泵組自動開停機控制流程

2.4 遠程監視+網絡監控（全球眼）

通過上位機及遠程監視系統實現智能化監視。遠程監視軟件iVMS-4200是為嵌入式網絡監控設備開發的軟件應用程序，該軟件操作界面較為友好，能方便運行人員及時調看實時畫面、追查過往畫面。客戶端為管理設備和其他模塊的核心模塊；包括設備管理、回放、預覽、電視墻、電子地圖等功能。存儲服務器：錄像服務器，用于存儲和備份錄像。 編碼卡服務器：管理編碼卡并且提供相應的網絡服務。解碼卡服務器：管理編碼卡并且提供相應的網絡服務。流媒體服務器：轉發實時的音視頻流，減輕設備的網絡壓力。

全球眼即網絡視頻監控，基于寬帶網的圖像遠程監控、傳輸、存儲、管理的功能。將分散、獨立的圖像采集點進行聯網，實現跨區域、全國范圍內的統一監控、統一存儲、統一管理、資源共享，為水利智能調度的管理決策提供一種直觀、擴大視覺和聽覺范圍的管理工具，提高工作效率。

2.5 安全性策略

工業自動控制系統安全可靠作為系統的首要原則，所有電氣設備元器件必須性能可靠，遵循現地優先的原則。安全性保障：在設備調試、檢修階段，以及在PLC自動操作失靈的情況下，將控制開關打在“手動”位，采用手動常規的繼電器控制方式，可實現閘門的單步啟閉門控制：操作油泵電機啟動按鈕→油泵電機空載運行→操作開門或關門按鈕→開門開啟提升或閘門關閉下降（采用手動調速閥同步控制）→到位停止→操作油泵電機停止按鈕。在手動方式下，現地自動及遠方計算機監控系統操作無效。

網絡安全性策略，為實現網絡安全本方案設置有：賬戶和密碼的訪問控制策略、防火墻USB口禁用、安裝防御軟件、出入機房管理、制定相關規章制度以及專業人員保障。建議配置獨立網關、相關重要信息可以使用信息加密。

安全冗余量，為了實現系統安全運行，增加冗余節點。手機端、控制器端、工作站端、交換機端、電源端實現了設備冗余。本方案主要進行了網絡、控制器、電源的冗余功能測試。

3 結語

本方案實現了遠程自動化監控節制閘的功能，有利于統一集中管理，查閱便利，隨手查看，有搭建成本低，便于維護，可適用于臨時應急預案等特點。通過手機控制實現了控制固定端轉向移動端，從一端控制轉向多端多地監控。結合日常設備常規養護，可以實現節制閘有人值守遠程控制，有人控制無人值守。

系統繼續優化空間：①自動引排水，自動設置液位停止引水，根據調水方案自動調整引排水策略，設置延時啟閉閘門，實現手自動無擾切換。啟閉閘門邏輯判斷：可以根據內河水位高度，內外河水位差及上升下降趨勢控制引排水。引入農歷制潮汛判斷，CCTV視頻動態監控配合閘門自動啟閉，應急停止。②自動控制方案結合模糊控制，通過大數據智能調度建立從分散到集中式管理。③通過電腦端將系統設置的報警同時發送到運值人員手機進行報警，以及從本站到調度中心以及總局的多級報警。