大壽水閘除險加固工程閘門監控系統設計

韋 峰

（廣西玉林水利電力勘測設計研究院，廣西 玉林 537000）

大壽水庫位于廣西壯族自治區博白縣旺茂鎮大壽村，所屬河流為南流江支流和江河分支流鳳山河上，是一座以灌溉為主，結合發電的大（2）型水庫，至今已運行了30多年。由于年久失修，工程主體建筑及各類機電設備老化嚴重，整體運行效率及安全穩定性差，存在諸多安全隱患，需經除險加固后，才能達到正常運行要求。

1 大壽水庫水閘現狀

大壽水閘原閘門啟閉控制為人工現地手動方式，運行人員主要是通過操作現地啟閉控制箱完成閘門的關閉和啟動。經過多年運行，啟閉及配套控制設備、電纜老化嚴重，嚴重影響啟閉設備的正常運轉，存在較大的安全隱患，運行穩定性及運行效率低下，且不具備運行狀態監控及故障保護功能，以至于閘門日常啟閉操作均需人工現地全程監視完成，致使水閘運行管理工作難度較大，嚴重影響汛期泄洪調度的執行速度和水閘運行的安全，影響下游的防洪安全。其中機電設備安全性評價為“不滿足”安全運行要求，需全部進行拆除和更新[1]。

2 閘門監控系統設計

閘門設計目標是，實現自動化控制，以解放值班、值守人員為頂層設計，并堅持實效性、可靠性、科學性、經濟性設計原則。

2.1 系統結構設計

2.1.1 系統監控內容

閘門監控系統通過運用自動控制及計算機網絡技術，實現系統自動化控制功能與收集、分析、處理閘門及其關聯設備產生的最新數據資料，并建立數據信息資源庫，充分發揮系統查詢功能的作用。閘門監控系統的建設內容主要包括：閘位計；閘門的現地控制柜（機柜、PLC、觸摸屏、繼電器、端子及附件）；閘門監控主機；PLC控制軟件、觸摸屏軟件、上位機軟件；系統安裝及調試[2]。

2.1.2 系統組成與結構

大壽水閘閘門監控系統由監控主機、現地控制柜、傳感器、通信設備等組成。閘控系統主要是監視和控制現場閘門，主要功能見圖1。

圖1 大壽水閘閘門監控系統示意圖

（1）監控主機

閘門監控系統的監控主機位于中控室。監控主機具有對系統運作進行全面監控的功能，它是控制計算機以及控制系統測量，實現閘門遠程控制，并完成對資料的記錄、查詢、報表、統計等處理。監控主機采用查詢/應答體制，在需要時主動查詢各閘門工作情況，在實時測控時監控主機與現地控制柜數據同步，獲取現場實時資料，實現對數據的處理統計工作。監控主機可以從水情自動測報系統中獲取閘上下游水位，供閘門控制系統使用，可以將閘門狀態與操作信息傳輸至綜合數據庫，供其它系統使用。遠程控制計算機只有通過監控主機才能獲取閘門狀態，完成閘門控制。

（2）現地控制柜

閘門監控系統現地控制柜共有1個，布置于閘壩啟閉房。通過現地控制柜，完成對各閘門控制及閘門開度實時測量。

現地工作站由觸摸屏、可編程控制器（PLC）、低壓電器、工業機柜等組成。

觸摸屏內嵌軟件，該軟件發出的升、降、停指令，經RS485總線傳至控制器上的PLC模塊，PLC解釋后執行，通過中間繼電器控制動力柜中交流接觸器，使螺桿或卷揚機械作升、降、停的運動。與此同時，觸摸屏內嵌入式軟件不斷查詢對應的閘位傳感器，得到當前閘門開度位置，由此便可準確控制閘門開度。

可編程控制器接收來自監控主機和觸摸屏的指令，控制閘門的升、降、停的運動。同時，PLC將當前閘位數據傳送給監控主機和觸摸屏。可編程控制器同時查詢限位信號和過載信號，當出現超限或過載時，將發出報警信號，停止閘門升降。

低壓電器包括中間繼電器、按鈕、轉換開關、指示燈、斷路器、電壓表、電流表等，用于實現閘門升、降、停等操作，指示閘門運行狀態。

工業機柜將現地主要設備全部集成起來，以體現現場級測控的整體水平。

（3）閘位計

閘位計完成對閘位（閘門開度）的實時測量，數據通過總線傳到現地控制柜，供PLC使用。閘位計同時帶有閘門限位開關，提供閘門限位信號。閘位計由編碼器、表頭、轉換器、連接齒片、安裝支架組成。

2.2 控制模式

（1）控制方案

一般而言，閘門控制系統基于系統運行的控制有三個層次，系統控制與設備的關聯性越高，則控制程度越強。控制層次包括手動、集中與遠程自動控制。遠程自動控制的控制區域監控人員可以通過監控主機上的操控軟件實現對閘門的遠程控制；集中控制功能針對于現地控制。操作人員在現地控制設備上進行控制性操作，達到控制閘門的效果。在進行集中控制時，需要封鎖遠程控制功能，提高控制安全率，這不會對信息數據采集造成影響；手動控制一般置于閘門啟閉機附近，在開展手動控制工作的同時，能夠同時進行對設備數據信息的收集工作。

上述三種控制層級之間的轉換需要應用現地控制單元中的切換開關進行。閘門不管被哪一層次控制，監控主機對閘門運行情況均能夠進行實時監控。

（2）優先控制

閘門控制分二級控制，最高級為現地控制，第二級是中控室遠程監控。優先級控制見圖2。

圖2 優先級控制圖

（3）保護控制

閘門監控系統需要由自身的安全性設計來保證正常運行，閘門監控軟件要實現系統自動檢測閘門狀況、過載、過壓、越限等功能。必要時可在控制柜內增加保護設備。

2.3 系統通信

系統采用光纖作為通信媒介，監控主機和現地控制柜通過以太網進行通信。現地控制柜內PLC通過RS-232與觸摸屏進行通信。閘位計通過14芯電纜與現地控制柜進行通信。

2.4 系統功能

大壽水閘閘門監控系統主要功能有：自動、實時測量水閘閘門開度；在閘室能夠通過現地控制柜按鈕手動啟閉閘門；在閘室能夠通過現地控制柜觸摸屏自動啟閉閘門；在水閘管理所的中控室能夠自動啟閉各閘門；閘門自動啟閉有預置閘位和預置流量兩種方式；根據庫水位、閘門開度，計算閘門流量；能夠對水位、閘位、流量進行查詢、統計；能夠繪制水位、閘位、流量歷史過程線；能夠在觸摸屏、監控主機、遠程主機上顯示閘門狀態[1]。

2.5 系統主要設備及軟件

閘門監控系統主要提供的基本軟件與應用軟件有：（1）操作系統：Windows 2008 Server.（2）本地數據庫及數據接口：SQL Server 2008。（3）PLC監控軟件。（4）觸摸屏監控軟件。（5）遠程監控軟件。其中可編程序控制器（PLC）設備包括中央處理器（CPU）、存儲器模塊、總線通信模塊和以太網通信模塊、電源以及所需的離散輸入/輸出（I/O）模塊、模擬量輸入模塊等。大壽水閘閘門監控系統共有1套PLC，對其進行設計需要確保PLC脫離主機系統后，能夠對閘門進行監控，當PCL與主機相連后有能夠為上位系統管控提供輔助。能夠定時或者根據命令要求向主控級系統輸入數據信息。當出現故障或者異常情況時，能夠快速向主控級進行報告，再根據主控級指示，進行故障解決的執行操作，然后將執行情況等再傳輸到主控級。

3 結語

基于PLC控制技術對大壽閘門自動化監控系統設計方案的探究，針對性的解決了大壽水閘原閘門不能遠程監控及實時監控等問題，有效提高水閘的運行管理效率，實現了閘門的現地及遠程自動控制功能。現該系統已順利完成調試并投入運用，投入運用以來，穩定，可靠，實時性能均有突出表現，滿足該水閘安全運行以及“無人值班、少人值守”的需求，對以后類似工程的閘門控制與信息處理自動化工程建設具有重要的推廣價值。