江阴沿江闸站监控管理系统技术改造研究

缪岳军，冯 明

（江阴市江港堤闸管理处，江苏 江阴 214431）

0 引言

江阴市江港堤闸管理处（以下简称管理处）下辖沿江 11 座引排水套闸、城区 3 座泵站等水利工程。这些水利工程在防洪、排涝、灌溉、通航、调节内河水质等方面发挥了重要作用，取得了显著的经济和社会效益。随着国民经济不断的发展，对水利工程管理要求的不断提高，原有的基于电话、文件等人工管理手段，已不能适应社会和经济的发展要求。自 2006 年以来，管理处对下属闸站进行技术改造，建设了水利工程遥测及远程监视系统，该系统集成了水情、气象、闸门、泵机、视频等信息，实现了沿江站群的智能调度。

1 主要改造技术研究

1.1 系统可靠性控制

1.1.1 闸门启闭控制

闸门控制系统，经历了继电器逻辑控制、集成电路逻辑控制和计算机与 PLC 技术应用相结合的控制3 个阶段[1]。改造前的闸门控制采用 PLC 控制，PLC实时测量闸门开启高度、上下位置限位和电机功率等信号，根据设定的开启高度目标，控制电机运行，实时测量当前闸门开启高度，形成闭路的闸门启闭控制，并利用上下位置限位信号，实现在线保护[2]。

上下位置限位信号传感器有多种类型，主要有导轨式和齿轮传动式限位器。在实际使用中，主要存在以下问题：

1）齿轮传动式限位器和卷扬机连接的连接链条，较容易脱落，造成限位器不起作用；

2）齿轮传动式限位器位置信号异常，表现在位置信号不正确，如要求在 5.0 m 产生限位信号，但有时在 4.5 m 就发出限位信号；

3）安装齿轮传动式限位器时，需要附加固定限位器的机械装置，安装复杂；

4）导轨式限位器器件故障，主要表现在开关信号失效。

根据对 2 种限位信号传感器的安装固定、使用维护等方面的研究，将齿轮传动式限位器全部改成导轨式限位器。针对导轨式限位器开关信号失效的问题，同时避免在控制部分可能出现的问题，增加了第 2 个导轨式限位器。其中第 1 个导轨式限位器信号接入 PLC，供 PLC 作为限位信号使用 ；第 2 个限位信号串入卷扬机电源控制，即当发生第 2 个限位器信号时，自动切掉卷扬机电源。

采用该方案，在保留原有闸门闭路控制、上下位置限位及卷扬机电流过载保护的基础上，增加了对卷扬机电源的硬件保护方案，不需要修改原 PLC 控制部分的电路及程序，提高了闸门控制的可靠性。

在改造后的几年的实际运行中，江阴沿江各闸站未再发生闸门启闭事故。

1.1.2 水位测量

江阴沿江各闸站的水位测量设备，有压力式和浮子式 2 种水位计，根据现场条件的不同，分 3 种工作模式：

1）测量闸室内部的水位，采用压力式水位传感器；

2）测量上下游水位，闸站现场有孔槽的，采用直径为 120 mm 的厚壁 PVC 管安装浮子式水位计；

3）测量上下游水位，闸站现场没有孔槽的，采用直径为 300 mm 的厚壁 PE 波纹管，安装在河道驳岸上，用浮子式水位计测量水位。

实际使用中发现的问题及解决措施如下：

1）压力式水位计。在进行闸室水位测量时，由于船只进出带来的干扰，造成水位波动很大，有时水位实际变幅在 10 cm 内时，测量结果有可能为20 cm 左右。经分析发现，船只在闸室内部的运动，对压力式水位计的影响较大，为此，在压力式水位计进行数据采集时，采用延长数据采集时间，去掉最高、最低数据，然后取均值的方法，这样得到的测量数据，与实际情况比较一致。

2）浮子式水位计。江阴沿江潮位变化快，水位变化频繁，为防止堵塞，原水位测井开的透水孔很大。经多次进行测井不同孔径比的试验，发现 1∶24的测井孔径比，测得的水位，既达到最佳的消浪效果，又可以反映实际的水位变化情况。

为实现对运行水位的长期比对和核查，在水位自动采集的基础上，辅助以视频监控，对水位进行校核，可解决水位计打滑等造成的误差。

1.2 系统防雷

江阴沿江各测站主要结构如图1 所示。

测站电源采用 220V 供电，即 RTU 等设备及LED 显示屏均采用 220V 供电，显示屏、水位计、闸位计与 RTU 采用 485 信号连接。

江阴各闸站沿江布设，经分析，主要存在以下雷电传导途径：

1） 经稳压电源传导的雷击信号，主要表现为损坏稳压电源和 RTU 主模块；

2） 经显示屏传导的雷击信号，主要表现为显示屏和 RTU485 接口损坏；

3）水面经过闸位计传导的雷击信号，主要表现为闸位计及 RTU485 接口损坏；

图1 测站结构图

4）水面经过水位计传导的雷击信号，主要表现为水位计及 RTU485 接口损坏。

现代防雷主要手段有拦截、隔离、屏蔽、均压、分流、接地等手段[3]，经分析，经闸位计传导的雷击信号主要是，水面通过闸门，经闸门传导到闸位计，进而传导到测量系统；经水位计传导的雷击信号主要是，水面通过钢丝绳传入水位计，进而传导到测量系统。

根据分析，改造时采取以下隔离措施：

1）在稳压电源和 LED 本地显示器的电源前，增加限流限压的防雷器；

2）水位计连接浮筒和平衡锤的不锈钢丝改为绝缘体钓鱼线；

3）采用绝缘过渡的方式固定闸门与闸位计。

采用上述措施后，由雷击引起的系统故障，由原来的每年 3～6 起，减少到每年 2 起以下，并且没有发生雷击打坏闸位计和水位计的现象。

2 系统构成

沿江闸站监控管理系统综合气象水情和工情信息采集、水利工程监视、通信、计算机应用等技术，集数据、视频采集，数据传输、处理，以及信息展示、防汛会商于一体。系统结构如图2 所示。

2.1 监控子系统

采集的水情、工情、气象数据要求能及时反映沿江各闸站的水位，雨量，闸门开启高度，风向，风速变化，实时性要求高，采集量大。采集设备选用 ACS300 数据采集设备和配套的采集程序，该程序支持多种数据传输协议，有较完善的扩展接口，采集、发送数据频率小于 5 min，数据延时小于 10 s，支持随时召测和补召历史数据功能，可对遥测站远程维护、诊断。电源方面采用 AC/DC 的供电方式，具有隔离变压器和自动过载保护功能，交流电源断电 5 d 内连续正常运行；传输通道上租用无线 CDMA和有线光纤网络 。

图2 沿江站群监控管理系统结构

2.2 重点部位视频监视子系统

在沿江多个重要闸站和场所安装了由可旋转、控制角度、变焦摄像头组成的监视系统，可同时查看不同站点的图像，且能根据需要对同一闸站的不同监视点进行切换，实现数字信息和视频信息的相互验证。

2.3 本地 LED 显示屏

在每个闸站都配有 LED 本地显示屏，显示的水情和工情数据来自本闸站的 ACS300 数据采集器或PLC，与数据远程传输的频率一致，既为闸站工作人员合理、有序、安全控制闸站的运行提供实时，便捷，科学的数据支持，又方便闸站技术人员对测站的维护、管理。

2.4 中心站

系统中心站提供对各种外部测站数据的采集、处理、存储、远程控制，通过会商数据显示程序对数据展示，具体功能如下：

1）网络数据服务功能。通过数据服务程序提供的数据接口，其它应用程序可以不直接和数据库进行交互操作，所有数据请求都以接口函数的形式传递到数据服务程序，数据服务程序将其转换成标准SQL 语句，向数据库提交，执行或数据请求结果再返回给其它应用程序。采用这种工作方式，可以保证对数据库操作的安全性；同时，可以允许其它计算机在不安装数据库客户端软件的情况下，直接使用水情应用软件。

2）数据处理功能。完成对水情的时段、日统计，并把结果存储在 WDS 数据库里，作为历史资料永久保存，生成的结果提供给系统的很多用户界面，如图形、报表也需要这些数据的支持。同时该程序具有实时计算功能，可以实时计算闸门泄流量、雨量站雨量。

3）远程站群控制功能。通过专用的控制软件，实现沿江闸站的远程调度与控制。

4）会商数据显示功能。将会商会议上使用的各种数据集中显示在 1 个流域图上，同时提供过程线、棒图、雨量等值线，以及报表等多种数据展示形式，通过该程序，用户既可以了解整个地区的水情信息，也可以查询该地区的历史数据，为防汛决策提供信息。

3 系统特点

3.1 视频和现场采集数据相互验证

在外部遥测的关键点，建立了数据和视频采集，并将视频系统集成到系统中心平台上，在防汛调度或会商时，与会领导和专家可以针对不同的关键站点，任意切换。

3.2 支持多级数据转发，实现上下级水利系统数据共享

管理处遥测及远程监控系统是江阴水文遥测监控系统的一部分，而江阴水文遥测监控系统作为江苏省水利防汛信息系统的 1 个分中心，数据实时经无锡防办的信息中心，上传到江苏省水利厅信息中心，延时小于 1 min，为在江苏省水利厅内或无锡防办组织会商会议，部署江阴沿江地区的防汛，提供了可靠信息。

4 结语

江阴沿江闸站监控管理系统在近几年的使用过程中也暴露出一些问题，如系统电源箱和显示屏易被雷击损坏；浮子式水位计不能适应沿江水套闸开闸时剧烈的水位变化；缺乏专业的维护人员，遇到故障不能及时判断发生问题的设备。

针对上述问题，江阴市江港堤闸管理处结合实际情况做了相应的改进：系统电源箱的防雷模块上增设了保险丝，雷击损坏后可以自行更换保险丝；改进了闸位计与闸门的连接方式，更换了水位计与平衡锤、浮筒的连接模式，修改了测井直径与透水孔的比例，使之能够更适应沿江水套闸的水位、闸门变化；增加光纤网络带宽，使数据不发生延时或卡阻，保证数据能够及时上传至中心服务器。培训专业维护人员或落实专业维修单位，保证系统设备能够正常运行，发挥作用。

通过改进，进一步提高了系统的可靠性，充分延长了系统的使用寿命，使江港堤闸的管理从单一工程的管理提升到全局工程管理上来，从而全面提升水利工程的管理水平，充分发挥了工程效益。

[1]杨英. 水电厂闸门监控系统的开发及应用[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2001, 33 (1): 110-112.

[2]Modicon. Modbus 通信协议 [EB/OL].[2012-07-20].http://www.realinfo.com.cn/tech/ModbusXY.htm.

[3]虞昊. 现代防雷技术基础[M]. 2 版.北京：清华大学出版社，2005: 237-240.