自动化测控系统在红山河渠首拦河闸工程中的应用

赵利军

摘 要：红山河渠首拦河闸工程自动化监控系统，分别由硬件设备及软件系统组成。介绍该系统的设计原则、基本功能、总体设计，系统的硬件以及设备控制系统软件的设计等。系统采用以计算机控制技术为核心的集控系统，对渠首枢纽运行状态、水位、流量进行监控，并将渠首视频监控图像上传灌区监控中心，具有远程监测、远程控制与现场控制以及远程监视等功能。该系统通过一年的运行，情况比较稳定，达到了设计要求。

关键词：自动化；测控系统；应用

1 工程概况

红山河拦河闸工程位于肃州区金佛寺镇小庄村，距酒泉市城区50km，建于上世纪60年代。该工程以引水灌溉为主，兼顾防洪排砂的中型水闸。设计引水流量为8m3/s。该工程为底栏栅式正排双侧引水枢纽工程，布置型式为“一字形”。工程主要建筑物由泄洪排砂闸、底栏栅溢流坝、上下游连接段等几部分组成。工程担负着灌区金佛寺镇红山片和黄粮墩农场2.46万亩耕地的防汛灌溉任务和0.65万人、1.56万头牲畜的人畜饮水任务，2012年9月该工程开工建设，2013年5月竣工。

为了提高枢纽水闸的管理水平，实现水闸管理单位对闸门、流量進行自动测控，并对数据加以处理与传输，实现现代化管理，在本次除险加固工程增设了自动化测控系统，将实现“无人值班、少人值守”的管理方式。

2 系统设计原则及应达到的功能

2.1 监测

监测就是采集处理水闸的引水数据以及其它相关数据，包括闸前水位、闸后水位、启闭状态、开启高度、电流、电压、温湿度、限位保护、荷重保护、相序故障等信息。自动量水系统应能实时采集这些重要信息，并在现场通过自动量测闸前、闸后水位进行水量计算。

2.2 视频监视

对闸前、闸后及闸室的景象及建筑、设备状态进行视频采集，通过控制摄像机转动角度和焦距实现对水闸全天候、全方位的实时图象监视。视频监视不受闸门启闭设备电源状况的影响。

2.3 闸门监控

监控就是控制闸门启闭，实现手动、自动、远程控制功能。闸门控制分为手动控制和自动控制。手动方式下，只有在闸房，通过每个启闭机的手动控制箱，进行闸门控制。自动方式下，是通过PLC进行闸门控制，又分为远方控制和现地控制，现地模式下，只能通过闸房PLC的触摸屏进行闸门控制；远方模式下，管理站可进行闸门控制，上级管理部门监督闸门启闭情况。远方模式是建立在自动化监控平台之上，利用各级管理部门配置的监控终端进行闸门控制和监督。

2.4 数据存储

监控系统存储两类数据：实时监测和控制数据、时段和特征数据。实时数据供监控系统记录完整的实时过程和分析故障使用，存储周期为六个月；时段和特征数据存储闸门运行时段和水位数据、流量数据、闸门操作数据，以及特征变化数据，供监控系统与调度系统分析闸门运行情况、用水情况使用，时段数据的时段最小可为10分钟，存储周期为一年。

3 系统设计方案

3.1 系统总体设计

闸门自动监控系统主要包括采集、闸门控制和通信三部分。

（1）信息采集。信息采集包括水位、闸门开度，流量、视频、启闭荷载以及设备电源状态等的采集。

水位采集通过设置水位计实现，再通过软件计算转换为流量信息；可动态反应闸门启闭过程中高度变化及闸门的开关状态，启闭荷载信息采集通过启闭机上设置荷载传感器实现，可动态反应闸门启闭过程中荷载变化情况，一旦出现闸门被卡阻造成启闭机过载等意外情况，监控系统立即报警并发出故障提示信号。荷载传感器在每台双吊点启闭机上设置两套，以分别显示两个吊点的荷载值，启闭机荷载保护是目前过内外启闭机或起重机设计规范规定的必设安全保护装置，特别是对于远程监控的启闭设备更是不可或缺。

（2）闸门控制。闸门控制采用可编程序逻辑控制器（PLC），安装在现地控制柜上，既能接受上级管理部门的控制命令和采集的信息，又能在通信故障的情况下，在现地实现对闸门的操作控制，本身故障时也可通过备用的常规设备对闸门进行操作。带以太网接口的PLC及以太网交换机，安装在水闸现地控制柜上，通过相关的数据采集与数据处理可完成对闸门的信息采集、控制、操作和显示。现地操作及信号显示均通过液晶触摸屏来实现。

（3）通信。采用光纤通信具有投资省，传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、电磁干扰小等优点。从枢纽水闸处架设光纤至公用宽带网与上级水务部门通信。

3.2 系统硬件设计

3.2.1 监控中心设计。监控中心是整个自动化监控系统的核心，主要由操作台、工控机组成。安装硬盘录像机两台，选用19寸液晶监示器，用于视频监控，通过画面分割分别显示渠首进水闸及冲沙闸设备运行视频图像；通过软件控制上述站点的视频监控设备并记录视频文件。装配工控机一台运行计算机组态软件，运行3孔弧型闸门开度控制、进水闸控制。进水闸装配2孔平板闸门，改造后采用电动启闭机。

3.2.2 视频监控系统。本系统综合运用了多媒体视频技术、计算机网络技术、工业控制等技术，实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的集成化。系统将传统的视频、音频及控制信号数字化之后在网络上传输，实现了集中监控、集中管理。从系统规模来看，本系统共设置3个监控点和1个监控中心。闸前、闸后摄像机采用三可变摄像机，闸室内采用一体化变焦摄像机。前端摄像部分包括摄像机、镜头、云台、防护罩、控制解码器、视频传输电缆及安装支架。其中室外摄像机为全天候防护罩，含有自动加热器、.恒温器、雨刮器和清洗装置。视频监控中心采用的设备为光纤、光纤收发器、解码器、硬盘录像机等。系统的工作原理：摄像机采集到的图像信号送入光纤收发器，由光缆传输出去。光缆将信号通过解码器解调后恢复出原始信号，并送到硬盘录像机显示出来。硬盘录像机可以对接收到的图像信号进行存储和处理，并可直接送入局域网供网内浏览。操作人员通过控制键盘控制各监控点的云台和镜头，实现对现场目标的扫描和近距离观察。

3.2.3 闸位传感器的选取。闸位编码器按照国家标准GB9359-88《水文仪器总技术条件》及相关技术标准选取。现国内水利行业闸门开度传感器普遍采用光电式绝对值旋转编码器，绝对值旋转编码器减轻了电子接收设备的计算任务，省去了复杂和昂贵的输入设备，而且还有断电记忆功能，对于电源条件较差的地区尤为适用。

3.2.4 荷载传感器的选取。对于螺杆式启闭机，当启门过程中闸门受阻启闭机超载时，会导致传动设备破坏，或闸门坠落酿成事故。针对这种情况，在启闭机的适当部位安装荷载传感器，通过设定的荷载值来控制启闭电机的开停，从而保证设备正常工作。

3.2.5 水位计的选取。由于水闸流量监测系统对水位的精度要求较高，该水闸水位测量采用压力投入式水位计。

4 系统软件设计

水闸监控系统软件要满足水闸安全操作要求，能根据上级管理部门的调度指令，按照指定流量和时间段进行自动控制放水，同时无论用户使用何种方式控制闸门，只要闸门被操作，运行参数均应发送到上级管理部门，以供查询。

软件系统包括PLC编程软件和测控终端软件，PLC编程软件是监控系统的核心，对于实现闸门现地、远程监控至关重要，其他软件均由设备厂家提供专用软件。

5 结束语

红山河渠首拦河闸自动化监控系统设计完成后，通过实际运行，该监控系统能够及时监控渠首拦河闸水位、过闸流量及工程运行状况，为水闸工程的科学管理和合理调配水资源提供了良好的条件。同时，改善了渠首管理人员的工作环境条件，减轻了劳动强度，提高了工作效率，确保了操作人员的安全，避免误操作事故发生，提高了对生产过程的监督能力。上级水务部门通过局域网监控器对水闸工程运行情况的实时监控，极大提高了管理水平，该系统基本上达到了原定的预期目标，并为肃州区水利管理现代化开了先河。