繆岳軍，馮 明

（江陰市江港堤閘管理處，江蘇 江陰 214431）

0 引言

江陰市江港堤閘管理處（以下簡(jiǎn)稱管理處）下轄沿江 11 座引排水套閘、城區(qū) 3 座泵站等水利工程。這些水利工程在防洪、排澇、灌溉、通航、調(diào)節(jié)內(nèi)河水質(zhì)等方面發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，對(duì)水利工程管理要求的不斷提高，原有的基于電話、文件等人工管理手段，已不能適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。自 2006 年以來(lái)，管理處對(duì)下屬閘站進(jìn)行技術(shù)改造，建設(shè)了水利工程遙測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了水情、氣象、閘門、泵機(jī)、視頻等信息，實(shí)現(xiàn)了沿江站群的智能調(diào)度。

1 主要改造技術(shù)研究

1.1 系統(tǒng)可靠性控制

1.1.1 閘門啟閉控制

閘門控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了繼電器邏輯控制、集成電路邏輯控制和計(jì)算機(jī)與 PLC 技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的控制3 個(gè)階段[1]。改造前的閘門控制采用 PLC 控制，PLC實(shí)時(shí)測(cè)量閘門開(kāi)啟高度、上下位置限位和電機(jī)功率等信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的開(kāi)啟高度目標(biāo)，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前閘門開(kāi)啟高度，形成閉路的閘門啟閉控制，并利用上下位置限位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在線保護(hù)[2]。

上下位置限位信號(hào)傳感器有多種類型，主要有導(dǎo)軌式和齒輪傳動(dòng)式限位器。在實(shí)際使用中，主要存在以下問(wèn)題：

1）齒輪傳動(dòng)式限位器和卷?yè)P(yáng)機(jī)連接的連接鏈條，較容易脫落，造成限位器不起作用；

2）齒輪傳動(dòng)式限位器位置信號(hào)異常，表現(xiàn)在位置信號(hào)不正確，如要求在 5.0 m 產(chǎn)生限位信號(hào)，但有時(shí)在 4.5 m 就發(fā)出限位信號(hào)；

3）安裝齒輪傳動(dòng)式限位器時(shí)，需要附加固定限位器的機(jī)械裝置，安裝復(fù)雜；

4）導(dǎo)軌式限位器器件故障，主要表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)信號(hào)失效。

根據(jù)對(duì) 2 種限位信號(hào)傳感器的安裝固定、使用維護(hù)等方面的研究，將齒輪傳動(dòng)式限位器全部改成導(dǎo)軌式限位器。針對(duì)導(dǎo)軌式限位器開(kāi)關(guān)信號(hào)失效的問(wèn)題，同時(shí)避免在控制部分可能出現(xiàn)的問(wèn)題，增加了第 2 個(gè)導(dǎo)軌式限位器。其中第 1 個(gè)導(dǎo)軌式限位器信號(hào)接入 PLC，供 PLC 作為限位信號(hào)使用 ；第 2 個(gè)限位信號(hào)串入卷?yè)P(yáng)機(jī)電源控制，即當(dāng)發(fā)生第 2 個(gè)限位器信號(hào)時(shí)，自動(dòng)切掉卷?yè)P(yáng)機(jī)電源。

采用該方案，在保留原有閘門閉路控制、上下位置限位及卷?yè)P(yáng)機(jī)電流過(guò)載保護(hù)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)電源的硬件保護(hù)方案，不需要修改原 PLC 控制部分的電路及程序，提高了閘門控制的可靠性。

在改造后的幾年的實(shí)際運(yùn)行中，江陰沿江各閘站未再發(fā)生閘門啟閉事故。

1.1.2 水位測(cè)量

江陰沿江各閘站的水位測(cè)量設(shè)備，有壓力式和浮子式 2 種水位計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，分 3 種工作模式：

1）測(cè)量閘室內(nèi)部的水位，采用壓力式水位傳感器；

2）測(cè)量上下游水位，閘站現(xiàn)場(chǎng)有孔槽的，采用直徑為 120 mm 的厚壁 PVC 管安裝浮子式水位計(jì)；

3）測(cè)量上下游水位，閘站現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有孔槽的，采用直徑為 300 mm 的厚壁 PE 波紋管，安裝在河道駁岸上，用浮子式水位計(jì)測(cè)量水位。

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施如下：

1）壓力式水位計(jì)。在進(jìn)行閘室水位測(cè)量時(shí)，由于船只進(jìn)出帶來(lái)的干擾，造成水位波動(dòng)很大，有時(shí)水位實(shí)際變幅在 10 cm 內(nèi)時(shí)，測(cè)量結(jié)果有可能為20 cm 左右。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，船只在閘室內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，對(duì)壓力式水位計(jì)的影響較大，為此，在壓力式水位計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用延長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，去掉最高、最低數(shù)據(jù)，然后取均值的方法，這樣得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，與實(shí)際情況比較一致。

2）浮子式水位計(jì)。江陰沿江潮位變化快，水位變化頻繁，為防止堵塞，原水位測(cè)井開(kāi)的透水孔很大。經(jīng)多次進(jìn)行測(cè)井不同孔徑比的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) 1∶24的測(cè)井孔徑比，測(cè)得的水位，既達(dá)到最佳的消浪效果，又可以反映實(shí)際的水位變化情況。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行水位的長(zhǎng)期比對(duì)和核查，在水位自動(dòng)采集的基礎(chǔ)上，輔助以視頻監(jiān)控，對(duì)水位進(jìn)行校核，可解決水位計(jì)打滑等造成的誤差。

1.2 系統(tǒng)防雷

江陰沿江各測(cè)站主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

測(cè)站電源采用 220V 供電，即 RTU 等設(shè)備及LED 顯示屏均采用 220V 供電，顯示屏、水位計(jì)、閘位計(jì)與 RTU 采用 485 信號(hào)連接。

江陰各閘站沿江布設(shè)，經(jīng)分析，主要存在以下雷電傳導(dǎo)途徑：

1） 經(jīng)穩(wěn)壓電源傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)，主要表現(xiàn)為損壞穩(wěn)壓電源和 RTU 主模塊；

2） 經(jīng)顯示屏傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)，主要表現(xiàn)為顯示屏和 RTU485 接口損壞；

3）水面經(jīng)過(guò)閘位計(jì)傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)，主要表現(xiàn)為閘位計(jì)及 RTU485 接口損壞；

圖1 測(cè)站結(jié)構(gòu)圖

4）水面經(jīng)過(guò)水位計(jì)傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)，主要表現(xiàn)為水位計(jì)及 RTU485 接口損壞。

現(xiàn)代防雷主要手段有攔截、隔離、屏蔽、均壓、分流、接地等手段[3]，經(jīng)分析，經(jīng)閘位計(jì)傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)主要是，水面通過(guò)閘門，經(jīng)閘門傳導(dǎo)到閘位計(jì)，進(jìn)而傳導(dǎo)到測(cè)量系統(tǒng)；經(jīng)水位計(jì)傳導(dǎo)的雷擊信號(hào)主要是，水面通過(guò)鋼絲繩傳入水位計(jì)，進(jìn)而傳導(dǎo)到測(cè)量系統(tǒng)。

根據(jù)分析，改造時(shí)采取以下隔離措施：

1）在穩(wěn)壓電源和 LED 本地顯示器的電源前，增加限流限壓的防雷器；

2）水位計(jì)連接浮筒和平衡錘的不銹鋼絲改為絕緣體釣魚(yú)線；

3）采用絕緣過(guò)渡的方式固定閘門與閘位計(jì)。

采用上述措施后，由雷擊引起的系統(tǒng)故障，由原來(lái)的每年 3～6 起，減少到每年 2 起以下，并且沒(méi)有發(fā)生雷擊打壞閘位計(jì)和水位計(jì)的現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

沿江閘站監(jiān)控管理系統(tǒng)綜合氣象水情和工情信息采集、水利工程監(jiān)視、通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)，集數(shù)據(jù)、視頻采集，數(shù)據(jù)傳輸、處理，以及信息展示、防汛會(huì)商于一體。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 監(jiān)控子系統(tǒng)

采集的水情、工情、氣象數(shù)據(jù)要求能及時(shí)反映沿江各閘站的水位，雨量，閘門開(kāi)啟高度，風(fēng)向，風(fēng)速變化，實(shí)時(shí)性要求高，采集量大。采集設(shè)備選用 ACS300 數(shù)據(jù)采集設(shè)備和配套的采集程序，該程序支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，有較完善的擴(kuò)展接口，采集、發(fā)送數(shù)據(jù)頻率小于 5 min，數(shù)據(jù)延時(shí)小于 10 s，支持隨時(shí)召測(cè)和補(bǔ)召歷史數(shù)據(jù)功能，可對(duì)遙測(cè)站遠(yuǎn)程維護(hù)、診斷。電源方面采用 AC/DC 的供電方式，具有隔離變壓器和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，交流電源斷電 5 d 內(nèi)連續(xù)正常運(yùn)行；傳輸通道上租用無(wú)線 CDMA和有線光纖網(wǎng)絡(luò) 。

圖2 沿江站群監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 重點(diǎn)部位視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

在沿江多個(gè)重要閘站和場(chǎng)所安裝了由可旋轉(zhuǎn)、控制角度、變焦攝像頭組成的監(jiān)視系統(tǒng)，可同時(shí)查看不同站點(diǎn)的圖像，且能根據(jù)需要對(duì)同一閘站的不同監(jiān)視點(diǎn)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息和視頻信息的相互驗(yàn)證。

2.3 本地 LED 顯示屏

在每個(gè)閘站都配有 LED 本地顯示屏，顯示的水情和工情數(shù)據(jù)來(lái)自本閘站的 ACS300 數(shù)據(jù)采集器或PLC，與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)念l率一致，既為閘站工作人員合理、有序、安全控制閘站的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)，便捷，科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，又方便閘站技術(shù)人員對(duì)測(cè)站的維護(hù)、管理。

2.4 中心站

系統(tǒng)中心站提供對(duì)各種外部測(cè)站數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制，通過(guò)會(huì)商數(shù)據(jù)顯示程序?qū)?shù)據(jù)展示，具體功能如下：

1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)功能。通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)程序提供的數(shù)據(jù)接口，其它應(yīng)用程序可以不直接和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互操作，所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求都以接口函數(shù)的形式傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)程序，數(shù)據(jù)服務(wù)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)SQL 語(yǔ)句，向數(shù)據(jù)庫(kù)提交，執(zhí)行或數(shù)據(jù)請(qǐng)求結(jié)果再返回給其它應(yīng)用程序。采用這種工作方式，可以保證對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的安全性；同時(shí)，可以允許其它計(jì)算機(jī)在不安裝數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端軟件的情況下，直接使用水情應(yīng)用軟件。

2）數(shù)據(jù)處理功能。完成對(duì)水情的時(shí)段、日統(tǒng)計(jì)，并把結(jié)果存儲(chǔ)在 WDS 數(shù)據(jù)庫(kù)里，作為歷史資料永久保存，生成的結(jié)果提供給系統(tǒng)的很多用戶界面，如圖形、報(bào)表也需要這些數(shù)據(jù)的支持。同時(shí)該程序具有實(shí)時(shí)計(jì)算功能，可以實(shí)時(shí)計(jì)算閘門泄流量、雨量站雨量。

3）遠(yuǎn)程站群控制功能。通過(guò)專用的控制軟件，實(shí)現(xiàn)沿江閘站的遠(yuǎn)程調(diào)度與控制。

4）會(huì)商數(shù)據(jù)顯示功能。將會(huì)商會(huì)議上使用的各種數(shù)據(jù)集中顯示在 1 個(gè)流域圖上，同時(shí)提供過(guò)程線、棒圖、雨量等值線，以及報(bào)表等多種數(shù)據(jù)展示形式，通過(guò)該程序，用戶既可以了解整個(gè)地區(qū)的水情信息，也可以查詢?cè)摰貐^(qū)的歷史數(shù)據(jù)，為防汛決策提供信息。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 視頻和現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證

在外部遙測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)，建立了數(shù)據(jù)和視頻采集，并將視頻系統(tǒng)集成到系統(tǒng)中心平臺(tái)上，在防汛調(diào)度或會(huì)商時(shí)，與會(huì)領(lǐng)導(dǎo)和專家可以針對(duì)不同的關(guān)鍵站點(diǎn)，任意切換。

3.2 支持多級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)上下級(jí)水利系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

管理處遙測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是江陰水文遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，而江陰水文遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)作為江蘇省水利防汛信息系統(tǒng)的 1 個(gè)分中心，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)經(jīng)無(wú)錫防辦的信息中心，上傳到江蘇省水利廳信息中心，延時(shí)小于 1 min，為在江蘇省水利廳內(nèi)或無(wú)錫防辦組織會(huì)商會(huì)議，部署江陰沿江地區(qū)的防汛，提供了可靠信息。

4 結(jié)語(yǔ)

江陰沿江閘站監(jiān)控管理系統(tǒng)在近幾年的使用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題，如系統(tǒng)電源箱和顯示屏易被雷擊損壞；浮子式水位計(jì)不能適應(yīng)沿江水套閘開(kāi)閘時(shí)劇烈的水位變化；缺乏專業(yè)的維護(hù)人員，遇到故障不能及時(shí)判斷發(fā)生問(wèn)題的設(shè)備。

針對(duì)上述問(wèn)題，江陰市江港堤閘管理處結(jié)合實(shí)際情況做了相應(yīng)的改進(jìn)：系統(tǒng)電源箱的防雷模塊上增設(shè)了保險(xiǎn)絲，雷擊損壞后可以自行更換保險(xiǎn)絲；改進(jìn)了閘位計(jì)與閘門的連接方式，更換了水位計(jì)與平衡錘、浮筒的連接模式，修改了測(cè)井直徑與透水孔的比例，使之能夠更適應(yīng)沿江水套閘的水位、閘門變化；增加光纖網(wǎng)絡(luò)帶寬，使數(shù)據(jù)不發(fā)生延時(shí)或卡阻，保證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)上傳至中心服務(wù)器。培訓(xùn)專業(yè)維護(hù)人員或落實(shí)專業(yè)維修單位，保證系統(tǒng)設(shè)備能夠正常運(yùn)行，發(fā)揮作用。

通過(guò)改進(jìn)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，充分延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，使江港堤閘的管理從單一工程的管理提升到全局工程管理上來(lái)，從而全面提升水利工程的管理水平，充分發(fā)揮了工程效益。

[1]楊英. 水電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）， 2001, 33 (1): 110-112.

[2]Modicon. Modbus 通信協(xié)議 [EB/OL].[2012-07-20].http://www.realinfo.com.cn/tech/ModbusXY.htm.

[3]虞昊. 現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 2 版.北京：清華大學(xué)出版社，2005: 237-240.