汾東水系鋼壩閘監控系統設計

劉小鋒

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 概況

隨著太原市經濟社會的不斷發展，尤其是西山、東山采煤活動的日益加劇，導致蘭村泉銳減、晉祠泉斷流，城區河流部分區段被覆蓋，邊山支溝成了排污渠，嚴重影響了太原市的生態環境和城市面貌，制約著全市經濟的可持續發展。因此，決定對東、西山進行綠化，對汾河支流實施美化整治，以實現水系連通，清水復流，恢復古城青山綠水。隨著太原市環城水系規劃的穩步推進，汾東水系一期清水復流工程提上議事日程。汾東水系清水復流工程擬在北沙河3.8 km的河道上設7座鋼壩閘，在南沙河3.6 km的河道上設7座鋼壩閘，在北澗河3.5 km的河道上設5座鋼壩閘。

鋼壩閘是一種可調控溢流閘門，由閘墩、帶固定軸的鋼壩閘門體、啟閉設備等組成。可以立閘蓄水，臥閘行洪排澇，壩頂過水時，形成人工瀑布景觀。

2 監控系統結構

鋼壩閘按“無人值守、集中控制”要求設計，集控中心設在北澗河下游，負責遠程監控3條河道上的19座鋼壩閘運行。系統以“集中控制、分層管理”為原則組成3層拓撲結構。

第1層為監控中心層。以工業交換機為核心，組成星形結構網絡。監控系統采用雙機冗余熱備方式，保證系統有較高的可靠性。每條河與集控中心構成一個環網，當環網發生一個光纖斷點或增加、刪除任意一個設備時，通訊仍能正常進行，監控主機可進行下位機軟件編程及調試。

第2層為現地控制層。每座鋼壩閘啟閉機室設現地控制站，以西門子系列S7平臺對現地設備數據采集、處理、發出指令。網絡采用星形拓撲結構，以6類雙絞線為傳輸路由，通過1 000 Mb/s以太網光端機實現數據的高速傳輸。

第3層為現地設備層。利用PLC輸入輸出模塊對控制柜中的啟閉機起動器和其他智能設備進行多點通訊。采用總線電纜通訊方式，實現現場離散設備與PLC之間的數據傳輸，PLC可以自動監測設備的運行狀態，并對設備自動控制。

3 監控系統設計

3.1 控制系統

上位機監控系統采用西門子系列編程軟件，實現各個設備間的數據共享、子站地址分配，對整個監控系統程序的控制邏輯進行編程。S7-Micro具有豐富易學的指令集，為操作員提供功能強大、操作方便的人機界面。可完成系統的數據分析、監控設備運行狀態、顯示電氣參數、水位和閘門開度，并以圖形或報表的方式實時顯示并記錄、打印事件。

現地控制柜內有電機保護裝置、控制裝置、電氣測量裝置、可編程控制器（PLC）、閘門開度顯示儀、液壓系統有關的其他顯示儀、面板操作單元、電源裝置以及通訊接口單元等。PLC采用帶電熱插拔功能的S7系列模塊，通過模塊故障自檢功能使故障瞬間反應在上位機系統，極大地提高了鋼壩閘監控系統效率，實現了數據采集、設備控制、故障報警等功能。

3.2 驅動系統

鋼壩閘采用液壓啟閉機驅動閘門底橫軸方式，在啟閉機控制盤上設有閘門開度檢測裝置及其他智能裝置，可編程控制器采集信息并上傳數據，上位機根據此數據對閘門工況進行嚴密監視。

閘門正常運行時，由于風浪等因素可能引起啟閉機荷載變化而造成閘門失速，系統應迅速平穩地調整活塞桿速度、油壓等參數，以免出現沖擊和振動。

鋼壩閘啟閉時兩端油缸行程會產生一定偏差，很容易造成閘門卡堵、扭曲變形甚至損壞。因此，油缸行程傳感器專門檢測兩端液壓缸的行程偏差，當偏差值在15～35 mm之間時，液壓系統自動調整液壓缸的進、出油量，使液壓缸同步。當偏差值不小于35 mm時，電機自動停止并發出聲光報警信號上傳至監控中心。

閘門在預定位置局部開啟泄流時，應由液壓穿軸鎖定系統進行鎖定，使整個液壓缸卸載。整套穿軸鎖定動作可進行遠程控制、操作。閘門上下端都安裝了限位開關，保證閘門在全開（關）位置時運行安全。

監視啟閉機投入命令是否執行和油泵是否正常運行，并把數據傳到上位機。

3.3 視頻系統

根據需要共設19臺彩色轉黑白高清智能勻速球攝像機，置于每座鋼壩閘旁。在監控中心能控制前端的云臺和攝像機鏡頭焦距，可遠方清晰、直觀監視鋼壩閘運行及河道蓄水情況。

視頻監控系統由光端機、光纜終端盒、云臺、云臺解碼器、視頻矩陣、大屏幕、電視墻、硬盤錄像機，攝像機，視頻線纜等組成。所選攝像機具有防水防雷、高解晰度CCD及白天不偏色、低照時噪點小、層次感好等優點，能在各種惡劣的環境下正常工作。并配置了30個LED進行補光，保證了低照時的圖像效果，且恒流源控制線路充分有效發揮了LED性能，視頻信號、數據信號等可同時在大屏幕或電視墻上顯示，窗口的位置、大小任意移動，各窗口之間可以覆蓋、重疊且不受影響。監控人員可任意調取存儲的監控圖像，錄像資料的智能化檢索、回放。通過電子地圖的方式實時展現不同河道位置的鋼壩閘分布情況，從而對鋼壩閘各種監控數據處理、維護和輸出進行管理，為準確定位事故點，正確處理事故提供基礎依據。

3.4 通訊系統

該通訊系統具有點多、面廣、線長的特點，各節點之間通過單模百兆冗余光纖接口連接，采用12芯單模光纜，線路全長21 km。選用集語音、數據、圖象、計算機網絡通信業務為一體的光電一體化光端機。光纜在敷設時穿鋼管以最大限度地避免雷擊和人為破壞。

4 結語

通過汾東水系鋼壩閘監控系統的設計，確立了該工程高層次的自動化水平，為發揮城市生態效益和社會效益打下良好地基礎，對今后類似工程的建設具有良好的借鑒作用。更重要的是美化了太原市城市水系環境，提升了城市品味和人民生活質量。