黃干祥

杜家臺(tái)分洪閘控制系統(tǒng)改造和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

黃干祥

（湖北省漢江河道管理局杜家臺(tái)分洪閘管理分局 湖北仙桃 433000）

本文簡介了杜家臺(tái)分洪閘概況；設(shè)計(jì)了杜家臺(tái)分洪閘啟閉機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)改造和主體工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

漢江 杜家臺(tái)分洪閘 控制系統(tǒng) 技術(shù)改造 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，社會(huì)進(jìn)入數(shù)字化、信息化時(shí)代。而利用高新技術(shù)輔助防汛人員對上下游水域狀況、啟閉機(jī)工作狀況以及涵閘運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，可以大大提高工作效率和管理的自動(dòng)化水平，方便防汛指揮人員快速做出科學(xué)的調(diào)度決策。在高新技術(shù)數(shù)字化發(fā)展的今天，“多媒體、數(shù)字化、全方位”是杜家臺(tái)分洪閘工程管理提升其現(xiàn)代化水平的必然趨勢。陳舊過時(shí)的啟閉控制系統(tǒng)嚴(yán)重制約了杜家臺(tái)閘的工程管理，也為安全運(yùn)用埋下了許多隱患。因此，杜家臺(tái)分洪閘啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)改造勢在必行。

1 工程概況

杜家臺(tái)分洪閘是長江中下游防洪體系的重要組成部分，也是漢江下游唯一的人工控制運(yùn)用工程。擔(dān)負(fù)著分泄?jié)h江下游超額洪水，減輕漢江下游的防洪壓力，控制漢川和武漢河段的安全泄量，起著非常重要作用。該工程屬國家大I型2等水利工程。1956年4月建成，為鋼筋混凝土永久性結(jié)構(gòu)，弧形鋼質(zhì)閘門，共30孔，每孔凈寬12.1m，高4m，閘室總長411.93m。手搖電動(dòng)兩用式啟閉，以電動(dòng)為主。設(shè)計(jì)正常分洪流量4000m3/s，校核流量5300m3/s。工程自建成以來，21次安全運(yùn)用，分泄?jié)h江洪水總量196億m3，為確保漢江下游防洪安全發(fā)揮了巨大的和不可替代的作用。在今后漢江流域的開發(fā)利用中，仍將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2 控制系統(tǒng)技術(shù)改造和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1技術(shù)改造的設(shè)計(jì)

2.1.1 保留原有閘門的啟閉機(jī)械傳動(dòng)部分

根據(jù)多年來的實(shí)際運(yùn)行情況，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)的減速箱及閘門開啟和關(guān)閉工作機(jī)械性能基本可靠，故障率較低，該部分全部保留。

2.1.2 更換原有集控柜裝置

由于原集控柜裝置工作不可靠，加之線路復(fù)雜，無法恢復(fù)正常工作狀態(tài)，故選用現(xiàn)代集中——分散式控制方式取代原來的集中控制方式。采用成熟可靠的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主控機(jī)，用遠(yuǎn)程串行方式與各分控制柜PLC進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)運(yùn)行，提高可靠性。

2.1.3 增加分控制柜內(nèi)的控制器

原分控制柜于2013年進(jìn)行了技術(shù)改造，故增選用現(xiàn)代可編程序控制器PLC以及先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)元件組成體積小、動(dòng)作靈敏、高可靠性的單元，同時(shí)增加報(bào)警視聽指示功能。

2.1.4 改造分洪閘中心控制室

因原中心控制室設(shè)備報(bào)廢，需更換新的控制設(shè)備，增加計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，大屏幕投影裝置，將中心控制計(jì)算機(jī)上的顯示畫面投影到大屏幕上。

2.1.5 增加攝像視頻系統(tǒng)

原閘區(qū)沒有視頻裝置，此次改造中增加攝像視頻系統(tǒng)，該視頻系統(tǒng)由七個(gè)攝像控制裝置組成。其控制裝置與中心控制計(jì)算機(jī)相連，能與計(jì)算機(jī)控制切換七個(gè)攝像頭的畫面。

2.1.6 增加遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

為使省防指能對閘區(qū)的分洪情況進(jìn)行視頻和控制，需將省防指的計(jì)算機(jī)與閘區(qū)中心控制室計(jì)算機(jī)通過光纖進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。一方面閘區(qū)的各種信息及攝像畫面直接傳送到省防指。另一方面，省防指發(fā)出的各種指令，閘區(qū)中心控制室直接接收，以實(shí)現(xiàn)省防指對閘區(qū)的指揮。

2.2杜家臺(tái)分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)的組成及工作過程

杜家臺(tái)分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)由省防指遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、閘門啟閉機(jī)控制三大子系統(tǒng)組成，見圖1。其整個(gè)系統(tǒng)框圖為：

圖1 杜家臺(tái)分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)接到省防指通知后杜家臺(tái)啟動(dòng)閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)，打開視頻系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，省防指即可調(diào)閱包括各攝像畫面和各分控柜參數(shù)等信息的WEB頁面，直接查看現(xiàn)場洪災(zāi)情況和各分控柜狀態(tài)。若確有分洪必要，省防指可通過WEB服務(wù)遠(yuǎn)程向閘區(qū)中心控制系統(tǒng)下達(dá)分洪命令和分洪量，閘區(qū)中心控制系統(tǒng)根據(jù)省防指命令的分洪要求，迅速確定分洪閘開啟孔數(shù)和分洪閘開啟高度，中心控制系統(tǒng)通過主PLC向各分控柜發(fā)出指令開啟相應(yīng)孔閘門。

啟閉機(jī)控制系統(tǒng)接收到命令后，各閘門分控柜開啟閘門，并將各閘門的開啟高度數(shù)迅速反饋到閘區(qū)中心控制系統(tǒng)，使得中心控制室的大屏上顯示各閘門的工作狀態(tài)，同時(shí)將閘區(qū)當(dāng)前工作狀態(tài)送到省防指。此后，省防指根據(jù)分洪現(xiàn)場的各種情況，隨時(shí)向閘區(qū)中心控制室發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)省防指對整個(gè)分洪過程實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控，直至分洪完成。

其具體工作流程圖如圖2所示。

圖2 杜家臺(tái)分洪閘監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

3 三個(gè)子系統(tǒng)的組成及工作原理

3.1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)對閘區(qū)的所有閘門實(shí)現(xiàn)集中控制和管理，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)與省防指相連接，接收上級(jí)的指揮和監(jiān)控，形成一個(gè)完整的指揮控制中心。

3.1.1 硬件組成及工作原理

本系統(tǒng)的硬件包括一臺(tái)路由器、一臺(tái)交換機(jī)、兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、一臺(tái)WEB服務(wù)器、一臺(tái)UPS電源、一臺(tái)打印機(jī)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)（作監(jiān)控和投影儀控制用）和一臺(tái)大屏幕投影儀等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承擔(dān)控制計(jì)算機(jī)與省防指計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)；為提高工作的可靠性，由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)形成主—備份控制，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，立即切換到備份機(jī)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。大屏幕投影儀是將控制主機(jī)的主要信息顯示在大屏幕上，以便指揮集體觀察分洪狀況，進(jìn)行分析、決策。

分洪進(jìn)入工作狀態(tài)后，主控機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接收省防指下達(dá)的命令，一旦接收指令后，啟動(dòng)集控系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上設(shè)置各閘門的開啟高度和開啟順序，接著主控機(jī)通過接口向PLC發(fā)令，指揮閘門按程序工作，并掃描接收各分控閘門的控制柜反饋信息，并將當(dāng)前的閘門狀態(tài)、流量、流速以及各攝像頭的切換畫面投影到大屏幕上，同時(shí)將有關(guān)信息和畫面通過網(wǎng)絡(luò)傳送到省防指，并隨時(shí)準(zhǔn)備接收省防指發(fā)來的新命令。為便于資料保存，隨時(shí)將分洪數(shù)據(jù)打印備檔。

3.1.2 軟件組成及功能

整個(gè)系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)程集控模塊、視頻監(jiān)控模塊、日志管理模塊和備份模塊。其中，遠(yuǎn)程集控模塊和視頻監(jiān)控模塊采用B/S結(jié)構(gòu)，日志管理模塊和備份采用C/S結(jié)構(gòu)。

3.2視頻子系統(tǒng)

視頻裝置主要用來觀察分洪時(shí)的現(xiàn)場水情和工作人員情況信息。

杜家臺(tái)分洪閘共30孔，根據(jù)實(shí)際情況，視頻子系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)為7個(gè)，這7個(gè)點(diǎn)的分布是：閘前水勢監(jiān)測攝像頭安裝在第15孔處；閘后分洪水情觀測攝像頭安裝在第15孔處；閘門開啟狀態(tài)和閘室水躍監(jiān)測攝像頭安裝在第12孔處；啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測攝像頭安裝在15孔啟閉機(jī)房內(nèi)；啟閉機(jī)房內(nèi)整體控制狀態(tài)監(jiān)測攝像頭分別安裝在第1孔和30孔處；集控室狀態(tài)監(jiān)測攝像頭安裝在集控中心室內(nèi)。

視頻裝置的組成如圖3所示。

圖3 視頻裝置的組成框圖

3.3閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)組成及工作原理

3.3.1 系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)地監(jiān)控單元、閘位計(jì)及通信設(shè)備組成。

系統(tǒng)設(shè)10臺(tái)現(xiàn)地監(jiān)控單元分別監(jiān)控30孔分洪道閘門的運(yùn)行，監(jiān)控單元與監(jiān)控主機(jī)采用RS-422或RS-485通信接口，采用總線結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)為分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分三級(jí)控制，即遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控級(jí)/現(xiàn)地單元監(jiān)控級(jí)/手動(dòng)控制。監(jiān)控主機(jī)為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控級(jí)，它可由操作員鍵入操作指令或按編制的運(yùn)行調(diào)度規(guī)則自動(dòng)產(chǎn)生控制指令，再由監(jiān)控主機(jī)將信息傳送給各現(xiàn)地監(jiān)控單元，現(xiàn)地監(jiān)控單元?jiǎng)t根據(jù)操作指令，按編制的操作邏輯自動(dòng)完成全部操作并監(jiān)控閘門的運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)地監(jiān)控單元配有集中控制按鈕和現(xiàn)地閘位顯示，操作員可就地操作完成該單元所轄閘門的控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)地監(jiān)控單元可獨(dú)立完成自動(dòng)控制任務(wù)，個(gè)別單元故障不會(huì)引起系統(tǒng)故障，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

上游水位采用閘前3組水位、閘前4組水位的算術(shù)平均值，下游水位采用閘后13組水位，閘后14組水位的算術(shù)平均值。以上四處的水位需要建造水位井，安裝浮子式水位計(jì)，將水位線引進(jìn)閘門啟閉室，由現(xiàn)地監(jiān)控單元采集其水位值。

閘門啟動(dòng)流程：首先啟動(dòng)潤滑電機(jī)，當(dāng)減速箱的齒輪完成噴油后，停止?jié)櫥姍C(jī)，緊接著吸合電磁鐵并啟動(dòng)電機(jī)，閘門開始上升，高度檢測傳感器測出閘門的開啟高度，并記錄到存儲(chǔ)器里，以備主控機(jī)查詢。當(dāng)閘門升到所要求的高度后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，松開電磁鐵，抱剎。當(dāng)需要關(guān)閘門時(shí)，重復(fù)以上動(dòng)作，不同的是電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）監(jiān)控主機(jī)功能

閘門監(jiān)控主機(jī)設(shè)置在中心站室內(nèi)。該主機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。主要承擔(dān)對每處閘門的實(shí)時(shí)控制操作和數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸?shù)热蝿?wù)。其主要功能如下：

自動(dòng)檢測各扇閘門的開、上下游水位及運(yùn)行狀態(tài)信息；

提供直觀的操作界面，操作員可方便的實(shí)施各扇閘門的啟、閉操作；

具有現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程控制選擇，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行；

具有定閘門高度自動(dòng)控制和定泄量自動(dòng)控制功能；

具有故障告警和越限告警以及告警自動(dòng)記錄功能；

具有單扇閘門泄量統(tǒng)計(jì)和總泄量統(tǒng)計(jì)功能；

自動(dòng)操作記錄和單門開啟時(shí)間、累計(jì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)；

打印日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表；

動(dòng)態(tài)圖形顯示閘門啟閉過程和各類操作；

建立本機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；

提供多級(jí)操作員安全等級(jí)設(shè)置，具有操作員自動(dòng)登記功能；

具有自檢和系統(tǒng)故障提示功能；

提供查詢服務(wù)；

中文界面。

從系統(tǒng)可靠性考慮，系統(tǒng)同時(shí)配備一套相同的閘門監(jiān)控主機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)上備份運(yùn)行，一旦運(yùn)行主機(jī)出故障，可以人工切換備用主機(jī)運(yùn)行。

（2）現(xiàn)場監(jiān)控單元功能

接收上位機(jī)調(diào)度運(yùn)行命令，發(fā)送現(xiàn)場采集的各類設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)與狀態(tài)信號(hào)；

根據(jù)上位機(jī)指令可進(jìn)行閘門的控制功能。具有安全閉鎖功能；

閘門控制高度范圍為0～5m；

群控時(shí)，根據(jù)上位機(jī)給定的泄流量，現(xiàn)地監(jiān)控單元將自動(dòng)進(jìn)行順序開關(guān)各閘門至給定位置處；

單門控制時(shí)，上位機(jī)將閘門運(yùn)行范圍送現(xiàn)地監(jiān)控單元，現(xiàn)地監(jiān)控單元根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)行單門控制操作；

配有現(xiàn)地操作按鈕可脫網(wǎng)獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)對單門、多門的集中操作；

具有運(yùn)行狀態(tài)判別，故障多重保護(hù)功能；

對閘門運(yùn)行中出現(xiàn)的卡滯、飛車和粘連等故障可以自動(dòng)做出處理并報(bào)警；

顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)，動(dòng)態(tài)的顯示閘位；

具有單元自檢功能；

硬件熱插拔。

（3）系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

監(jiān)控主機(jī):MTBF≥40000h。

現(xiàn)地監(jiān)控單元:MTBF≥40000h。

傳感器：≥40000h。

閘位計(jì):觸點(diǎn)壽命≥10000000次。

（4）系統(tǒng)實(shí)時(shí)性指標(biāo)

開關(guān)量巡測周期≤1s。

開關(guān)量分辨率: ≤5ms。

人機(jī)接口響應(yīng)時(shí)間：調(diào)用新畫面：≤2s；畫面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新：≤2s；操作員控制與調(diào)節(jié)命令發(fā)出到控制單元回復(fù): ≤3s；報(bào)警事件產(chǎn)生到畫面顯示：≤2s。

（5）系統(tǒng)可維護(hù)性

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)具有自診斷功能，可自動(dòng)確定故障位置。

監(jiān)控現(xiàn)地單元具有自診斷功能，可自動(dòng)確定故障位置。

通信設(shè)備具有自診斷功能，可自動(dòng)確定故障位置。

PLC可熱插撥。

具有試驗(yàn)和隔離故障斷點(diǎn)開關(guān)。

互換性：所有同型號(hào)設(shè)備、傳感器、PLC均可互換。

平均維護(hù)修復(fù)時(shí)間≤1h。

（6）安全性

電氣控制設(shè)備具有硬件互鎖機(jī)構(gòu)。

控制操作具有軟件互鎖邏輯，具有閘門卡滯、失速判別與保護(hù)。

主控軟件具有誤操作判別、拒動(dòng)和提示。

（7）可擴(kuò)性

I/O模塊預(yù)留15%的備用點(diǎn)。

CPU負(fù)載率≤50%。

4 工程管理運(yùn)用

啟閉機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)改造實(shí)施完成以后，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與分控系統(tǒng)技術(shù)含量高，管理要求嚴(yán)，所以操作與監(jiān)護(hù)必須由有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及電腦技術(shù)熟練的工程技術(shù)人員來擔(dān)任。且崗位相對穩(wěn)定，節(jié)省人力。啟閉控制系統(tǒng)的改造既有恢復(fù)、又有保留，對原有的設(shè)施不是一概廢棄，改造后的控制系統(tǒng)將在原有基礎(chǔ)上有很大的改進(jìn)，可靠性、耐久性大大增強(qiáng)，特別對環(huán)境的監(jiān)測工作以及操作運(yùn)行的資料收集整理，確保控制系統(tǒng)在良好的環(huán)境下運(yùn)行有極大的提高。

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1672-2469(2014)06-0076-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.025

黃干祥（1967年—），男，工程師。