自動化測控系統在紅山河渠首攔河閘工程中的應用

趙利軍

摘 要：紅山河渠首攔河閘工程自動化監控系統，分別由硬件設備及軟件系統組成。介紹該系統的設計原則、基本功能、總體設計，系統的硬件以及設備控制系統軟件的設計等。系統采用以計算機控制技術為核心的集控系統，對渠首樞紐運行狀態、水位、流量進行監控，并將渠首視頻監控圖像上傳灌區監控中心，具有遠程監測、遠程控制與現場控制以及遠程監視等功能。該系統通過一年的運行，情況比較穩定，達到了設計要求。

關鍵詞：自動化；測控系統；應用

1 工程概況

紅山河攔河閘工程位于肅州區金佛寺鎮小莊村，距酒泉市城區50km，建于上世紀60年代。該工程以引水灌溉為主，兼顧防洪排砂的中型水閘。設計引水流量為8m3/s。該工程為底欄柵式正排雙側引水樞紐工程，布置型式為“一字形”。工程主要建筑物由泄洪排砂閘、底欄柵溢流壩、上下游連接段等幾部分組成。工程擔負著灌區金佛寺鎮紅山片和黃糧墩農場2.46萬畝耕地的防汛灌溉任務和0.65萬人、1.56萬頭牲畜的人畜飲水任務，2012年9月該工程開工建設，2013年5月竣工。

為了提高樞紐水閘的管理水平，實現水閘管理單位對閘門、流量進行自動測控，并對數據加以處理與傳輸，實現現代化管理，在本次除險加固工程增設了自動化測控系統，將實現“無人值班、少人值守”的管理方式。

2 系統設計原則及應達到的功能

2.1 監測

監測就是采集處理水閘的引水數據以及其它相關數據，包括閘前水位、閘后水位、啟閉狀態、開啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護、荷重保護、相序故障等信息。自動量水系統應能實時采集這些重要信息，并在現場通過自動量測閘前、閘后水位進行水量計算。

2.2 視頻監視

對閘前、閘后及閘室的景象及建筑、設備狀態進行視頻采集，通過控制攝像機轉動角度和焦距實現對水閘全天候、全方位的實時圖象監視。視頻監視不受閘門啟閉設備電源狀況的影響。

2.3 閘門監控

監控就是控制閘門啟閉，實現手動、自動、遠程控制功能。閘門控制分為手動控制和自動控制。手動方式下，只有在閘房，通過每個啟閉機的手動控制箱，進行閘門控制。自動方式下，是通過PLC進行閘門控制，又分為遠方控制和現地控制，現地模式下，只能通過閘房PLC的觸摸屏進行閘門控制；遠方模式下，管理站可進行閘門控制，上級管理部門監督閘門啟閉情況。遠方模式是建立在自動化監控平臺之上，利用各級管理部門配置的監控終端進行閘門控制和監督。

2.4 數據存儲

監控系統存儲兩類數據：實時監測和控制數據、時段和特征數據。實時數據供監控系統記錄完整的實時過程和分析故障使用，存儲周期為六個月；時段和特征數據存儲閘門運行時段和水位數據、流量數據、閘門操作數據，以及特征變化數據，供監控系統與調度系統分析閘門運行情況、用水情況使用，時段數據的時段最小可為10分鐘，存儲周期為一年。

3 系統設計方案

3.1 系統總體設計

閘門自動監控系統主要包括采集、閘門控制和通信三部分。

（1）信息采集。信息采集包括水位、閘門開度，流量、視頻、啟閉荷載以及設備電源狀態等的采集。

水位采集通過設置水位計實現，再通過軟件計算轉換為流量信息；可動態反應閘門啟閉過程中高度變化及閘門的開關狀態，啟閉荷載信息采集通過啟閉機上設置荷載傳感器實現，可動態反應閘門啟閉過程中荷載變化情況，一旦出現閘門被卡阻造成啟閉機過載等意外情況，監控系統立即報警并發出故障提示信號。荷載傳感器在每臺雙吊點啟閉機上設置兩套，以分別顯示兩個吊點的荷載值，啟閉機荷載保護是目前過內外啟閉機或起重機設計規范規定的必設安全保護裝置，特別是對于遠程監控的啟閉設備更是不可或缺。

（2）閘門控制。閘門控制采用可編程序邏輯控制器（PLC），安裝在現地控制柜上，既能接受上級管理部門的控制命令和采集的信息，又能在通信故障的情況下，在現地實現對閘門的操作控制，本身故障時也可通過備用的常規設備對閘門進行操作。帶以太網接口的PLC及以太網交換機，安裝在水閘現地控制柜上，通過相關的數據采集與數據處理可完成對閘門的信息采集、控制、操作和顯示。現地操作及信號顯示均通過液晶觸摸屏來實現。

（3）通信。采用光纖通信具有投資省，傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、電磁干擾小等優點。從樞紐水閘處架設光纖至公用寬帶網與上級水務部門通信。

3.2 系統硬件設計

3.2.1 監控中心設計。監控中心是整個自動化監控系統的核心，主要由操作臺、工控機組成。安裝硬盤錄像機兩臺，選用19寸液晶監示器，用于視頻監控，通過畫面分割分別顯示渠首進水閘及沖沙閘設備運行視頻圖像；通過軟件控制上述站點的視頻監控設備并記錄視頻文件。裝配工控機一臺運行計算機組態軟件，運行3孔弧型閘門開度控制、進水閘控制。進水閘裝配2孔平板閘門，改造后采用電動啟閉機。

3.2.2 視頻監控系統。本系統綜合運用了多媒體視頻技術、計算機網絡技術、工業控制等技術，實現了視頻/音頻的數字化、系統的網絡化、應用的多媒體化以及管理的集成化。系統將傳統的視頻、音頻及控制信號數字化之后在網絡上傳輸，實現了集中監控、集中管理。從系統規模來看，本系統共設置3個監控點和1個監控中心。閘前、閘后攝像機采用三可變攝像機，閘室內采用一體化變焦攝像機。前端攝像部分包括攝像機、鏡頭、云臺、防護罩、控制解碼器、視頻傳輸電纜及安裝支架。其中室外攝像機為全天候防護罩，含有自動加熱器、.恒溫器、雨刮器和清洗裝置。視頻監控中心采用的設備為光纖、光纖收發器、解碼器、硬盤錄像機等。系統的工作原理：攝像機采集到的圖像信號送入光纖收發器，由光纜傳輸出去。光纜將信號通過解碼器解調后恢復出原始信號，并送到硬盤錄像機顯示出來。硬盤錄像機可以對接收到的圖像信號進行存儲和處理，并可直接送入局域網供網內瀏覽。操作人員通過控制鍵盤控制各監控點的云臺和鏡頭，實現對現場目標的掃描和近距離觀察。

3.2.3 閘位傳感器的選取。閘位編碼器按照國家標準GB9359-88《水文儀器總技術條件》及相關技術標準選取。現國內水利行業閘門開度傳感器普遍采用光電式絕對值旋轉編碼器，絕對值旋轉編碼器減輕了電子接收設備的計算任務，省去了復雜和昂貴的輸入設備，而且還有斷電記憶功能，對于電源條件較差的地區尤為適用。

3.2.4 荷載傳感器的選取。對于螺桿式啟閉機，當啟門過程中閘門受阻啟閉機超載時，會導致傳動設備破壞，或閘門墜落釀成事故。針對這種情況，在啟閉機的適當部位安裝荷載傳感器，通過設定的荷載值來控制啟閉電機的開停，從而保證設備正常工作。

3.2.5 水位計的選取。由于水閘流量監測系統對水位的精度要求較高，該水閘水位測量采用壓力投入式水位計。

4 系統軟件設計

水閘監控系統軟件要滿足水閘安全操作要求，能根據上級管理部門的調度指令，按照指定流量和時間段進行自動控制放水，同時無論用戶使用何種方式控制閘門，只要閘門被操作，運行參數均應發送到上級管理部門，以供查詢。

軟件系統包括PLC編程軟件和測控終端軟件，PLC編程軟件是監控系統的核心，對于實現閘門現地、遠程監控至關重要，其他軟件均由設備廠家提供專用軟件。

5 結束語

紅山河渠首攔河閘自動化監控系統設計完成后，通過實際運行，該監控系統能夠及時監控渠首攔河閘水位、過閘流量及工程運行狀況，為水閘工程的科學管理和合理調配水資源提供了良好的條件。同時，改善了渠首管理人員的工作環境條件，減輕了勞動強度，提高了工作效率，確保了操作人員的安全，避免誤操作事故發生，提高了對生產過程的監督能力。上級水務部門通過局域網監控器對水閘工程運行情況的實時監控，極大提高了管理水平，該系統基本上達到了原定的預期目標，并為肅州區水利管理現代化開了先河。