安徽省水利闸门群集中自动监控系统的设计

陈永涛

一、引言

水利工程不仅在防汛、抗旱与抢险上发挥关键作用，而且还可以使用先进的信息技术，实现对水资源的科学管理与合理利用。安徽省水流复杂、河流众多、洪涝灾害频繁，水利工程建设管理和防汛抗旱任务繁重，而水利闸站基本上都使用传统的控制方式：人工观测采集数据、报告运行情况、根据调度命令进行手动启闭闸门，采集的数据受人为因素影响误差较大，采集周期长，而且运行、维护的劳动强度大，难以实时、全面地掌握闸门工作的状况。

针对现状，利用先进的检测技术、自动控制技术、视频技术以及网络通信技术，依据“无人值班、少人值守”的原则，设计以PLC为核心的水利闸门群集中监控系统。该监控系统是一个可进行数据采集、监视和控制的系统，通过对参数数据和视频信号的自动采集、网络通信、远程控制、数据存储与处理等手段，实现对闸门准确、可靠和实时地进行群测、群控，进而可以在网络的基础上建立水流、闸门等状况的数据库，为水资源管理、水利工程应用等提供准确信息，加强水资源统一管理、保障水利持续发展、保证防治水害的成果。

二、监控系统的组成

闸门监控系统的组成可分为：启闭机房控制站（现地控制单元）、闸门控制站（管理站）、中央管理调度控制室（控制中心）。监控系统结构如图1所示。它们之间的控制权可以进行切换，并且各种控制间具有严格的安全互锁逻辑。

现地控制单元主要由启闭机、PLC、水位检测传感器、闸门开度检测控制装置、摄像监视设备、电源及保护装置、电气控制柜、操作按钮、状态指示灯等组成，主要完成对闸门开度及限位状态、水位、流量、启闭机工作状态、电机工作状态、电源设备的电力参量、设备工作状态等的监控，实现系统的数据采集、处理、控制、安全监视、数据通信等。

管理站配置一套闸门监控计算机，主要的任务是实时监控现地设备的运行状态，通过Internet的通信方式与控制中心通信，传送数据信息和视频信息以及接收控制中心的控制指令。闸门监控计算机通过现场总线与启闭机房的PLC连接，能采集并处理数据，发送控制指令，完成现地设备的状态监控、信号处理、系统启动/停止命令发送、设定值给定、网络数据交换、报警、打印等功能。

控制中心是对操作现场实施远程监控，实现测、控、管一体化的自动监测功能。一般由服务器、管理工作站、人机界面、Internet标准接口以及通讯网络系统、打印设备、电源及UPS、辅助设备等组成。控制中心设有操作员工作站，除完成对被控对象的监视控制外，还可实现与其它系统通信，是整个监控系统的控制核心。

三、监控系统的功能与实现

1.监测对象的数据采集

闸门群监控系统的基本功能是：自动检测闸门开度、闸门上下游水位和流量，实现闸门提、落、停的自动控制。

为了实现监控系统的基本功能，要求该系统能够实时采集各闸站的电气量和非电气量的数据，包括：闸门上下游水位及流量、闸门开度、启闭机运行状态和参数数据、电机的运行状态和参数数据、配电设备状态等。PLC和监控计算机对采集到的数据进行分析、处理，对闸站的设备准确的控制，控制的事件主要有：根据水位和流量的实时数据对闸门开度进行自动控制；电机开机和停机、事故急停的控制；闸门开启和关闭的控制；配电设备的断路器进行准确的合闸和跳闸。

2.控制方式

闸门群监控系统的控制方式可分为：现地控制方式、远程控制方式和手动控制方式。

现地控制方式就是通过PLC上的控制按钮对闸门进行的控制操作，而且当监控计算机与现地控制单元出现通信故障或监控计算机出现故障时，可以通过现地控制方式确保闸门控制的顺利进行。每个启闭机房的控制室内配备一套PLC控制器作为控制的核心，能够对各水利闸站的工艺参数如水位、电量、运行状态等数据进行自动采集，能够对闸站内的设备运行参数、运行时间和运行状态等自动记录，根据实时检测的数据自动计算流量，与此同时以检测到的闸门位置作为反馈值，并依据程序里设定的总流量的值自动计算闸门开启数量、开度以及开启时间，达到闸门自动控制的要求。另外，PLC根据自动检测到的各种参数数据进行综合分析判断，识别出监控过程中发生的故障，自动发出故障报警信号并自动采取相应的联锁控制措施，保护人身和设备安全等。

远程控制方式是工作人员在控制中心操作站上通过键盘、鼠标或功能热键发布控制指令，并通过Internet通信的方式对各闸站的设备进行远程监视与控制，最终达到闸门自动控制的目的。在远程控制方式中，中央管理调度控制室的监控计算机接收到各闸站检测的参数数据，依据分水位高低、流量值、总流量要求、运行时间、故障记录等相关参数进行计算，发出控制指令，PLC接收到控制命令后及时、准确地完成自动控制闸门的相应动作。

手动控制方式是在闸门检修或调试时，通过启闭机房控制箱上的控制按钮对对闸门进行手动控制操作。特别是在PLC或通信发生故障时，手动控制方式是不可或缺的一个重要的控制方式。

3.运行监视

运行监视有状态监视、过程监视、参数越限监视和故障监视。

过程监视：当工作人员下达闸门的相应控制指令后，系统能够自动显示相关设备工作的监视画面。画面显示执行过程中每一步骤的执行情况。

状态监视：系统定时扫描查询各种状态信号，自动和受控的状态变量都可以在显示器上显示。一旦发现状态信号出现异常立刻报警，还要记录故障类型及其发生时间，并且提示处理方法。

参数越限监视：系统将对重要的参数及数据进行监视。可以事先设定这些参数值的限制范围，当它们越限时必须及时地进行相应处理：越限报警，自动显示、记录等。

故障监视：系统硬件、软件发生故障、错误时立即报警。

4.故障报警方式

监控中心和管理站的监控计算机实时监测各闸门的运行情况，如果监控系统发生故障，立即报警。报警方式有：

（1）音响/语音报警。根据故障类型使用不同的音响报警，并配以语音信息，音响/语音报警可设置为手动解除或延时自动解除。

（2）画面报警。当有故障时，报警画面中的相应故障类型产生闪烁提示；当故障消失时，会自动恢复到正常状态；当确认故障处理完毕后，可以手动恢复到正常状态。而且能够自动记录报警的发生时间、内容等，并自动存入数据库，形成故障事件记录文件汇总，以供工作人员方便查询。

5.人机界面

现地控制单元通过PLC上的操作面板和LCD显示屏进行人机联系。

监控中心和管理站通过显示器、键盘、鼠标、视频监视屏幕、打印机等设备进行人机联系，以便工作人员对闸门进行监控和管理。

显示器可以显示闸站的各种设备运行参数、运行状态、故障报警信号等，以数字、文字、图形、表格等形式组织画面并动态显示。显示画面带有时间显示和必要的说明文字来表示闸门的运行状况，并在设备状态变化或系统发生故障时向工作人员提供详细的、准确的信息。

工作人员通过键盘、鼠标的操作和视频监视屏幕可以查看闸站的各种信息和下达控制指令，使监控中心与各闸门管理站和现地控制单元进行协调和配合，发挥整个监控系统体现最大效用。

打印机打印的主要内容为报警事件记录，操作记录，记录的运行数据以及各种定期报表等，配合上级部门的监督管理。

四、结束语

根据水利现代化的发展和资源调度自动化的要求，设计了水利闸门群自动监控系统，该闸门群自动监控系统具有网络通信能力、远程监控能力，能够准确、可靠和实时地采集数据、管理和监控。通过现地自动控制、远程自动控制等控制方式，使得闸门在启闭的控制过程中显得更加灵活、可靠，可以满足在信息化、自动化、可视化等方面的要求