長(zhǎng)距離輸水現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能

李 可

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

國(guó)內(nèi)某大型水利工程全長(zhǎng)1431.945 km，輸水干渠包括總干渠長(zhǎng)1276.414 km?？偢汕斔问揭悦髑橹?，局部布置管涵。渠道運(yùn)行控制采用節(jié)制閘閘前常水位控制方式，可基本自流輸水。

1 系統(tǒng)概述

本工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)閘站系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是基于分層思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整體結(jié)構(gòu)布局上可設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)。

現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)對(duì)需監(jiān)控的對(duì)象需配備一臺(tái)工控機(jī)和一套PLC，各現(xiàn)地閘站監(jiān)控站點(diǎn)的信息及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)或通訊協(xié)議模式，使用多芯線纜或銅芯雙絞線連接至PLC，在現(xiàn)地機(jī)房?jī)?nèi)搭建局域網(wǎng)使PLC和工控機(jī)在現(xiàn)地局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)互讀及通信傳輸，組成現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)?，F(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控系統(tǒng)的各現(xiàn)地控制單元(LCU)既作為閘站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層，向遠(yuǎn)方調(diào)度中心站監(jiān)控系統(tǒng)上行發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受遠(yuǎn)方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)的下行命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，又能獨(dú)立于遠(yuǎn)方調(diào)度中心閘站監(jiān)控系統(tǒng)自主操作[1]。

遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)及現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)雙網(wǎng)方式的監(jiān)控專網(wǎng)相連，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?shí)時(shí)性和安全性。

閘站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閘站監(jiān)控系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖2。

圖2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)配置備一臺(tái)工控機(jī)和一套PLC，各監(jiān)控站點(diǎn)的信息及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)或通訊協(xié)議模式，使用多芯線纜或銅芯雙絞線連接至PLC，PLC和工控機(jī)連接至機(jī)房搭建的局域網(wǎng)內(nèi)建立現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)[2]。

現(xiàn)地閘操作管理站監(jiān)控子系統(tǒng)由冗余PLC和非冗余PLC兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，冗余PLC結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 冗余PLC結(jié)構(gòu)圖

非冗余PLC結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 非冗余PLC結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)地站PLC主機(jī)和工控機(jī)均位于現(xiàn)地閘站的監(jiān)控室內(nèi)，它們通過(guò)通信機(jī)房的交換機(jī)接入監(jiān)控專網(wǎng)。遠(yuǎn)程I/O模塊布置在啟閉機(jī)室和監(jiān)控室，每個(gè)閘門和降壓站配置一套遠(yuǎn)程I/O模塊。PLC主機(jī)和降壓站遠(yuǎn)程I/O模塊合并組屏。一般水位、流量、溫度等公共傳感器接入1#閘門的遠(yuǎn)程I/O模塊，對(duì)于倒虹吸出口節(jié)制閘閘前的水位接入相應(yīng)閘孔的啟閉機(jī)遠(yuǎn)程I/O模塊。中心開(kāi)關(guān)站電力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于冗余PLC需通過(guò)485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，接入現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于非冗余PLC，可以直接通過(guò)PLC的485端口，接入現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

本系統(tǒng)每站配置一套PLC主控制器，每站各閘門的遠(yuǎn)程I/O和降壓站遠(yuǎn)程I/O能連接到本站的PLC主控制器。PLC控制柜安裝在監(jiān)控室，現(xiàn)地遠(yuǎn)程/IO控制柜安裝在啟閉機(jī)室。

3 監(jiān)控內(nèi)容

不同結(jié)構(gòu)的閘，所需監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息大同小異，各類結(jié)構(gòu)類型的閘需依據(jù)水量調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)行等實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行精確監(jiān)控，現(xiàn)地站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息僅是閘站的監(jiān)控范圍的子集。

對(duì)于常規(guī)的涵閘，監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息需包括如下方面：閘前水位、閘后水位、瞬時(shí)流量、閘門啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)啟高度、動(dòng)力控制箱內(nèi)電流、電壓、溫濕度、相序故障，機(jī)械及電氣限位信號(hào)、閘門超載、欠載等信息。啟動(dòng)回路如未配相序保護(hù)器將無(wú)償配置[4]。

基于保證干渠水位測(cè)量信息的準(zhǔn)確性、可靠性的目的，安裝在倒虹吸出口側(cè)的節(jié)制閘，可根據(jù)實(shí)際需求虹吸側(cè)按孔數(shù)配置水位計(jì)，在節(jié)制閘后布置2臺(tái)水位計(jì)。對(duì)于在倒虹吸出口工作閘后布置一臺(tái)水位計(jì)。退水閘只測(cè)量一個(gè)閘上水位，不測(cè)閘下水位；分水閘測(cè)量一個(gè)閘前水位和一個(gè)閘后水位；對(duì)于退水閘與分水閘的水位計(jì)安裝位置不盡相同，前者只在閘上安裝測(cè)量，而后者閘前閘后均需安裝。同時(shí)，節(jié)制閘和分水閘需安裝流量計(jì)測(cè)量瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、水溫等數(shù)據(jù)。

液壓式啟閉機(jī)的特性與卷樣式大相徑庭，需對(duì)液壓缸壓力、油溫、液壓油油位、壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息監(jiān)控。

各類閘(閥)的主要監(jiān)控內(nèi)容：

(1)公共信息：水位、流量(節(jié)制閘和分水閘)等。

(2)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)：控制方式、油泵狀態(tài)、閘門狀態(tài)、油壓、油位、糾偏、安全保護(hù)、電流、電壓和電源故障。

(3)卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)或閥門：控制方式、安全保護(hù)、閘門狀態(tài)、電流、電壓和電源故障。

(4)中心開(kāi)關(guān)站：35 kV部分通過(guò)中心開(kāi)關(guān)站的電力監(jiān)控子站采用通信方式交換信息；0.4 kV部分由閘站監(jiān)控PLC通過(guò)I/O接口或數(shù)據(jù)通信方式直接從設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集[5]。

(5)降壓站：35 kV部分的信息已通過(guò)遠(yuǎn)方終端模塊上送到所屬的中心開(kāi)關(guān)站的電力監(jiān)控子站，該部份信息現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)不再采集；0.4 kV部分由閘站監(jiān)控PLC通過(guò)I/O接口或數(shù)據(jù)通信方式直接從降壓變電站設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集[2]。

在閘門上游水位分別為7 m和4 m的情況下，閘門開(kāi)度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，在不同的水位情況下，把閘門分為23個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)到瞬時(shí)流量值。

表1 閘門開(kāi)度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)表

結(jié)果分析如下，圖5中上面的曲線表示引水水位7 m時(shí)的流量曲線，下面的曲線表示引水水位4 m時(shí)的流量曲線，根據(jù)曲線可知當(dāng)閘前引水水位降低時(shí)，調(diào)整相同的閘門開(kāi)度，流量受水壓等因素影響變化趨緩。

圖5 閘門開(kāi)度與流量監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)曲線圖

4 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控功能劃分：工控機(jī)監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控、PLC監(jiān)控和啟閉機(jī)現(xiàn)地控制柜監(jiān)控。

(1)工控機(jī)監(jiān)控

工控機(jī)監(jiān)控涵蓋多項(xiàng)功能：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、動(dòng)作控制、歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)及存儲(chǔ)和、管理維護(hù)。其功能組成見(jiàn)圖6。

圖6 工控機(jī)功能組成圖

1)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)的主要四項(xiàng)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、告警、模擬、趨勢(shì)。

a)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)閘門啟停閉狀況、引水工況、電力及環(huán)境狀況、超限告警和PLC運(yùn)行狀態(tài)五類數(shù)據(jù)。

b)告警

彈窗或聲光提示超限、超載欠載、動(dòng)力回路錯(cuò)相、電壓異常控制系統(tǒng)故障、水位超限等各種告警信息；顯示閘門啟閉、流量變化、溫度區(qū)間變化異常等一些重要事件。

顯示的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括：告警時(shí)間、告警位置、告警值、限制值和閘站點(diǎn)位。

c)模擬

運(yùn)用于水位模擬。以閘站示意圖為背景，以圖形方式顯示實(shí)時(shí)水位，模擬水位變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

d)趨勢(shì)

選擇任意時(shí)間段，顯示本閘站在指定區(qū)間內(nèi)的水位、流量、電流、電壓等數(shù)據(jù)的曲線圖。

2)控制

控制就是向PLC發(fā)送控制命令，完成閘門的啟閉操作。一般情況下，由于現(xiàn)地站沒(méi)有水量調(diào)度業(yè)務(wù)，其不會(huì)對(duì)閘門進(jìn)行控制。只有在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障、網(wǎng)絡(luò)不通或發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)，才會(huì)使用系統(tǒng)的控制功能?？刂瓶梢砸匀斯そ换サ姆绞竭M(jìn)行，也可以通過(guò)讀取控制指令序列，來(lái)自動(dòng)向向PLC發(fā)送控制指令[6]。

閘門控制指令分為的兩類：開(kāi)高限定指令和流量限定指令。

a)開(kāi)高限定指令

對(duì)所控制閘門進(jìn)行強(qiáng)制性的閘門啟閉，需直接說(shuō)明要控制閘門的孔號(hào)、啟/閉以及啟閉高度。

b)流量限定指令

為了滿足給定的閘站引水流量，在閘門開(kāi)度計(jì)算模型的支持下，計(jì)算出需要啟閉的閘門以及啟閉高度。

3)查詢統(tǒng)計(jì)

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，通過(guò)查詢條件篩選查找、尋找出想要的信息。在查找結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整理、分析等的統(tǒng)計(jì)信息。最終將數(shù)據(jù)以可視化的方式展現(xiàn)給用戶。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

隨著全球數(shù)字化時(shí)代的不斷發(fā)展和相關(guān)存儲(chǔ)技術(shù)的成熟落地，具備用數(shù)據(jù)說(shuō)話，用數(shù)據(jù)決策的能力，是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也是公司的軟實(shí)力。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)因在數(shù)字化時(shí)代中扮演著數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的作用，其顯得尤為重要。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)開(kāi)放的接口為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊提供數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)混合的方式將數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)在服務(wù)器上并對(duì)用戶增加、修改、刪除、查詢請(qǐng)求進(jìn)行最優(yōu)處理，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包含采集和控制相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采集的數(shù)據(jù)會(huì)附加編號(hào)、所屬級(jí)別、時(shí)間、描述、數(shù)值等?？刂频臄?shù)據(jù)會(huì)附加編號(hào)、所屬級(jí)別、操作時(shí)間、操作用戶、操作描述。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式配置靈活，主要包含以下方式：時(shí)間存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)變化存儲(chǔ)。

a)時(shí)間存儲(chǔ)：在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

b)數(shù)據(jù)變化存儲(chǔ)：如閘門開(kāi)度、水位、流量、溫度、壓力、控制命令等數(shù)值發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5)管理維護(hù)

管理維護(hù)的主要功能包括用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、代碼管理、PLC管理等。

(2)觸摸屏監(jiān)控功能

觸摸屏監(jiān)控主要功能包括：監(jiān)測(cè)和控制。

1)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)的主要功能包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和告警。

a)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容分為閘門狀態(tài)、供電狀態(tài)、自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)水信息(水位、流量)、系統(tǒng)告警信息(故障報(bào)警、操作記錄、權(quán)限提示)。

b)告警

閘門過(guò)上下限位、荷重異常、過(guò)壓、過(guò)載、PLC系統(tǒng)自診斷故障、水位超出警戒值、操作記錄、權(quán)限不滿足等告警信息。

2)控制

控制就是向PLC發(fā)送控制命令，完成閘門的啟閉操作。一般情況下，由于現(xiàn)地站沒(méi)有水量調(diào)度業(yè)務(wù)，其不會(huì)對(duì)閘門進(jìn)行控制。只有在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障、網(wǎng)絡(luò)不通或發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)，才會(huì)使用系統(tǒng)的控制功能。控制以人工交互的方式進(jìn)行。

(3)PLC監(jiān)控功能

PLC作為閘站監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算控制的核心，它監(jiān)控管理著被控設(shè)備并服務(wù)于上位機(jī)軟件系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)不僅僅是PLC，系統(tǒng)內(nèi)包含開(kāi)度、荷重、行程開(kāi)關(guān)、水位、流量等傳感器和繼電器、接觸器等執(zhí)行器，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)在監(jiān)采集視處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能同時(shí)滿足控制的需要。數(shù)據(jù)采集與處理、閘門控制、安全保護(hù)、控制切換、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等功能。其功能組成見(jiàn)圖7。

圖7 PLC功能組成圖

1)數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集來(lái)源主要分為無(wú)源觸點(diǎn)狀態(tài)、模擬量信號(hào)、串口通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊等方式。無(wú)源觸點(diǎn)狀態(tài)接入開(kāi)入量模件來(lái)采集閘門系統(tǒng)的遠(yuǎn)方、上限位、上升等開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。模擬量信號(hào)接入PLC的模入量模件，一般模擬信號(hào)以4 mm～20 mm或0～5 V來(lái)表示水位、流量、閘位、溫度、電流、電壓等模擬量信號(hào)。串口或網(wǎng)絡(luò)通訊一般接入通訊模件的串行或網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)通訊地址和通訊規(guī)約采集流量、流速、溫度等數(shù)據(jù)。

2)控制

接收各級(jí)站點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制命令，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的權(quán)限所有者判斷當(dāng)前命令來(lái)源是否具備執(zhí)行權(quán)限，具備條件正常執(zhí)行，不具備條件退出執(zhí)行并反回提示信息，執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)工況的各種要求進(jìn)行邏輯判斷，不滿足退出流程提示報(bào)警信息，滿足成功執(zhí)行提示執(zhí)行成功。

3)安全保護(hù)

PLC系統(tǒng)中的安全保護(hù)主要根據(jù)閘門特性通過(guò)相關(guān)傳感器采集的信號(hào)，通過(guò)開(kāi)度、荷重、過(guò)載邏輯關(guān)系判斷對(duì)閘門本體、電機(jī)、電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)等。

4)控制切換

在PLC控制柜通過(guò)軟按鈕或硬按鈕的設(shè)置方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/現(xiàn)地、自動(dòng)/手動(dòng)切換，當(dāng)遠(yuǎn)方和自動(dòng)在時(shí)，由遠(yuǎn)方系統(tǒng)控制。當(dāng)現(xiàn)地和遠(yuǎn)方在時(shí)，由現(xiàn)地柜觸摸屏通過(guò)PLC控制。當(dāng)現(xiàn)地和手動(dòng)在時(shí)，由現(xiàn)地柜按扭控制。

5)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

PLC系統(tǒng)內(nèi)的PLC的心跳網(wǎng)絡(luò)模塊監(jiān)測(cè)冗余模塊的主模塊是否在正常運(yùn)行，如果不在運(yùn)行，備用模塊立刻將執(zhí)行權(quán)限交給備PLC執(zhí)行，并提示告警信息。

6)冬季在柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，啟閉閘門需切除節(jié)制閘(工作閘)融冰和現(xiàn)地站三級(jí)負(fù)荷，閘門停止啟閉后再投入融冰和三級(jí)負(fù)荷。

(4)啟閉機(jī)啟動(dòng)回路柜與現(xiàn)地遠(yuǎn)程I/O控制柜集成后能實(shí)現(xiàn)的主要功能

控制柜的面板上對(duì)各類啟閉機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能要求如下：齒桿啟閉機(jī)、卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)、螺桿啟閉機(jī)、電動(dòng)蝶閥的升、降和停止操作，電動(dòng)蝶閥開(kāi)、關(guān)和停止操作、開(kāi)度預(yù)置、聲光報(bào)警。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的油泵的起、停操作、閘門的升、降、停操作、進(jìn)行閘門開(kāi)度預(yù)置、閘門雙缸同步糾偏、閘門沉降的自動(dòng)回升復(fù)位[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)閘門控制的自動(dòng)化技術(shù)起步較晚，但是近年來(lái)發(fā)展較快，自動(dòng)化在水利行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越成熟，本系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，數(shù)據(jù)采集量大，系統(tǒng)可靠性要求較高，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且運(yùn)行效果較好。