基于現代化技術的水利工程閘門安全運行管理研究

楊 涌

(塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處開都河下游管理站，新疆 郭楞 841000)

1 概 述

隨著經濟水平和綜合國力的不斷提升，我國水利工程建設進入了快速發展期。相較于其他工程建設來說，水利工程在施工建設質量及安全運行管理方面有著更高的要求。在此背景下，以計算機、通信及自動化控制為代表的現代化技術在水利工程建設及運行過程中得到廣泛應用和不斷創新。作為水利工程設施整體運行的重要組成部分，水閘安全運行管理水平的不斷提高是進行水情分析、安全防洪的重要基礎，而水閘安全運行管理水平的提高離不開現代化自動監控技術的充分應用。對于水利工程閘門的安全運行來說，自動化監控系統可以實時采集、更新和分析閘門的監控圖像信息，不僅可以實現對閘門安全運行情況的實時監控，而且可以進一步提高水利工程閘門的安全運行效果。本文以某水利工程閘門為對象，探討了現代化自動監控技術在閘門安全運行管理中的應用，以期為水利工程閘門自動監控技術的發展提供一定的參考。

2 整體設計方案

2.1 閘門工程參數

某水利工程閘門具體工程參數如表1所示，閘門立面如圖1所示。

表1 水利工程閘門工程參數

圖1 閘門立面(單位：cm)

2.2 自動監控系統設計方案

在日常運行過程中，該水閘起著引水、泄洪、通航等作用，因此其安全運行管理對于自動化監控要求更高更嚴。針對這一情況，為了滿足該閘門安全運行管理的實際需要，本文采用計算機+自動化控制相結合的現代化技術來構建閘門自動化監控系統，自動化監控系統整體框架如圖2所示。

由圖2可以看出，擬構建的閘門自動化監控系統整體結構上可分為監控中心和PLC控制單元兩部分，每一部分都有相應的構件組成且具有不同的功能。

圖2 閘門監控系統結構框

(1)閘門監控中心。以計算機為核心構件、接口設備和外圍設備為基礎構件共同組成閘門監控中心。其中，外圍設備采集到的數據通過接口設備輸入到計算機，計算機對數據進行分析之后再通過接口設備輸出至外圍設備，進而實現對閘門的全面監控。閘門監控中心主要功能如表2所示。

表2 閘門監控中心功能

(2)PLC控制單元。在閘門自動化監控系統中，閘門運行動力的提供、相關監控數據的采集、控制指令的發出均需通過現場控制單元來實現，此次設計的閘門自動化監控系統現場控制單元由三部分組成，具體功能如表3所示。

表3 PLC控制單元功能

3 監控系統設計實施

3.1 系統結構布置

對于該水利工程閘門，通過分層分布式的PLC(可編輯控制器)控制方式來構建閘門自動化監控系統，圖3所示為自動化監控系統拓撲圖。由圖3可以看出，閘門自動化監控系統可分為主控層、現地單元PLC控制層、閘門PLC控制層三個層次。其中，主控層即閘門監控中心主控室，現地單元PLC控制層通過現場總線以太網光纖的布設實現對現場設備的控制，閘門PLC控制層通過多個分布式PLC控制器對閘門運行進行控制，三個控制層協同作用可以有效提高閘門的安全運行效果。

3.2 閘門監控系統通信網絡的構建

在閘門安全運行的自動化監控過程中，現場分布的多個PLC控制器會定期采集可以反映閘門運行狀態的監控數據并傳輸至監控中心主控室，主控室對接收到的數據進行處理分析后會對現場PLC控制器發出相應的控制指令，現場分布的PLC控制器根據接收到的控制指令對閘門運行狀態進行控制。在閘門自動化監控系統中，閘門監控數據的采集、傳輸及控制指令的接發是通過通信網絡來實現的。自動化監控系統通信網絡的構建方式有多種，根據該閘門安全運行的實際監控要求，該監控系統通信網絡采用WinCC構建方式。相對于其他通信網絡構建方式而言，WinCC的通訊結構有著自身優勢。采用WinCC通訊結構構建通信網絡時，WinCC首先在主程序建立變量管理器用于存儲和處理網絡數據，然后可根據已確定的網絡通信協議選擇WinCC驅動程序和組態邏輯進行連接，這樣就可以實現整個監控系統的網絡通信，通過WinCC通訊方式構建通信網絡的流程框圖如圖4所示。

圖3 閘門自動化監控系統拓撲圖

圖4 WinCC通信結構

3.3 PLC控制器的選型

由上述可知，通過監控系統的現場控制單元對閘門的運行狀態進行控制,僅通過單一的現場控制器是遠遠無法實現的，而是需要通過監控系統中的多個模塊共同作用來實現的。因此，閘門安全運行自動化控制是一個多模塊協同作用、精準、可靠的控制過程，這對于各模塊的功能有著很高的要求，尤其對閘門現場控制器這一用于接收控制指令對閘門運行狀態進行直接控制的模塊的選用要求更高。自動化監控系統控制器可選用的類型有多種，其中以單片機控制器和PLC控制器為主。PLC是目前自動化監控系統中應用最為廣泛的控制器類型，相比于其他類型的控制器，PLC控制器的應用更具有優越性。首先，PLC控制器對于不同惡劣程度的現場環境都有著較好的適應性，對于自身控制功能的影響較??； 其次，PLC控制器在數據處理及聯網通訊方面與其他工控機都能進行很好地結合，形成的控制系統可靠性更高； 最后，PLC控制器通過已編程序進行控制易于實現、改擴及I/O接口的擴展，使其能夠對不同現場環境及因素具有較強的抗干擾能力。經過多方面綜合比較，該水閘工程自動監控系統設計選用的是德國西門子公司生產的S7系列中的MYM7-200 PLC控制器作為本次閘門自動化監控系統的現場控制器，S7-200PLC控制器具體CPU類型如表4所示。

表4 S7-200 CPU類型

3.4 閘門監控系統組態軟件的選擇及功能

隨著科學技術的不斷發展，組態軟件已經在工業控制系統中占據著重要地位。對于閘門自動化監控系統來說，閘門安全運行狀態的整個監控過程是依靠組態軟件來實現的。組態軟件實現對整個監控過程的控制的具體功能如表5所示。

表5 組態軟件功能特點

經過綜合比較和選擇，確定該水利工程閘門監控系統組態軟件為SIMATIC WinCC， WinCC組態軟件由不同的子系統組成。各子系統功能如表6所示。

表6 SIMATIC WinCC組態軟件子系統及功能

4 結 論

在水利工程運行過程中必須采取相應手段及時發現并解決閘門安全運行所存在的問題，加強閘門安全運行的監管力度，切實提高閘門運行安全管理水平。因此，在水利工程閘門安全運行過程中要充分利用現代化技術，切實加強對閘門安全運行狀況的監控。提高水利工程閘門自動化控制水平，對于水利工程閘門安全運行管理水平的提升具有顯著增強作用。