汾东水系钢坝闸监控系统设计

刘小锋

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 概况

随着太原市经济社会的不断发展，尤其是西山、东山采煤活动的日益加剧，导致兰村泉锐减、晋祠泉断流，城区河流部分区段被覆盖，边山支沟成了排污渠，严重影响了太原市的生态环境和城市面貌，制约着全市经济的可持续发展。因此，决定对东、西山进行绿化，对汾河支流实施美化整治，以实现水系连通，清水复流，恢复古城青山绿水。随着太原市环城水系规划的稳步推进，汾东水系一期清水复流工程提上议事日程。汾东水系清水复流工程拟在北沙河3.8 km的河道上设7座钢坝闸，在南沙河3.6 km的河道上设7座钢坝闸，在北涧河3.5 km的河道上设5座钢坝闸。

钢坝闸是一种可调控溢流闸门，由闸墩、带固定轴的钢坝闸门体、启闭设备等组成。可以立闸蓄水，卧闸行洪排涝，坝顶过水时，形成人工瀑布景观。

2 监控系统结构

钢坝闸按“无人值守、集中控制”要求设计，集控中心设在北涧河下游，负责远程监控3条河道上的19座钢坝闸运行。系统以“集中控制、分层管理”为原则组成3层拓扑结构。

第1层为监控中心层。以工业交换机为核心，组成星形结构网络。监控系统采用双机冗余热备方式，保证系统有较高的可靠性。每条河与集控中心构成一个环网，当环网发生一个光纤断点或增加、删除任意一个设备时，通讯仍能正常进行，监控主机可进行下位机软件编程及调试。

第2层为现地控制层。每座钢坝闸启闭机室设现地控制站，以西门子系列S7平台对现地设备数据采集、处理、发出指令。网络采用星形拓扑结构，以6类双绞线为传输路由，通过1 000 Mb/s以太网光端机实现数据的高速传输。

第3层为现地设备层。利用PLC输入输出模块对控制柜中的启闭机起动器和其他智能设备进行多点通讯。采用总线电缆通讯方式，实现现场离散设备与PLC之间的数据传输，PLC可以自动监测设备的运行状态，并对设备自动控制。

3 监控系统设计

3.1 控制系统

上位机监控系统采用西门子系列编程软件，实现各个设备间的数据共享、子站地址分配，对整个监控系统程序的控制逻辑进行编程。S7-Micro具有丰富易学的指令集，为操作员提供功能强大、操作方便的人机界面。可完成系统的数据分析、监控设备运行状态、显示电气参数、水位和闸门开度，并以图形或报表的方式实时显示并记录、打印事件。

现地控制柜内有电机保护装置、控制装置、电气测量装置、可编程控制器（PLC）、闸门开度显示仪、液压系统有关的其他显示仪、面板操作单元、电源装置以及通讯接口单元等。PLC采用带电热插拔功能的S7系列模块，通过模块故障自检功能使故障瞬间反应在上位机系统，极大地提高了钢坝闸监控系统效率，实现了数据采集、设备控制、故障报警等功能。

3.2 驱动系统

钢坝闸采用液压启闭机驱动闸门底横轴方式，在启闭机控制盘上设有闸门开度检测装置及其他智能装置，可编程控制器采集信息并上传数据，上位机根据此数据对闸门工况进行严密监视。

闸门正常运行时，由于风浪等因素可能引起启闭机荷载变化而造成闸门失速，系统应迅速平稳地调整活塞杆速度、油压等参数，以免出现冲击和振动。

钢坝闸启闭时两端油缸行程会产生一定偏差，很容易造成闸门卡堵、扭曲变形甚至损坏。因此，油缸行程传感器专门检测两端液压缸的行程偏差，当偏差值在15～35 mm之间时，液压系统自动调整液压缸的进、出油量，使液压缸同步。当偏差值不小于35 mm时，电机自动停止并发出声光报警信号上传至监控中心。

闸门在预定位置局部开启泄流时，应由液压穿轴锁定系统进行锁定，使整个液压缸卸载。整套穿轴锁定动作可进行远程控制、操作。闸门上下端都安装了限位开关，保证闸门在全开（关）位置时运行安全。

监视启闭机投入命令是否执行和油泵是否正常运行，并把数据传到上位机。

3.3 视频系统

根据需要共设19台彩色转黑白高清智能匀速球摄像机，置于每座钢坝闸旁。在监控中心能控制前端的云台和摄像机镜头焦距，可远方清晰、直观监视钢坝闸运行及河道蓄水情况。

视频监控系统由光端机、光缆终端盒、云台、云台解码器、视频矩阵、大屏幕、电视墙、硬盘录像机，摄像机，视频线缆等组成。所选摄像机具有防水防雷、高解晰度CCD及白天不偏色、低照时噪点小、层次感好等优点，能在各种恶劣的环境下正常工作。并配置了30个LED进行补光，保证了低照时的图像效果，且恒流源控制线路充分有效发挥了LED性能，视频信号、数据信号等可同时在大屏幕或电视墙上显示，窗口的位置、大小任意移动，各窗口之间可以覆盖、重叠且不受影响。监控人员可任意调取存储的监控图像，录像资料的智能化检索、回放。通过电子地图的方式实时展现不同河道位置的钢坝闸分布情况，从而对钢坝闸各种监控数据处理、维护和输出进行管理，为准确定位事故点，正确处理事故提供基础依据。

3.4 通讯系统

该通讯系统具有点多、面广、线长的特点，各节点之间通过单模百兆冗余光纤接口连接，采用12芯单模光缆，线路全长21 km。选用集语音、数据、图象、计算机网络通信业务为一体的光电一体化光端机。光缆在敷设时穿钢管以最大限度地避免雷击和人为破坏。

4 结语

通过汾东水系钢坝闸监控系统的设计，确立了该工程高层次的自动化水平，为发挥城市生态效益和社会效益打下良好地基础，对今后类似工程的建设具有良好的借鉴作用。更重要的是美化了太原市城市水系环境，提升了城市品味和人民生活质量。