基于現(xiàn)代化技術(shù)的水利工程閘門安全運(yùn)行管理研究

楊 涌

(塔里木河流域巴音郭楞管理局開(kāi)都-孔雀河管理處開(kāi)都河下游管理站，新疆 郭楞 841000)

1 概 述

隨著經(jīng)濟(jì)水平和綜合國(guó)力的不斷提升，我國(guó)水利工程建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展期。相較于其他工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，水利工程在施工建設(shè)質(zhì)量及安全運(yùn)行管理方面有著更高的要求。在此背景下，以計(jì)算機(jī)、通信及自動(dòng)化控制為代表的現(xiàn)代化技術(shù)在水利工程建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用和不斷創(chuàng)新。作為水利工程設(shè)施整體運(yùn)行的重要組成部分，水閘安全運(yùn)行管理水平的不斷提高是進(jìn)行水情分析、安全防洪的重要基礎(chǔ)，而水閘安全運(yùn)行管理水平的提高離不開(kāi)現(xiàn)代化自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的充分應(yīng)用。對(duì)于水利工程閘門的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集、更新和分析閘門的監(jiān)控圖像信息，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門安全運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可以進(jìn)一步提高水利工程閘門的安全運(yùn)行效果。本文以某水利工程閘門為對(duì)象，探討了現(xiàn)代化自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)在閘門安全運(yùn)行管理中的應(yīng)用，以期為水利工程閘門自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

2 整體設(shè)計(jì)方案

2.1 閘門工程參數(shù)

某水利工程閘門具體工程參數(shù)如表1所示，閘門立面如圖1所示。

表1 水利工程閘門工程參數(shù)

圖1 閘門立面(單位：cm)

2.2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在日常運(yùn)行過(guò)程中，該水閘起著引水、泄洪、通航等作用，因此其安全運(yùn)行管理對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)控要求更高更嚴(yán)。針對(duì)這一情況，為了滿足該閘門安全運(yùn)行管理的實(shí)際需要，本文采用計(jì)算機(jī)+自動(dòng)化控制相結(jié)合的現(xiàn)代化技術(shù)來(lái)構(gòu)建閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

由圖2可以看出，擬構(gòu)建的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上可分為監(jiān)控中心和PLC控制單元兩部分，每一部分都有相應(yīng)的構(gòu)件組成且具有不同的功能。

圖2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

(1)閘門監(jiān)控中心。以計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)件、接口設(shè)備和外圍設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)件共同組成閘門監(jiān)控中心。其中，外圍設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)接口設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后再通過(guò)接口設(shè)備輸出至外圍設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的全面監(jiān)控。閘門監(jiān)控中心主要功能如表2所示。

表2 閘門監(jiān)控中心功能

(2)PLC控制單元。在閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門運(yùn)行動(dòng)力的提供、相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、控制指令的發(fā)出均需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，此次設(shè)計(jì)的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元由三部分組成，具體功能如表3所示。

表3 PLC控制單元功能

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

對(duì)于該水利工程閘門，通過(guò)分層分布式的PLC(可編輯控制器)控制方式來(lái)構(gòu)建閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，圖3所示為自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D。由圖3可以看出，閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可分為主控層、現(xiàn)地單元PLC控制層、閘門PLC控制層三個(gè)層次。其中，主控層即閘門監(jiān)控中心主控室，現(xiàn)地單元PLC控制層通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線以太網(wǎng)光纖的布設(shè)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，閘門PLC控制層通過(guò)多個(gè)分布式PLC控制器對(duì)閘門運(yùn)行進(jìn)行控制，三個(gè)控制層協(xié)同作用可以有效提高閘門的安全運(yùn)行效果。

3.2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在閘門安全運(yùn)行的自動(dòng)化監(jiān)控過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)分布的多個(gè)PLC控制器會(huì)定期采集可以反映閘門運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并傳輸至監(jiān)控中心主控室，主控室對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令，現(xiàn)場(chǎng)分布的PLC控制器根據(jù)接收到的控制指令對(duì)閘門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。在閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、傳輸及控制指令的接發(fā)是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式有多種，根據(jù)該閘門安全運(yùn)行的實(shí)際監(jiān)控要求，該監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用WinCC構(gòu)建方式。相對(duì)于其他通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式而言，WinCC的通訊結(jié)構(gòu)有著自身優(yōu)勢(shì)。采用WinCC通訊結(jié)構(gòu)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，WinCC首先在主程序建立變量管理器用于存儲(chǔ)和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后可根據(jù)已確定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選擇WinCC驅(qū)動(dòng)程序和組態(tài)邏輯進(jìn)行連接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)WinCC通訊方式構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的流程框圖如圖4所示。

圖3 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖4 WinCC通信結(jié)構(gòu)

3.3 PLC控制器的選型

由上述可知，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制單元對(duì)閘門的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制,僅通過(guò)單一的現(xiàn)場(chǎng)控制器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而是需要通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)中的多個(gè)模塊共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，閘門安全運(yùn)行自動(dòng)化控制是一個(gè)多模塊協(xié)同作用、精準(zhǔn)、可靠的控制過(guò)程，這對(duì)于各模塊的功能有著很高的要求，尤其對(duì)閘門現(xiàn)場(chǎng)控制器這一用于接收控制指令對(duì)閘門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接控制的模塊的選用要求更高。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)控制器可選用的類型有多種，其中以單片機(jī)控制器和PLC控制器為主。PLC是目前自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的控制器類型，相比于其他類型的控制器，PLC控制器的應(yīng)用更具有優(yōu)越性。首先，PLC控制器對(duì)于不同惡劣程度的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都有著較好的適應(yīng)性，對(duì)于自身控制功能的影響較小； 其次，PLC控制器在數(shù)據(jù)處理及聯(lián)網(wǎng)通訊方面與其他工控機(jī)都能進(jìn)行很好地結(jié)合，形成的控制系統(tǒng)可靠性更高； 最后，PLC控制器通過(guò)已編程序進(jìn)行控制易于實(shí)現(xiàn)、改擴(kuò)及I/O接口的擴(kuò)展，使其能夠?qū)Σ煌F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及因素具有較強(qiáng)的抗干擾能力。經(jīng)過(guò)多方面綜合比較，該水閘工程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7系列中的MYM7-200 PLC控制器作為本次閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器，S7-200PLC控制器具體CPU類型如表4所示。

表4 S7-200 CPU類型

3.4 閘門監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的選擇及功能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，組態(tài)軟件已經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。對(duì)于閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，閘門安全運(yùn)行狀態(tài)的整個(gè)監(jiān)控過(guò)程是依靠組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)控過(guò)程的控制的具體功能如表5所示。

表5 組態(tài)軟件功能特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)綜合比較和選擇，確定該水利工程閘門監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件為SIMATIC WinCC， WinCC組態(tài)軟件由不同的子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)功能如表6所示。

表6 SIMATIC WinCC組態(tài)軟件子系統(tǒng)及功能

4 結(jié) 論

在水利工程運(yùn)行過(guò)程中必須采取相應(yīng)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決閘門安全運(yùn)行所存在的問(wèn)題，加強(qiáng)閘門安全運(yùn)行的監(jiān)管力度，切實(shí)提高閘門運(yùn)行安全管理水平。因此，在水利工程閘門安全運(yùn)行過(guò)程中要充分利用現(xiàn)代化技術(shù)，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)閘門安全運(yùn)行狀況的監(jiān)控。提高水利工程閘門自動(dòng)化控制水平，對(duì)于水利工程閘門安全運(yùn)行管理水平的提升具有顯著增強(qiáng)作用。