淺談遠程控制系統(tǒng)在三汊河河口閘運行管理中的運用

(1.南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京　210036；2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤　223100)

1　水閘概況

三汊河河口閘位于江蘇省南京市外秦淮河入長江口處，是南京市秦淮河環(huán)境綜合整治工程的重要組成部分，主要功能是非汛期關閘蓄水，抬高武定門至三汊河入江口河段水位，改善城市河道景觀；汛期開閘行洪。閘門形式為雙孔護鏡門，閘門單孔寬40.0m，共2孔。每扇護鏡門為半圓拱形，拱內圓半徑為21.2m，拱外圓半徑為22.8m，半圓形的門葉通過兩側拱腳支撐在中墩和側墩上。閘門在水平狀態(tài)時擋水、小門頂過流形成瀑布景觀。每扇護鏡門的頂部設有6扇可垂直升降的活動小門，用于調節(jié)水位。閘門開啟時，護鏡門以鉸軸為圓心向上轉動，到達60°時停止并鎖定。

每扇護鏡門操作采用2臺固定卷揚式啟閉機，單機功率30kW、電壓380V，啟閉機分別布置在閘門兩側的排架上，排架上設機房。門頂12扇活動小門的操作采用液壓啟閉機，單機功率6kW、電壓400V，每扇活動小門設2只液壓缸和1個油泵站，24只液壓缸和12個油泵站分別均勻布置在2扇護鏡門圓周上。

工程配備了先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，通過計算機控制2扇護鏡門和12扇活動小門的操作，同時監(jiān)視上下游的水位和閘門開度，確保擋水、泄洪功用，并可按預定或按值班人員要求控制河道景觀照明，采集、監(jiān)視電氣設備各項參數(shù)。整個系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、便捷，節(jié)省了人力、財力，作為一個創(chuàng)新的工程，為水閘的現(xiàn)代化控制與運行管理提供了較好的參考價值。

2　遠程控制系統(tǒng)構架

三汊河河口閘計算機遠程控制系統(tǒng)采用分層分布式結構，由主控級和現(xiàn)地單元控制級組成,整個系統(tǒng)的框架結構如下圖所示。

三汊河河口閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)架構圖

主控級包括互為冗余熱備的監(jiān)控主機、視頻監(jiān)視主機、網絡核心交換機、打印機和UPS。監(jiān)控主機是用來對水閘運行數(shù)據(jù)的采集查看和對閘門的遠程控制，是人機交互的重要組成部分。視頻監(jiān)視主機主要用來對水閘工程現(xiàn)場的視頻監(jiān)視，同時兼具管理處辦公區(qū)域的安防作用。網絡核心交換機用來與現(xiàn)場交換機進行通信，是信號傳輸?shù)闹袠小PS為控制系統(tǒng)主要組成部件提供后備電源。

現(xiàn)地單元控制級包括PLC柜(含觸摸屏)、變頻器柜、開度編碼器、能耗制動電阻箱、配電柜和光纖以太網交換機等。其中兩套PLC協(xié)同變頻器、開度編碼器和能耗制動電阻箱分別控制兩臺卷揚式啟閉機，卷揚式啟閉機通過鋼絲繩拉動半圓形護鏡門兩側的拱腳，實現(xiàn)兩扇護鏡門的開啟和關閉，另外兩套PLC分別控制兩扇護鏡門上的活動小門；最后1套PLC用于景觀照明系統(tǒng)的控制及配電系統(tǒng)的重要參數(shù)采集監(jiān)視。現(xiàn)場每個啟閉機室內設有一臺配電柜，主要用來給現(xiàn)場機電設備供電。變頻器主要用來調節(jié)卷揚式啟閉機電機的轉速。開度編碼器負責將護鏡門的開度數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)地PLC。現(xiàn)地各PLC實現(xiàn)對閘門開度、水位、限位開關、油溫、油壓、電磁閥位置等數(shù)據(jù)的采集和處理，接受主控級或現(xiàn)地命令，進行閘門啟閉控制、同步調節(jié)，以及對所控設備進行故障監(jiān)測，同時將有關信息實時上送主控級。

3　遠程控制系統(tǒng)工作原理

由于每扇護鏡門采用兩臺固定卷揚式啟閉機進行啟閉，每扇門兩臺啟閉機之間無機械連接，吊點間可能不同步，會產生行程差，容易對閘門結構造成扭曲等危害，因此每扇門兩臺啟閉機需要進行同步控制，從而引入變頻器。護鏡門PLC的輸出端子與變頻器多功能端子相連，變頻器的多功能端子設置為多道速功能，并設置相應頻率。PLC通過輸出端子閉合和斷開的組合，控制變頻器輸出不同的頻率，根據(jù)交流同步電機的轉速與頻率的關系公式：n=60f/p(n為電機轉速；f為電源頻率；p為電源磁極對數(shù))[1]可以看出，頻率的變化會使電機的轉速跟著變化，從而精確控制電機的轉速，使兩吊點間達到同步。

實際運行控制過程中，管理人員在中央控制室對主控級的監(jiān)控主機進行操作，監(jiān)控主機發(fā)出的指令通過交換機和光纖通道下達現(xiàn)地PLC柜。現(xiàn)地PLC在接收到指令后，首先會采集開度編碼器的即時開度數(shù)據(jù)，并通過輸出端子向變頻器傳達動作指令，變頻器調節(jié)電流頻率從而控制卷揚式啟閉機的轉速，使行程差控制在合理范圍內(一般不超過2cm)。同時為保障控制系統(tǒng)的安全可靠，在PLC柜上還設有一套現(xiàn)地控制，可以在遠程控制失靈的情況下對護鏡閘門進行啟閉控制。另外，在啟閉過程中，為控制電機的平穩(wěn)運行，避免出現(xiàn)電機加速對工程帶來的危害，為每臺卷揚式啟閉機設置一臺能耗制動電阻箱，用于抵消電機多余的動能，在電機同步后盡量保持勻速運轉和平穩(wěn)啟停。當護鏡門開啟到指定角度后，此時門體懸空，為更加安全地保障閘門固定，每臺啟閉機還設置一套機械鎖定裝置，通過鎖定裝置卡住卷揚式啟閉機的大齒輪，可以將護鏡門非常牢固地鎖定在指定角度，也為計算機遠程控制的故障檢修預留條件。

控制液壓啟閉機小門的控制原理與上述護鏡大閘門控制類似，因為該工程不存在液壓啟閉機吊點同步的問題，所以略微簡單一點。管理人員在中央控制室對主控級監(jiān)控主機進行操作，監(jiān)控主機發(fā)出的指令通過交換機和光纖通道下達現(xiàn)地小門PLC柜，小門PLC采集液壓啟閉機傳感器的開度等數(shù)據(jù)，然后經過運算處理后通過輸出端給液壓啟閉機傳達動作指令以達到升降的目的。由于液壓啟閉機是液壓升降，中間是活塞桿，不像卷揚式啟閉機有齒輪，所以沒有機械鎖定裝置，而是由電磁閥等元器件來固定小門高度，屬于全遠程控制。

4　遠程控制系統(tǒng)應用中的優(yōu)缺點及建議

三汊河河口閘的遠程控制系統(tǒng)已經運行多年，總體上非常可靠，重要的功能基本都能實現(xiàn)。在實際運行過程中，有如下幾個優(yōu)點：?運行穩(wěn)定可靠，能在中央控制室精確控制閘門的啟閉，并使閘門保持在設定的合理開度上，省去了現(xiàn)場操作的麻煩；?計算機組態(tài)軟件上顯示的數(shù)據(jù)準確有效，能實時監(jiān)測閘門和各電氣設備的運行工況，同時歷史數(shù)據(jù)存儲也比較完備，方便運行人員的查詢和管理；?視頻監(jiān)控能及時掌握閘門上下游的安全情況，消除了影響閘門正常啟閉的安全隱患；?遠程控制與現(xiàn)地控制相結合，有效避免了在遠程控制系統(tǒng)故障時無法對閘門進行控制的狀況出現(xiàn)，起到雙保險的作用。

同時也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處：?每次系統(tǒng)斷電并恢復供電后，組態(tài)軟件界面數(shù)據(jù)有部分顯示全部為“*”號，需要點動護鏡大閘門才能恢復正常顯示,雖不影響大閘門正常啟閉，但畢竟還是存在一個小的故障，而液壓啟閉機小閘門并不存在顯示“*”號的問題；?隨著系統(tǒng)的不斷擴充，UPS負載過重，導致斷電后續(xù)航不足半小時，若處理不及時容易造成服務器等設備的損害；?水位數(shù)據(jù)在冬天容易出現(xiàn)不正常顯示的現(xiàn)象，對液壓啟閉機小門的調節(jié)造成一定影響；?部分設備老化，動作時出現(xiàn)過失靈。

針對以上幾點不足，建議在后期的更新改造中注意以下幾點：?對組態(tài)軟件和PLC進行升級，解決斷電后顯示“*”的問題；?對UPS擴容，受管理處原UPS柜內空間和房間場地的限制，可以在另一個設備間增設UPS柜，從而分流一部分負載、提高續(xù)航能力，減少停電對系統(tǒng)的損傷；?對水位計進行更新，換成更先進的品牌型號，解決低溫下顯示不正常的問題；?對老化的設備進行更新?lián)Q代，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

5　結　語

水利現(xiàn)代化是當前水利行業(yè)發(fā)展的重要方向，充分利用現(xiàn)代化技術手段，可以有效提高水利工程管理的效率[2]，節(jié)省人力、財力。本文以三汊河河口閘的創(chuàng)新水閘工程為例，闡述了計算機遠程控制系統(tǒng)的實際應用情況，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實際使用效果良好，可供國內中小型水閘的現(xiàn)代化控制和運行管理借鑒。

[1]辜成林,陳喬夫,熊永前.電機學[M].武漢：華中科技大學,2001.

[2]倪偉新.水利自動化與水利信息化[J].水利水文自動化,2004(1):1-3.