自動化測控系統(tǒng)在菏澤水閘工程中的運用

周衛(wèi)國

（菏澤市水利工程管理站 274000）

水閘自動化測控程度是衡量水利工程管理水平的重要標(biāo)志。目前，菏澤市大中型節(jié)制閘都靠人工現(xiàn)場操作，運行維護(hù)勞動強(qiáng)度大、人為干擾因素多；數(shù)據(jù)采集周期長，受人為因素影響誤差大，難以全面、及時地了解節(jié)制閘運行工況。為解決上述問題，市水利局進(jìn)行了專題研究，決定立為年度項目研究課題，組建項目研究組，并從2009年6月開始，陸續(xù)在市管河道上的楊店、馬莊、張衙門、徐寨、于樓、毛張莊6座節(jié)制閘上進(jìn)行了系統(tǒng)安裝調(diào)試，總投資180余萬元。通過實施水閘遠(yuǎn)程自動化測控可使各級領(lǐng)導(dǎo)和水利工程管理部門隨時掌握水閘運行工況，及時了解水情數(shù)據(jù)，提高水閘運行調(diào)度的科學(xué)性、合理性，顯著提高水利工程管理水平。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國以及其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家很早就有了水庫和電站的大、中型閘門組的自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了庫水位、泵站、電站和引排水樞紐的計算機(jī)控制。我國在20世紀(jì)80年代初已開始這方面課題的探索和努力，引進(jìn)并消化吸收了多種運行設(shè)備，經(jīng)過10多年的研制和系統(tǒng)組建、運行，目前技術(shù)日臻成熟，初步達(dá)到工程實用化，但有些環(huán)節(jié)與功能需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。該系統(tǒng)技術(shù)與國內(nèi)同類技術(shù)比較情況見右表。

2 測控系統(tǒng)的技術(shù)原理

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

主要用于灌區(qū)、水庫、水電廠、河道、供水渠等的閘門控制及其他水利工程設(shè)施控制。

2.2 技術(shù)原理

利用遙測、遙控、數(shù)據(jù)通訊、微型電子計算機(jī)等技術(shù)手段來共同完成對目標(biāo)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)由中心控制站對下屬各子站閘門的運行管理（見圖1）。被控制的閘門可以是平板門、弧形門或快速門，運動方式可以是卷揚機(jī)方式、液壓方式或螺桿方式。該系統(tǒng)主要包括：菏澤市水利局水閘測控信息管理系統(tǒng)，楊店、馬莊、張衙門等節(jié)制閘閘管所水閘自動化測控系統(tǒng)，閘門控制室PLC測控終端，各種傳感器、測控模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，以及配套的自動化測控軟件等。

菏澤市水閘自動化測控系統(tǒng)與國內(nèi)同類技術(shù)比較表

a.在市水利局建立水閘自動化測控信息管理系統(tǒng)。以現(xiàn)有的水利綜合信息化硬件平臺為基礎(chǔ)，建立水閘自動化測控運行管理信息化軟件平臺，實現(xiàn)對閘門工況、水情、啟閉、故障等的全過程、全狀態(tài)監(jiān)測；依靠計算機(jī)圖形顯示功能和數(shù)據(jù)綜合分析功能，建立閘門工況、水情、啟閉、故障、管理信息等的圖形顯示模型和數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)水閘遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測及運行管理調(diào)度的智能化、自動化、直觀化和多媒體化；利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)上用戶自由瀏覽水閘動、靜態(tài)圖形及數(shù)據(jù)等信息，顯示內(nèi)容全面、清晰、美觀，信息更新周期短。

圖1 菏澤市水閘自動化測控系統(tǒng)技術(shù)原理

b.在各閘管所建立水閘自動化測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對閘門工況、水位、流量、管理信息水情、啟閉的全過程、全狀態(tài)測控，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立與水利局信息管理中心的“封閉”通訊系統(tǒng)，將閘管所數(shù)據(jù)上傳至水利局信息管理中心，閘管所水閘測控工作站具有清晰、完整的人機(jī)界面，并具有歷史數(shù)據(jù)存儲分析、語音報警、防盜監(jiān)控、24h自備電源等功能。閘門控制室設(shè)置PLC測控終端，通過光纜與閘管所計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)的采集和計算機(jī)的遠(yuǎn)程控制（見圖2）。另外，通過控制柜對閘門進(jìn)行自動操作，自動操作時通過計算機(jī)或顯示屏設(shè)置控制參數(shù)，自動完成閘門啟閉的全過程控制。

c.在每孔閘門上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)對閘門開度的實時監(jiān)測；在卷揚式啟閉機(jī)鋼絲繩上安裝旁壓式荷重變送器，在螺桿式啟閉機(jī)底座上安裝拉壓式荷重傳感器，實時監(jiān)測閘門荷重，避免因閘門卡住造成工程及設(shè)備損壞。

圖2 菏澤市水閘自動化測控系統(tǒng)功能界面

d.在閘門前后安裝超聲波液位計，實現(xiàn)對閘前、閘后水位的實時監(jiān)測。

e.通過PLC數(shù)字量輸入模塊，采集啟閉機(jī)控制柜內(nèi)的繼電器信號，實現(xiàn)對閘門啟閉機(jī)運行、停止、故障等狀態(tài)的實時監(jiān)測。

f.通過PLC數(shù)字量輸出模塊，控制啟閉機(jī)的啟?；芈罚瑢崿F(xiàn)對閘門啟閉機(jī)的上升、下降、停止的遠(yuǎn)程控制。

g.通過計算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程設(shè)定閘門的開度值，閘門啟閉運行時，到達(dá)設(shè)定值后自動停止運行。

h.建立閘門前后水位差及開度與過閘流量之間的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)檢測到的水位、開度數(shù)據(jù)計算出閘門的過閘流量。

i.通過實時檢測，綜合分析閘門啟閉過程中閘門荷重、閘門開度、電機(jī)電流等信息，智能操作閘門啟閉，對故障及時作出準(zhǔn)確判斷，適時采用必要保護(hù)措施并給予報警提示，保證閘門設(shè)備的運行安全。

3 測控系統(tǒng)的先進(jìn)性

該系統(tǒng)建成后，提高了工情數(shù)據(jù)采集的精度，提高了管理水平和工作效率，改善了運行人員的工作環(huán)境。通過信息共享和數(shù)據(jù)的計算機(jī)處理，提高了工情參數(shù)的利用深度，降低了供水管理成本，促進(jìn)了菏澤農(nóng)村供水管理的現(xiàn)代化，為防洪決策提供了有力的信息支持。既可以實現(xiàn)上下游水位的有線無線遙測，又可以通過以計算機(jī)為主體的控制系統(tǒng)實現(xiàn)水閘運行優(yōu)化調(diào)度，保證水利工程安全有效運行，發(fā)揮最大效益。

a.該系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的控制方式，調(diào)度中心設(shè)在閘管所的中控室，下層設(shè)有PLC測控單元，底層設(shè)有閘門開度、荷重、水位、流量等檢測儀表，在其生命周期內(nèi)應(yīng)能與其主流技術(shù)相兼容，測控軟件與互聯(lián)網(wǎng)完全兼容，為網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程分布式測控，兼容性、開放性較強(qiáng)。

b.市水利局信息管理中心與閘管所計算機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，閘管所計算機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)與閘門現(xiàn)場測控PLC通過高速工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，成功實現(xiàn)信息傳輸?shù)谋Ｃ?、防干擾、防病毒、防黑客等功能。

c.對過閘流量、下游水位、水閘運行、河道水情等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動監(jiān)測、分析、計算、存儲、備份并將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理后輸出各種報表和圖形曲線，可顯示水閘運行的各種實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、運行動態(tài)、操作記錄、故障記錄、數(shù)據(jù)資料分析等，計算機(jī)屏幕動態(tài)模擬顯示及水閘狀態(tài)監(jiān)控，工情參數(shù)、水閘水情、工況信息等在局域網(wǎng)上發(fā)布，信息共享。

d.科學(xué)應(yīng)用傳感器、電機(jī)等檢測與執(zhí)行裝置，監(jiān)測控制精度高。

e.信息收集及時，閘門調(diào)度穩(wěn)定可靠，閘控保護(hù)與配電保護(hù)設(shè)施完善，設(shè)計了多等級安全防護(hù)措施，對于不同部門的數(shù)據(jù)管理，設(shè)置不同的權(quán)限，以避免對數(shù)據(jù)的非法操作。系統(tǒng)各部件具有自檢和聯(lián)機(jī)診斷校驗的能力，提供完善的檢測維護(hù)手段，能準(zhǔn)確快速地進(jìn)行故障檢測和維護(hù)。故障自動診斷、檢測、報警，實現(xiàn)了節(jié)制閘螺桿啟閉機(jī)控制中閘門非正常制動、閘門啟閉過程故障自動診斷、閘門意外故障自動保護(hù)。為解決螺桿啟閉機(jī)在啟閉過程中，可能因閘門非正常制動造成的螺桿頂彎、機(jī)架橋梁頂斷等問題，在國內(nèi)首次采用了螺桿受力自動檢測計量設(shè)備、啟閉機(jī)電機(jī)電流自動檢測設(shè)備和綜合智能分析技術(shù)等，大大提高了水閘控制的安全性、可靠性。

f.系統(tǒng)反應(yīng)時間短，反應(yīng)速度快，管理人員能及時準(zhǔn)確了解工情、水情、閘情，并迅速作出決策和控制，工作效率高，達(dá)到閘門“無人值班（少人值守）”目標(biāo)。

g.有良好的可操作性，人機(jī)交互簡明直觀，功能實用，操作方便。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于閘門自動控制及用水計量管理，可供各級各地水利工程管理站點、水利工程公司的基層管理人員使用。該成果已非常成熟，擁有充足的技術(shù)推廣應(yīng)用人員和完備的技術(shù)材料，應(yīng)用成本較低。近年來國內(nèi)電力、油氣、電信、水處理、公用設(shè)施、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等基礎(chǔ)能源和新興產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，其規(guī)模大、地域分布廣，使如何對這些零散分布的設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通訊和資產(chǎn)管理成為一項重要的產(chǎn)業(yè)需求。隨著傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)，以及遙測、遙控技術(shù)的不斷發(fā)展，該閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用會更加廣泛，為灌區(qū)、水庫的調(diào)水、防汛產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益會更加明顯。

螺桿啟閉機(jī)在關(guān)閉過程中，極易造成螺桿壓彎，甚至機(jī)架橋梁頂裂等嚴(yán)重事故，是自動控制的難點和禁區(qū)。楊店、馬莊閘自動化改造的成功，標(biāo)志著水閘自動化控制技術(shù)提高到了一個新的高度，不僅為菏澤市水閘改造節(jié)省了大量資金，也將為國內(nèi)外同類水閘自動化改造做出重要貢獻(xiàn)。根據(jù)設(shè)計要求，目前閘門的啟、閉控制只限于各閘閘管所，其他沒有授予控制權(quán)限。如今后有這方面要求，可以打開有關(guān)功能?！?/p>