攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的探討

姚海軍

(江西省贛撫平原水利工程管理局，南昌 330096)

攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的探討

姚海軍

(江西省贛撫平原水利工程管理局，南昌 330096)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字控制等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)我國水利工程項(xiàng)目的控制系統(tǒng)也取得了長足進(jìn)步。攔河壩在我國的水利工程系統(tǒng)中占據(jù)有重要的地位，水閘作為攔河壩工程的關(guān)鍵項(xiàng)目，對(duì)水庫的蓄洪、泄洪等主要功能有重要的控制作用，除此之外，還具有對(duì)蓄水發(fā)電和灌溉的多種功能，采用自動(dòng)化的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)攔水壩的水閘工作進(jìn)行智能化的管理是水利工程管理的必然趨勢(shì)，為此，文章針對(duì)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況進(jìn)行總結(jié)，并闡明水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成，總結(jié)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

攔河壩水閘；監(jiān)控系統(tǒng)；自動(dòng)化；探討

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了水利工程的建設(shè)與運(yùn)行，在水利工程中攔河壩的水閘是一項(xiàng)較為關(guān)鍵的項(xiàng)目，對(duì)泄洪、蓄洪、灌溉、發(fā)電等都有重要的作用，對(duì)水閘的運(yùn)行狀況采用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，是保證水閘運(yùn)行狀況良好的必然趨勢(shì)和要求，為此文章針對(duì)攔河壩水閘的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成進(jìn)行說明，總結(jié)其中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

1 當(dāng)前水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況

當(dāng)前的水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要采用的是分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(DCS)，這種結(jié)構(gòu)水閘運(yùn)行的自動(dòng)化較強(qiáng)，設(shè)備具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴５珨r河壩的工作環(huán)境受到多種因素的影響，使得自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的各種設(shè)備如液壓系統(tǒng)、傳感器裝置等在較為復(fù)雜的工作環(huán)境中元器件的老化速度加快，誤動(dòng)、拒動(dòng)等異常狀況屢見不鮮，同時(shí)由于信息沒有進(jìn)行數(shù)字化的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，導(dǎo)致集控系統(tǒng)的平臺(tái)上缺乏對(duì)錯(cuò)誤信息和運(yùn)行健康狀況的記錄，[1]這不利于攔河壩水閘的良好運(yùn)行。同時(shí)當(dāng)前的水閘監(jiān)控系統(tǒng)采用的是事后維修或者定期檢修的保養(yǎng)方式，對(duì)于技術(shù)的管理相對(duì)缺乏，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和固化等不夠合理。

因此未來攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向是將控制、維護(hù)、技術(shù)管理等系統(tǒng)集合形成一體化的水利自動(dòng)化系統(tǒng)，提高水利閘門監(jiān)控的自動(dòng)化和準(zhǔn)確性、可靠性，在保證控制命令正確執(zhí)行和管理人員不斷精簡(jiǎn)的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，形成能夠?qū)ΜF(xiàn)代水利閘門進(jìn)行維護(hù)、修理、技術(shù)管理的綜合系統(tǒng)，以高調(diào)度的運(yùn)行響應(yīng)速度和能力，促進(jìn)攔河壩水閘自動(dòng)化運(yùn)行的效率，發(fā)揮其在生產(chǎn)建設(shè)中的積極作用。

2 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成

當(dāng)前水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三大類：以工控機(jī)為核心的集中控制系統(tǒng)、以微控制器為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)、基于PLC的分布式水閘群控制系統(tǒng)。文章針對(duì)第三種水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析闡釋。[2]

水閘管理調(diào)度的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行工作，是將各種遙感測(cè)控技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)專業(yè)的系統(tǒng)軟件編程等系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘運(yùn)行狀況的控制和監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)際的水閘運(yùn)行情況，進(jìn)行水利工程運(yùn)行方案的調(diào)整。在大型樹立工程中應(yīng)設(shè)置水閘管理的總站，各個(gè)分站再設(shè)置中央監(jiān)控室，監(jiān)控室下又設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)工作站。各分站的閘門監(jiān)控自動(dòng)化管理系統(tǒng)主要包括2部分：①計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；②圖像監(jiān)控系統(tǒng)。閘門監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1。

圖1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制室和現(xiàn)場(chǎng)工作站組成。其中中央控制室能夠通過網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作站的可編程序控制器PLC的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，而現(xiàn)場(chǎng)的工作站的主要構(gòu)成設(shè)備包括可編程控制器、上位計(jì)算機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的儀表和故障報(bào)警裝置等。其中可編程序控制器PLC的主要職能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閘門的運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備狀況進(jìn)行控制，再通過RS232或者RS485等通信串行口將數(shù)據(jù)上傳，并在計(jì)算機(jī)上顯示出來幫助工作人員進(jìn)行操作決策的參考。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了充分掌握水閘群的各項(xiàng)運(yùn)行狀況，對(duì)閘室內(nèi)外的船只進(jìn)行了解，閘區(qū)內(nèi)一般采用了覆蓋式的監(jiān)控方式。對(duì)閘區(qū)進(jìn)行覆蓋式的監(jiān)控，主要通過在分站內(nèi)轉(zhuǎn)配圖像監(jiān)控系統(tǒng)的各種設(shè)備，如攝像機(jī)、監(jiān)視器、視頻切換器、漢字字符發(fā)生器、數(shù)字硬盤機(jī)等。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)也主要分成2部分：①對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行顯示和記錄的控制設(shè)備、顯示設(shè)備；②前置攝像頭，前置攝像機(jī)能夠?qū)⑴臄z的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，將閘區(qū)內(nèi)的運(yùn)行情況通過視頻切換器傳輸給監(jiān)控器的圖像顯示系統(tǒng)，并疊加相應(yīng)的漢字，再由視頻分配器將內(nèi)容產(chǎn)傳送給數(shù)字硬盤錄像機(jī)[3]。如圖2所示。

3 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵

3.1 全自動(dòng)動(dòng)能控制和輔助手動(dòng)控制

在PLC監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)船閘進(jìn)行智能的全自動(dòng)控制主要是通過以往各水閘的經(jīng)驗(yàn)所編制的控制程序控制運(yùn)行的，其中水閘的開關(guān)有定時(shí)與電動(dòng)兩種方式，如果采用全自動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制方式，則由PLC對(duì)閘室內(nèi)外的水位和機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查，在各種關(guān)閘調(diào)價(jià)滿足時(shí)PLC對(duì)閘室外的水位進(jìn)行再次檢測(cè)，并提前以語音的形式對(duì)閘室內(nèi)的船舶進(jìn)行通知，進(jìn)行3-5次的安全提示，此時(shí)中央控制室內(nèi)的操作人員對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)漠嬅孢M(jìn)行觀察，保證PLC啟動(dòng)程序的有效。PLC在進(jìn)行關(guān)閘操作時(shí)，對(duì)起閉機(jī)的電流、電壓等進(jìn)行監(jiān)控，如果出現(xiàn)異常情況，則程序運(yùn)行停止。如果沒有異常情況的發(fā)生，則PLC控制閘門緩慢落下，在閘門完全關(guān)閉時(shí)發(fā)出關(guān)注的信號(hào)，PLC控制起閉機(jī)停止工作，閘門關(guān)閉操作結(jié)束。在進(jìn)行開閘操作時(shí)，PLC根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的經(jīng)驗(yàn)開啟允許范圍內(nèi)的閘門，在內(nèi)外水閘都處在允許的水位值范圍內(nèi)時(shí)，可以進(jìn)行以此開閘到位的操作，如果水閘內(nèi)外的水位差超出了設(shè)定的范圍，則開閘過程應(yīng)分成幾次進(jìn)行，閘門的提升次數(shù)和水位差形成正比。

而點(diǎn)動(dòng)方式是通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行手動(dòng)的控制，用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)的圖像上進(jìn)行電控，實(shí)現(xiàn)開關(guān)閘的人工控制。

在節(jié)制閘智能全自動(dòng)控制的實(shí)施過程中，應(yīng)按照設(shè)定好的日期進(jìn)行自動(dòng)的飲水和排水，同時(shí)要對(duì)河面船只和漂浮物情況進(jìn)行檢測(cè)控制，保證水工建筑的安全性。

圖2 水閘自動(dòng)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3.2 信息的收集與傳輸

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水閘運(yùn)行參數(shù)采集的設(shè)備是可編程序控制器PLC，PLC通過輸入模塊、水位變送器以及閘門開關(guān)設(shè)備等機(jī)械進(jìn)行信號(hào)的連接，獲取模擬量、開關(guān)量以及閘門開關(guān)狀態(tài)等信號(hào)，并將其存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過RS232或者RS485通信接口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，并在以太網(wǎng)絡(luò)中與主控室的注意進(jìn)行連接，在接受數(shù)據(jù)采集的指令后，將已采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)中，并接受上位機(jī)的程序指令，進(jìn)行輸出模塊的開關(guān)量調(diào)整控制閘門的開關(guān)操作。

3.3 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

主控室和各分站之間的通訊是通過寬帶網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的，各個(gè)分站將采集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傉镜闹醒肟刂剖抑校偻ㄟ^寬帶網(wǎng)發(fā)布調(diào)度和運(yùn)行指令，對(duì)區(qū)域的水閘開關(guān)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.4 系統(tǒng)保護(hù)措施

1)防雷電保護(hù)：針對(duì)水閘的實(shí)際情況采取防雷措施，可以通過安裝避雷針、避雷帶以及地網(wǎng)系統(tǒng)等；對(duì)動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行防雷的處理，可以在電源總?cè)肟诘娜鄤?dòng)力線上安裝“電源防浪涌保護(hù)器”，這種設(shè)備能夠避免雷電直擊或者雷電感應(yīng)通過電源線進(jìn)入控制系統(tǒng)；通訊和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采取防雷措施，可以加裝數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)避雷器，并對(duì)室外的設(shè)備添加外殼和屏蔽罩，并采用可靠的接地方式。

2)接地保護(hù)：為降低控制系統(tǒng)受到的干擾，應(yīng)減少控制柜和大地之間由電位差造成的干擾電流，為此應(yīng)采取有效的接地方式，以降低干擾電流對(duì)電源和輸入信號(hào)造成影響。閘門控制系統(tǒng)接地應(yīng)遵循一點(diǎn)接地的原則，并保證信號(hào)地線和功率地線分開設(shè)置。

4 結(jié) 語

水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)作為水利工程中的重要項(xiàng)目，對(duì)水利工程的運(yùn)行起到了重要的作用，能夠提高攔河壩工作效率，精簡(jiǎn)管理人員。當(dāng)前的水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和視頻控制系統(tǒng)組成，在較為復(fù)雜的閘區(qū)工作環(huán)境中，存在著元器件老化迅速、誤動(dòng)傳動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生頻繁等問題，未來水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向是將檢測(cè)、維修控制等功能集合成一體。而進(jìn)行水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把握全自動(dòng)和手動(dòng)控制、信息傳輸、遠(yuǎn)程控制以及系統(tǒng)保護(hù)等要點(diǎn)，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，保證水閘自動(dòng)化監(jiān)控的正常運(yùn)行。

[1]宋春杰,王輝.水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成及關(guān)鍵設(shè)計(jì)[J].科技資訊,2012(17):33-34.

[2]吳仕盛.淺談人和攔河壩水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[J].江西建材,2015(01):118.

[3]張俊嵩.水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與管理研究[J].無線互聯(lián)科技,2011(02):36-38.

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2017-09-16

姚海軍(1967-)，男，江西南昌人，工程師。