筍塔水庫閘門計算機監控系統重建研究

（福建省南安市筍塔水庫管理處，福建南安 362300）

1 概 況

筍塔水庫溢洪道位于大壩右端，設計流量706 m3/s，校核流量892 m3/s，全長250.60 m，進口為有閘寬頂堰，堰凈寬30 m，堰頂高程120.32 m；安裝6.5 m×10 m 鋼結構弧形閘門3 扇，配2×10t 手搖電動兩用卷揚機3 臺。

筍塔水庫閘門計算機監控系統始建于2004 年底，曾為筍塔水庫防洪興利發揮了一定的作用。由于當時技術條件相對落后，監控采用模擬信號傳輸，線路采用雙絞線，信號衰減較為嚴重，系統故障較多，經幾年運行后，元器件老化損壞，后來基本不能使用，2014 年水庫大壩除險加固時全部拆除。

2 閘門計算機監控系統重建的必要性及擬建成目標

2.1 閘門計算機監控系統重建的必要性

1）筍塔水庫地處暴雨區域，集雨面積較大，庫容相對較小，汛期閘門啟閉頻繁；管理處與泄洪閘房相距近千米，對閘門控制不方便、不安全，不能滿足目前水庫防洪調度快速反應的要求，因此重建閘門監控系統非常必要。

2）運用信息技術（計算機、網絡、通訊技術）能及時、快捷、準確、可靠地傳遞水、雨情，有效地提高洪水預報精度和延長洪水預見期，為制定防洪調度方案提供科學、快速、準確的依據和手段，進一步提高水庫防洪減災能力，對保護下游人民生命財產安全起著重要作用。

3）系統具有信息資源共享，網絡在線監視，實時動態查詢功能。通過分析水雨情資料、水位流量關系，有助于修正優化防洪興利調度計劃，為水庫防汛、供水管理決策提供科學依據，充分利用水資源，最大限度地發揮防洪及供水等方面的效益。

4）對水庫有關數據進行監測，分析變化趨勢，為管理部門及時、準確地掌握水庫的運行狀況提供科學依據，極大地提高對水庫工程的科學管理水平。

2.2 閘門計算機監控系統建設目標

1）對水庫流域內水、雨情信息實時準確地采集和監測。

2）可現地手動或自動、遠程自動控制各扇閘門的啟閉停狀態，自動檢測各扇閘門的開度、上游水位、泄洪流量；可實現定閘門開度、定泄流量的自動控制功能。

3）建立數據庫，提供相關信息查詢服務。提供各時段的雨量、水庫水位、閘門狀態、泄流量、泄洪量統計等相關數據的報表，并可打印成紙質資料。

4）視頻監控系統覆蓋重要監控區域（大壩概貌、水庫概貌、水庫水尺觀測、各扇閘門啟閉機動作監視、溢洪道泄流監視等），24 h 在線智能監控，要有良好的夜視能力，歷史數據存檔期不少于10 d。

5）系統具有直觀良好的操作界面。

6）系統應具有可拓展性，為今后水庫建設水質監控系統、大壩滲流和壩體沉陷位移變形監測系統提供拓展平臺。

3 建設原則

1）實用性與先進性。采用成熟的計算機技術、自動控制技術、安全防范技術、網絡技術、通信技術，保證系統實用，隨機信息采樣周期及操作響應時間短，實時性好。在開放性與標準化方面，采用開放的網絡結構，便于系統的升級、擴展和互聯。

2）可靠性與安全性。主要考慮兩個方面：一是充分利用現有的高可靠性計算機網絡資源和設備，使整個網絡安全可靠；二是采用成熟的采集設備、控制設備、傳輸設備等，采取必要的防護措施保證系統有較高的抗干擾能力和糾錯能力，并設置系統的用戶表及口令限制，確保系統能長期可靠地運行。

3）經濟性和可擴展性。在滿足工程需要的前提下，選用性能價格比高的設備；采用的設備充分考慮易擴展、易升級換代，并且在擴展或升級時可以最大限度地保護原有的硬件設備和軟件投資。

4）集成性和可維護性。系統采用功能模塊集成且相對獨立，一個功能模塊故障不影響其它功能模塊的工作；監控主機具有自動診斷功能，能判定故障位置，便于維護。

5）統一規劃和分步實施。對整個系統進行統一規劃設計、分步實施；系統應留有擴展的余地和接口，使系統易于規模擴展和功能擴展；為以后大壩沉陷、位移、滲漏監測系統及水質監測系統的續建提供平臺，避免重復建設。

4 閘門計算機監控系統的結構特點及功能

本系統分為3 個子系統：一是水雨情自動測報子系統，二是視頻監視子系統，三是閘門自動化監控子系統。

4.1 水雨情自動測報子系統

通過傳感器和監測設施，實現對水雨情信息的實時現場監測。其由1 個水位雨量測站、2 個雨量測站和數據采集中心組成；監測站主要包括傳感器（水位計及雨量計）、遙測終端機RTU、4G 通訊模塊、太陽能電池板、蓄電池、充電保護控制器、光纖收發器等；數據采集中心有路由器、前置機、監控中心計算機等組成。

軟件功能：①雨情信息：系統支持實時雨量查詢，可顯示各雨量站的名稱、24 h 內的降雨情況，可以查看雨量數據報表。②水情信息：系統支持實時水位查詢，并以閃爍提示方式顯示超汛限和超警戒水位。可以查看水位過程線和水位數據報表。

4.2 視頻監視子系統

通過現場攝像裝置，將現場實時情景以圖像準確、快速、清晰地傳輸到管理處監控中心，值班人員根據圖像直觀地掌握相關設備設施的運行狀況和事故處理情況等；實時采集到的視頻信息存儲在服務器中，作為歷史資料以供查詢。

本視頻監視子系統共設置9 個監視點。設置3 個槍式紅外高清網絡攝像機分別監視3 個閘門啟閉機動作情況，設置2 個球式紅外高清網絡攝像機分別監視閘門處溢洪道上、下游泄洪情況，設置1 個球式紅外高清網絡攝像機觀察水尺，設置2 個球式紅外高清網絡攝像機分別位于大壩左右側以監視大壩，設置1 個球式紅外高清網絡攝像機監視庫區。

軟件功能：系統支持在統一平臺遠程查看各視頻點信息，對各視頻監視點實現任意切換查看；支持調整多畫面集成與分解及對視頻信息多畫面靈活調整的實時查看；并可以通過軟件控制現場的攝像機鏡頭以及云臺，調整光圈大小、焦距遠近、變倍高低以及圖像角度等，滿足對現場多方位監控需要；支持將視頻在內外網、互聯網上分級發布，當工作人員外出時，能隨時通過不同網絡獲取視頻信息。

4.3 閘門自動化監控子系統

閘門自動化監控子系統可分為閘門監控和計算機網絡兩部分。

閘門監控采用3 層開放分布式結構，其包括現地手動控制層，現地集中控制層，管理處監控中心（遠程）控制層等部分。

1）現地手動控制層設于閘門啟閉機端，每個閘門各配置一套，由啟閉電機、常規的繼電器、限位開關等組成控制回路，實現每扇閘門的啟、閉、停控制。

2）現地集中控制層設在溢洪道閘房內，由LCU機柜內的PLC 模塊、觸摸屏等組成。其自身軟、硬件能獨立完成運行，主要功能有：①通過傳感器對水位、閘門開度等數據進行測量，所有的關鍵數據均能在系統界面上顯示；②人工在觸摸屏上鍵入指令，實現閘門的控制；③實施管理處監控中心主機的控制命令，控制閘門自動升、降、停；④對數據采集、處理和對系統進行診斷，網絡和其它控制器故障不會影響其工作。

3）管理處監控中心（遠程）控制層設在水庫管理處，其由網絡硬盤錄像機、監控計算機等組成，接收、儲存現地集中控制層的采集信息，值班人員可根據實時數據進行必要的調整，形成調度指令并將指令下達。

4）計算機網絡采用全開放系統結構，計算機等都使用符合開放系統國際標準的中文版操作系統。

4.4 閘門自動化監控子系統軟件應具備的主要功能

1）時鐘同步。能夠使系統中的智能電子設備獲得統一的時間基準，這對于系統的實時監控、管理和安全保護具有重要的意義。

2）數據通信。現地控制層能接收各傳感器的測量數據及故障信息，并發送到管理處中心控制層；且接收管理處監控中心下達的各種控制指令。

3）實時監測。通過傳感器采集閘門運行狀態及開度等各種實時運行參數，并將這些數據保存在數據庫中，以供查詢，準確反映各設備的動作情況。

4）可視化管理功能。通過分別裝在溢洪道閘門上下游附近的二個彩色球形攝像機與閘門聯動對閘門工況進行監視，查看閘門上下游側水位、泄洪水流的形態。

5）計算統計。根據上下游水位、閘門開度確定泄洪流態，計算泄洪流量及泄洪水量；或根據水庫水位變化情況及庫容曲線確定上游來水量，并根據上下游水位、下泄流量、閘門的流量關系曲線等計算出開啟的閘門數和開度，自動控制閘門啟閉實現控制水位和控制流量平衡。

6）控制與調節。操作人員在監控中心主機或現地控制單元通過密碼登錄方式進入監控系統，系統則根據預定原則由操作人員輸入指令，完成對閘門的控制、調節，發生故障立即自動停止閘門的動作。

7）越限報警。根據實際情況對要采集的參數項目設置上、下限值，當系統檢測到越限等異常狀態，就會發出報警且將異常狀態信號顯示于顯示屏上，并在數據庫中記錄下來，以供查詢。

8）自診斷、故障報警。系統能對運行參數的變化趨勢進行分析，能對硬件設備、系統軟件、應用軟件的故障進行自檢，發現故障征兆或故障，立即停止該部分設備的運行（閉鎖相應的控制輸出），報警、并自動顯示和記錄。

9）記錄。對所采集的參數各按設定每隔一段時間保持一次，對閘門啟閉過程及前后狀態進行記錄，以供查詢。

10）歷史數據儲存與查詢。中心站主計算機數據庫能存儲本系統所采集的數據，觸摸屏只能存儲少量的報警及過程數據；它們都提供查詢接口。

11）打印功能。對能在顯示器中顯示的采集數據、匯總報表及視頻圖像都能通過設定的打印機打印出來。

5 采用的安全措施

1）設置權限管理。各監控站對閘門進行監控操作的先決條件是必須擁有系統控制權限，系統控制權限只有現場監控站才能進行授予、改變或收回。如果有幾個監控站都擁有控制權限，他們同時發出操作閘門指令，系統則會比較他們的權限級別，權限級別比較高的指令獲得執行，級別低的就會被屏蔽掉。

2）設置支持視頻子系統與閘門監控子系統頁面集成，使閘門出水口實時監控圖像與閘門監控子系統的監控界面同一窗口顯示，讓操作人員在實施控制閘門時，能同時看到整個閘門及其啟閉機現場的真實反應動作，并能夠對監控圖像的攝像機的云臺、變焦等進行控制調節。

3）配置閘位上、下限位保護。將上、下限位開關分別接入閘門啟、閉電路，當閘門運動至限制位置，自動切斷控制電路，防止閘門開、關過頭。

4）設置電機保護器檢測電動機電壓、電流，當電動機過載或缺相等故障時能隨時報警，并切斷控制電路，停止閘門啟閉。

5）PLC 軟件設計具有自檢功能，系統通電PLC 首先對各個傳感器輸入信號和控制狀態反饋信號進行檢測，各個信號準確無誤后才進入運行控制程序。

6）系統軟件設計采用自鎖和互鎖功能。當自檢測到故障時系統進入自鎖狀態，立即停止閘門運行，只有故障排除后才能啟動控制程序。

7）故障時緊急停機措施。在閘門啟閉電機動力線路上接入斷路器，軟件設計為：當系統發出閘門停止的控制命令2 s后，閘門仍繼續運行，若電機動力線路接觸器故障，就必須緊急斷開斷路器，切斷電機電源，停止閘門運動。

8）掉電保護。中心站在失去正常供電電源時，系統能迅速啟用備用直流電源供電，以保證在一段時間內能繼續對現場數據進行采集和保存，避免信息丟失，當主電源恢復供電時，又自動切換為主電源供電。

9）設置“防火墻”。在網絡中，將內部網和公眾訪問網（Internet）分開，在兩個網絡通訊時執行一種訪問控制尺度，它能允許你“同意”的人和數據進入你的網絡，同時將你“不同意”的人和數據拒之門外，保護內部網免受非法用戶入侵。

10）防雷設施。針對水庫的工程特點，要采用多個環節和多種措施進行防雷保護，主要措施有：合理、規范的接地處理；電源防雷；儀器及引線防雷；通信系統防雷。

6 結語

重建后的筍塔水庫閘門計算機監控系統是一套經濟實惠、可靠性強、穩定性高、功能齊全、故障易檢修、防護措施到位的現代自動化信息化的控制系統，它提高了閘門自動化水平和管理效率，極大地改善了勞動環境；對保障水庫安全運行，進一步提高水庫防洪減災、調度運行技術水平起著重要作用；促進水庫發揮更好的經濟效益和社會效益。