菏澤市毛張莊閘自動化測控實施方案

張全勝

(菏澤市東魚河流域管理處 274000)

為加快推進自動化測控系統在菏澤市大型骨干河道節制閘上的應用，提高水利工程管理水平，及時掌握水閘的運行工況和河道水情數據，達到節制閘“無人值守、少人值守”的整體目標，從2009年6月開始，菏澤市水利局陸續在市管河道上的毛張莊、楊店、于樓等6座節制閘上進行了系統安裝調試，總投資180余萬元。通過實施水閘遠程自動化測控可以使各級領導和水利工程管理部門隨時掌握水閘運行工況，及時了解水情數據，提高水閘運行調度的科學性、合理性，提高水利工程管理水平。

1 毛張莊閘基本概況

毛張莊閘位于巨野縣，1969～1972年，國家先后在四條干支流河道上興建了于樓一座大型節制閘和毛張莊、安興、趙樓、侯集、史莊、海頭、鄆魏樓、鄭營、劉莊、水堡、龍固、孫堂、坡劉莊等13座中型節制閘。這些節制閘建成后，閘前最大蓄水量達4040萬m3，年均供水量達到近2億m3，灌溉面積12萬hm2，保護著東明、定陶、鄄城、鄆城、巨野、牡丹區等6縣(區)的28.73萬hm2耕地、鐵路和大量工礦企業及人民群眾的生命財產安全。目前，菏澤市大中型節制閘都靠人工現場操作，運行維護勞動強度大，人為干擾因素多;數據采集周期長，受人為因素影響誤差大，難以全面、及時地了解節制閘運行工況。2011年7月，根據山東省水利廳要求，先后投資260多萬元對省試點毛張莊閘管所進行改造，同時，加大對其他閘管所的投資力度和規范化管理力度，努力提高全市水利工程規范化、現代化管理水平。先后完成了楊店、馬莊、張衙門、于樓、毛張莊、徐寨閘等6座大中型節制閘的自動化測控系統的調研、設計、招標、安裝、調試等工作，解決了螺桿啟閉機自動控制中出現的各種復雜問題，確保了水閘的安全運行。

2 方案概述

本水閘自動化測控系統實施方案主要實現以下功能:

在市水利局建立節制閘信息管理系統，以現有的水利綜合信息化硬件平臺為基礎，建立節制閘自動化測控管理系統軟件平臺，實現對閘門水情、啟閉的全過程、全狀態數據顯示，同時依靠計算機圖形顯示功能和歷史數據綜合分析功能，建立水位、流量、蓄水量之間的數學模型，實現河道蓄水及閘門運行調度管理功能。

在閘管所建立閘門自動化監控系統，實現對閘門水情、啟閉的全過程、全狀態監控，同時通過GPRS網絡建立與水務局信息管理中心的通訊系統，將閘管所數據上傳至水利局信息管理中心。計算機監控工作站具有清晰、完整的人機界面，并具有語音報警的功能。

閘門控制室設置PLC測控終端，通過工業以太網與閘管所計算機進行數據通訊，實現計算機數據的采集和計算機的遠程控制。另外，可以通過控制柜對閘門進行自動操作，自動操作時可通過計算機或顯示屏設置控制參數，自動完成閘門啟閉的全過程控制。

在每孔閘門主軸上安裝旋轉編碼器，實現對閘門開度的實時監測，在卷揚式啟閉機鋼絲繩上安裝旁壓式荷重變送器，在螺桿式啟閉機底座上安裝拉壓式荷重傳感器，實時監測閘門荷重，避免因閘門卡住造成設備受力過大損壞;在閘門前后安裝超聲波液位計，將信號輸入PLC模擬量采集模塊，實現對閘前、閘后水位的實時監測;通過PLC數字量輸出模塊，控制啟閉機的啟停回路，實現對閘門啟閉機的上升、下降、停止的遠程控制;通過計算機通訊網絡遠程設定閘門的開度值，閘門啟閉運行時，到達設定值后自動停止運行;建立閘門前后水位差及開度與過閘流量之間的數學模型，根據檢測到的水位、開度數據計算出閘門的實時過閘流量，進行存儲和顯示;建立閘上水位與閘上游河道蓄水量的數學模型，并根據閘上水位計算出閘上河道實時蓄水量，進行存儲和顯示。PLC實時檢測重要閘門啟閉機的運行電流，并根據電流值進行智能分析，判斷閘門的負荷狀態，保證閘門設備的運行安全。

3 技術攻關情況

3.1 工作原理

工程采用分散控制、集中管理的控制方式，調度中心設在閘門管理所的中控室，下層設有PLC測控單元，底層設有閘門開度、荷重、水位、流量等檢測儀表。本工程由市水利局信息管理中心閘門管理綜合信息化軟件、毛張莊閘管所計算機自動化監控系統和閘門現場測控PLC系統等組成。市水利局信息管理中心與閘管所計算機自動化監控系統通過GPRS通訊網絡實現數據雙向傳輸，閘管所計算機自動化監控系統與閘門現場測控PLC通過高速工業以太網進行數據雙向傳輸，傳輸介質為光纖。

3.2 系統配置及造價

系統配置設備、材料及元件明細見表1～表2。

表1 分 項 明 細 表

表2 材料、元件明細表

續表

3.3 技術攻關情況

在系統安裝調試過程中，解決了節制閘螺桿啟閉機控制中可能出現的各種復雜問題，主要包括:閘門非正常制動問題，閘門啟閉過程故障自動診斷問題，閘門意外故障自動保護問題，水閘過流計算計量問題，信息傳輸的保密、防干擾、防病毒、防黑客問題，測控軟件與網絡的兼容性等問題。例如:為解決螺桿啟閉機啟閉過程中，可能因閘門非正常制動造成的螺桿頂彎、機架橋梁頂斷等問題，在國內首次采用了螺桿受力自動檢測計量設備、啟閉機電機電流自動檢測設備和綜合智能分析技術等，大大提高了水閘控制的安全性、可靠性。

4 結語

螺桿啟閉機在關閉過程中，極易造成螺桿壓彎，甚至機架橋梁頂裂等嚴重事故，是自動控制的難點和禁區。水閘通過實施自動化遠程測控可以使各級領導和水利工程管理部門隨時掌握水閘運行工況，及時了解水情數據，提高水閘運行調度的科學性、合理性，顯著提高水利工程管理效率及水平。毛張莊閘自動化改造的成功，標志著水閘自動化控制技術提高到了一個新的高度，不僅為我市水閘改造節省了大量資金，也將為國內外同類水閘自動化改造作出重要貢獻。