南盤江上游河道閘門遠程控制系統設計

李 蓉

(曲靖市水務局，云南 曲靖 655000)

農業灌溉用水在我國水資源利用中占有很大的比例，因此，在水資源日益短缺的今天，提高農業用水的利用率是非常重要的。隨著計算機技術、數字控制技術、網絡通訊技術的發展，工業自動化控制系統已進入一個全新的時代。采用新技術、新設備對水利水閘設備進行現代化改造和智能化建設是歷史發展的必須趨勢。水利現代化和智能化建設是實現資源共享、消除了信息孤島、減少了數據冗余，提高信息的可靠性和科學性。為正確決策提供了保證，同時也提高了水閘現化化管理水平，提高了水閘的工作效率。

1 基本情況

根據SL 171—96《堤防工程管理設計規范》、SLJ 703—81《水利工程管理單位編制定員試行標準》以及2004年9月8日曲靖市人民政府第26次常務會議通過的《曲靖市南盤江管理辦法》，南盤江沾曲段設置有4道節制閘，功能為擋水灌溉、防洪及泄流為主，調節流域內各水庫的聯合灌溉調度。沾益區、麒麟區河段分別設置河閘管理所，從上游依次為即東風閘、豐收閘、恭家壩閘，下橋閘。工程規模均為中型。具體見表1。

表1 南盤江上游各閘室基本情況

東風閘位于沾益區，控制逕流面積699km2，設計標準為30年一遇，Q設=277m3/s；校核標準為Q校=307m3/s。工程為橋閘結合，水閘3孔，閘底高程1858.00m，安裝3道8m×4.7m平板鋼閘門(閘底板每孔一塊，分為三塊)，安裝3臺型號為QPQ2×40T固定卷揚式啟閉機，一機一閘，配套安裝3臺型號為YZ225m-8，功率各為22kW電動機，總功率66kW；配電設施為單臺控制，電源為380V低壓電；該閘設計灌溉面積1.12萬畝。 豐收閘：豐收閘控制逕流面積1016.8km2，設計標準為20年一遇，Q設=271m3/s；校核標準為50年一遇，Q校=391m3/s。工程規模為中型，閘室為橋閘結合的鋼筋砼結構，設閘3孔，安裝10.0×3.8m露頂式弧形鋼閘門3道，安裝3臺QPJ- 2×16T手電兩用卷揚式啟閉機，設計流量294.0 m3/s，工程受益18個村委會、灌溉農田4.51萬畝。里程42+763.)

恭家壩閘：控制徑流面積1477.3km2，設計灌溉面積2.41萬畝，設計標準為20年一遇，Q設=348m3/s;設計流量454m3/s，30年一遇水深6.74m，河底高程1852.32m，護砌高度5.1m設計堤高7.5m.里程53+273。安裝有三道12×5.5米的弧形門節制閘，以，安裝3臺型號為PQP2×25T固定雙吊點卷揚式啟閉機，一機一閘，配套3臺型號為JZ242- 8，功率各為16kW電動機，配電設施為單臺控制，總功率48kW；電源為10kV，安裝一臺50KVA變壓器；橋3孔，孔口尺寸同水閘，橋長43.4m，寬7.7m，汽10級荷載設計。閘橋結合。

下橋閘：位于麒麟區越州鎮控制徑流面積為2238.5km2，設計灌溉面積1.72萬畝，設計流量595m3/s，30年一遇水深6.26m，河底高程1850.46m，校核標準為50年一遇，Q校=654m3/s。護砌高度4.4m設計堤高7.25m.里程68+550.;工程為橋閘結合，水閘7孔，閘底高程1850.46m，橋2座共7孔，孔口尺寸同對應水閘。其中：大橋共5孔，橋總長48m，寬8m；小橋共2孔，橋總長13m，寬5m。設計荷載均為汽15級。

安裝3道8m×5.2m弧形鋼閘門，3臺固定卷揚式啟閉機，啟閉機型號無，一機一閘，配套3臺型號為JZ21- 6，功率各為5.5kW的電動機，總功率16.5kW；電源為10kV，安裝一臺50KVA變壓器；

2 建設現狀及問題

2.1 現狀分析

根據南盤江上游段治理保護工作需求，閘門自動控制系統需要實現遠程控制南盤江上游東風閘、豐收閘、恭家壩閘、下橋閘升降，功能包括定時升降、手動控制升降、閘門升降量控制等。系統應具有通用性，被控閘門包括平板門、弧型門、液壓門或快速門等。遠程河道閘門自動控制系統應以安全、穩定、可靠為原則，符合“無人值班，少人值守”的管理理念。滿足閘門管理人員及水利部門領導無需親臨現場，在個人工作站上即可查看各閘門及輔助設備狀態，全面快速地掌握整個系統的運行工況，以及操控閘門運行，及時有效地做出決策，指導現場工作。

2.2 必要性分析

作為重要的水利工程設施，閘門系統在水資源的合理調度和管理中起著不可代替的作用。閘門承擔著區域性的防洪、灌溉、調水、和抗旱減災，以及工農業用水和城鄉居民生活供水等方面發揮著重要作用，但同時也加重了閘門的日常管理任務。特別是汛期暴雨期間，道路泥濘，電線中斷等事故，此時更是防洪的關鍵時期，必須保證閘門的合理控制，才能有效的控制洪水。將計算機自動控制系統引入閘門管理工作中，用GPRS網絡來實現遠程的通訊，不僅能夠減輕勞動強度，還能為水閘的穩定可靠運行提供保障，全面提高了水閘的管理效益和管理水平。

遠程河道閘門自動控制系統主要用于河道、供水渠的閘門控制，以分散控制與集中控制相結合，采用分層、分布式網絡架構，通過數據接口的方式，將現場視頻監控、河道數據采集單元、現場地控制單元組成穩定、可靠的實時控制系統，同時集成水位、流量、視頻監控數據、閘控數據等，在監控大屏上實時展示。閘門管理人員及水利部門領導在中控室或遠程指揮室內，配合河道、視頻監控及實時閘門升降等相關數據即可完成對現場所有閘門的控制。此外，除了閘門實時控制外，系統具有定時控制功能，可對閘門進行智能化定時控制。使系統最終達到“無人值守、統一調度”的目標。

3 閘門遠程控制系統設計

3.1 系統原理

本文論述的閘門遠程控制系統是在嵌入式系統的基礎上，利用先進的自動化檢測技術、計算機技術以及網絡通信技術，對遠程閘門群進行準確、可靠的集中測量和控制。通過網絡的便利，在中心監控站建立現場閘控站設備、水情等情況的實時和歷史數據庫，以供水利部門、流域機構等相關部門進行水情監督和數據統計分析，為水資源的管理、水利工程的實施和防汛抗旱等工作提供實用可靠的信息。功能模塊化，網絡互聯化是新一代閘門遠程監控系統的特征和趨勢。通過對自動化技術、嵌入式技術和網絡通信技術的綜合使用，可以達到：

(1)提高設備運行的安全性、可靠性和穩定性，對閘門系統的運行狀態和現場設備的工作狀態進行實時監測，在異常情況發生時能夠及時處理;

(2)系統在硬件設計時留有一定的余地，使系統具有良好的可擴展性;

(3)能夠實現數據信 息的自動采集和傳輸，并將采集到的數據和信息存儲到中心監控站的數據庫中，以便于進行數據分析;

(4)通過 GPRS無線通信網絡，實現閘門控制系統的遠程監控。

整個閘門控制系統的包括3個部分:現場儀表設備、現地測控單元RTU和GPRS數據傳輸。各個部分分工明確，現場儀表設備主要包括各智能傳感器、電源、電機等，主要負責現場控制和數據的采集，并將采集的數據輸入至RTU，RTU則存儲當前數據信息，在接收中心站命令之后，根據命令信息，控制現場設備或者傳輸現場信息至中心站。在整個系統的實現過程中，RTU起著關鍵性作用，其承載著現場儀表和中心站之間的數據通信，因此，RTU的正常運行是整個系統良好運轉的基礎。同時，GPRS數據傳輸保證數據以及指令的準確傳達，也是系統實現的重要保障。現場閘控站原理圖如圖1所示。

圖1 閘控站原理圖

3.2 功能特點

(1)閘門遠程控制

基于現地控制設備的通信協議，采用數據接口的形式對河道閘門進行遠程控制。同時，集成各類實時監測數據和視頻監控，實現對閘門啟閉的可視化操控。

(2)閘門運行監測

利用各類金屬結構監測傳感器以及遠程數據通信接口，實現閘門數據的實時采集，包括應力、開合度、啟閉高度等。

(3)河道監測

通過布設在河道中的各類監測儀器采集河道水位、流速、流量等數據，并實時展示，幫助閘門操控人員對閘門運行進行決策判斷。

(4)視頻監控

集成現場閘門監控視頻畫面，實時掌握閘門運行及河道情況。

3.3 閘門遠程控制系統組成

閘門遠程控制系統主要由現地控制層、數據傳輸層和遠程監控層三部分組成。現地控制層主要包括:現場測控單元RTU、傳感器(水位計、閘位計)、LCD顯示;數據傳輸層則由GPRS通信網絡實現，主要完成RTU與中心站的數據交換;遠程監控層主要包括:中心監測站監控主機以及監管手機等，負責接收發送數據和指令。后，通過采集閘位計、水位計、按鈕信號等當前信息，再按命令目標，發出控制信號或數據傳送信號，實現實時監視、遠程控制、現地控制、手動操作以及報警等功能。

RTU 功能:RTU接收到由分中心站發來的遠程命令或現場操作命令后，通過采集閘位計、水位計、按鈕信號等當前信息，再按命令目標，發出控制信號或數據傳送信號，實現實時監視、遠程控制、現地控制、手動操作以及報警等功能。

數據遠程傳輸系統:主要用于現地RTU與中心監控站之間的數據通信。在本系統設計中，現地RTU將采集到的數據通過GPRS方式發送到中心監控站，同時將中心監控站發出的控制指令發送到現地RTU，達到遠程測控目的。管理人員可在通過現場的LCD顯示以及中心站的界面顯示來觀察現場數據情況。

中心監控站負責接收數據以及發送指令。

基于ARM處理器的RTU的軟硬件設計，以及GPRS數據傳輸的實現。根據系統應用需求，完成現地數據采集和控制任務，并實現故障診斷和控制保護等功能;利用GPRS 無線通信網絡，通過GPRS與中心監控站聯系，實現中心監控站的遠程控制以及中心站與RTU的數據交換;軟硬件低功耗的研究。

3.4 業務架構

南盤江上游河道閘門遠程控制系統總體架構分數據采集、數據管理與分析、應用服務三個層次，最終達到閘門數據的自動化采集、閘門所處水道數據采集、閘門數據的統一管理與分析、閘門遠程控制及監控，如圖2所示。最終為曲靖市“數字水利”順利運行提供相關水資源調度和監測支撐。

圖2 業務框架圖

其中，數據采集包含儀器采集和人工采集，涵蓋水位數據、流量數據、閘門監測數據、視頻數據等，依托于“數字水利”平臺的水利大數據體系完成；數據管理與分析分為依托于“數字水利”平臺的水利大數據體系對系統所收集數據進行管理，同時在“水利大腦”智慧應用支撐體系的基礎上完成相關數據的分析運算；應用服務包括閘門遠程控制、閘門運行監測、閘門所處水道水資源監測等。

3.5 系統架構

基于數字黃登的庫壩管控系統分為基礎設施層(數據采集)、數據庫、應用支撐層和應用層，如圖3所示。

圖3 系統架構圖

4 功能實現

4.1 綜合信息監控展示

綜合信息展示是為把握全局的決策者與管理者服務的[3]。前期的數據采集、存儲、分析運算等工作，都是看不見摸不著的，而大屏幕可視化是決策者與數據直接對話、完成決策的載體。具有超大畫面、視網膜級的高分辨率、強大的大屏多屏操作模式等優勢，讓大屏交互更輕松。大屏幕顯示系統已經成為信息可視化不可或缺的核心基礎系統。

基于實時數據和視頻的綜合信息展示集成監控數據，監測數據以及其他業務數據于一屏，為閘門操作人員、管理者與決策者提供全方位的大數據動態集成展示。

綜合信息監控展示通過大屏集中展示閘門地控現場實時傳感器和視頻監控的數據，直觀的觀測閘門在運行過程中的各項數據。同時利用高速計算設備和先進的預警算法，可實時計算出閘門運行安全閾值數據，并對危險數據進行預警。

4.2 閘門控制模塊

閘門控制模塊可遠程操控閘門啟閉機啟停，分為上位機層和現地控制層[1- 2]。如圖4所示。

圖4 閘門控制模塊架構

上位機層：通過控制程序和API接口集成現地控制層的地控單元，實現對所有現地控制單元的集中控制與監視，提供系統的宏觀控制，協調各閘門的運行、處理局部發生的事故和緊急狀況，維護系統的整體協調。

現地控制層：由分布于各個閘門控制室已有的現地控制單元(LCU)組成。現地控制單元由可編程控制器、閘門測控儀、控制電器、邏輯保護電路、操作按鈕、狀態指示燈、電流電壓顯示表等組成，成套于各機柜內。各機柜通常安裝在閘門啟閉機房，直接面向現地設備，控制閘門，油泵，啟閉機的動作，采集現地數據，上送集控級，并獨立或按照集控級的命令進行系統控制和監視。

4.3 閘門運行監測

該模塊主要對閘門運行的各項監測數據進行管理，包括應力監測、開合度監測、閘門狀態監測、閘門荷重監測數據等，在“數字水利”平臺的水利大數據體系的支撐下，實現這類歷史閘門運行數據管理、預警及報警數據管理、操作記錄管理、圖表展示和統計報表生成。

4.4 河道監測

該功能的監測對象為處于河道閘門前后方的水位、流速、流量數據，實時監控閘門啟閉前后的數據變化情況。并可在曲靖“數字水利”水利大數據以及“水利大腦”智慧應用支撐體系的支持下，通過分析監測數據，實時判斷閘門啟閉操作和運行過程的影響程度，同時發出預警預報，生成輔助決策。

4.5 視頻監測

通過用戶端和瀏覽器針對所轄區域內任一攝像機的實時視頻進行查看，用戶可利用區域、專題、異常告警、責任轄區等多種篩選條件，在同一屏幕上同時調閱多個視頻影像，或是針對單一視頻影像進行全屏幕播放，包含河道、閘門、地控室等。另外，如用戶欲了解某一區域內實時現場情況，可利用地圖查看視頻位置，并自行選擇愈查看之實時影像，實現全方位、多視角、無盲區、全天候式監控。視頻監控界面，主要實現對閘門所處河道監控、特殊點位監控等，包含云臺控制，攝像頭列表，包含回放，暫停監控，開始錄像，拍攝照片等功能。

5 結語

通過該系統，匯集閘門運行監測數據、河道監測數據、視頻監測數據、閘門控制信息等河道閘門操作運行關鍵數據。實現了水利信息化和自動化在運維期智能化管控的延伸，進一步提升水利行業日常管控工作效率和管理決策水平，為水利調度長周期穩定運行奠定基礎。為水資源的合現調度提供數據基礎。