自动化监控技术在黄沙港闸的应用

柳春阳 李 凯 李青权

（盐城市黄沙港闸管理所，江苏 盐城 224341）

1 工程概况

黄沙港闸是苏北里下河地区排涝挡潮控制工程之一，位于射阳县黄沙港镇。工程于1971年11月动工兴建，1972年6月竣工放水。

工程除险加固前，无自动化监控和水位监测系统。每次开、关闸需要专门守潮人员监测水位，确定开关闸时间；闸门开启时，需要闸门操作人员和工作桥、便桥巡视等人员，通过喊话、摆手势、挥电筒等方式相互配合。这样不仅工作强度大，而且易发生误操作，导致闸门开启高度不齐和闸门关闭不到位等运行事故。特别是雨雾天气、夜晚等能见度低的情况下，配合易失误，极大地影响了工程安全运行和工程效益的发挥。为适应水闸现代化和科学化的管理要求，提高工程设施管理水平，确保水闸安全运行和工程效益的正常发挥，于2008年初对黄沙港闸实施除险加固。自动化监控系统是本闸除险加固工程的一部分，包括16 孔闸门控制、监测、视频监控和远程传输。

2 系统设计原则

计算机监控系统按照“无人值班，少人值班”的原则，采用分层分布开放式的计算机网络结构，分为三级，即：远控级、主控级与现地级。控制权分“远方、控制室、现地”三级，可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。控制权顺序为：现地、控制室与远方，远方控制经授权方可进行操作，控制系统中设置带密码的授权、核对程序。主控制级设在黄沙港闸管理所办公楼控制室内，控制室距上洞首启闭机房约350 m，通过网络将地涵实时运行信息与数据（如运行参数、闸门开度、水位曲线、压力等）上传至远控级。通过监控网络与现地控制级建立通信，在工作站的监测监控界面上显示现场设备的运行参数与状态，同时下发控制命令，监督现地监控单元对监测监控命令的执行。现地控制级是系统最后一级也是最优先的一级控制，它接受各类传感器与执行机构的输入输出信息，采集设备运行参数和状态信号；向上接收上级控制主机的监测监控命令，并上传现场的实时信息，实施对现场执行机构的逻辑控制。

3 自动化监控系统设备功能

黄沙港闸自动化监控系统包括闸门自动化控制系统和视频监视系统。

3.1 闸门自动化控制系统

闸门自动化控制系统具备如下功能：闸门启闭系统调控功能、闸位高度监测和数据处理功能、外海潮位与内河水位监测及排水量计算、运行过程数据库保存及各种报表功能、船闸运行通航信号指挥及自动广播功能、报警及保护功能、多媒体人机界面及语音广播提示操作导航功能等。

3.1.1 闸门启闭系统调控功能

闸门的启闭方式分为两种：正常情况下，使用微机自动控制；工程检修及现场紧急控制情况下，使用现场现地控制柜控制。

闸门现地控制柜具有现场手动、自动控制功能，主要完成闸门开度数据采集、闸门开度数据管理、集中开展闸门的启闭，电机过流、过压、缺相，上限、超上限、下限、超下限及传感器失效、通信失败等保护功能；接受集中控制层指令并向上位机层传送数据。现地单位内部自成一个独立的系统，通过现地的操作面板，可以完成对相关设备的监控。每一孔现地控制柜位于各个闸门启闭机室内，各采用一台KDY-1A 闸门开度控制仪完成现地层监视和控制功能。现地层人机操作界面采用LED 数码显示，实现闸门现地层的开度设定和实际开度显示。

各现地控制KDY-1A 闸门开度控制仪通过通信模块组成总线网络。现地控制柜面板上设置控制权限开关，当开关处于现地位置时，集控层的操作无效；开关处于远程位置时，现地层释放权限，由集控层进行系统控制。

现地控制分为现地手动和现地自动。通常的升、降、停按钮控制为“现地手动”；由KDY-A 闸门开度控制仪进行数字定稿控制为“现地自动”。根据工况要求设定闸门开启度，当闸门启闭时，系统检测到设定高度将自动停止。

3.1.2 闸位高度检测和数据处理功能

闸位高度检测是整个控制系统的关键。使用国外进口的高精度绝对型旋转编码器加工业级微处理机组成的智能化多圈闸位测量仪对闸门进行闸位检测，测量精度达毫米级，并直接输出闸门开启的高度值。智能化闸位测量仪可对闸门的零位、方向、开度等参数进行设定，一次设定永久保存（可达100年不变）。

3.1.3 外海潮位与内河水位监测及排水量计算

采用最新的激光测量仪测量海水潮位。激光液位测量范围为0.2～100 m，最大误差小于±3 mm。测量的关键部位采用国外进口激光测距仪，传感器与液体不接触。根据闸门过水断面和实测水位差，计算过闸流量及总排水量。

3.1.4 运行工程数据库保存及各种报表功能

对采集的定时数据与检测的事件进行在线计算，打印输出各种运行日志和统计报表。

（1）泄水量统计。微机监控系统按任意时段对当月、当年的泄水量进行统计，作为资料保存。

（2）事故及故障统计记录。微机监控系统对当月、当年的各类事故及故障的内容和次数进行统计，作为资料保存。

（3）参数越限统计记录。微机监控系统自动对当班、当月、当年的参数越限情况进行统计，并对记录下来的各类事故及故障的内容和次数进行统计，作为资料保存。

（4）设备运行时间统计。作为设备使用情况和寿命及运行安全可靠性判别的依据，运行过程中的各种数据如开闸日期、操作人员、上下游水位、过闸流量、开闸空疏、开启高度等参数将保存于数据库内。同时，显示或打印各种报表，即：日报表（运行闸次、开闸孔数、排水流量、水位、操作人员等有关参数）、月报表及年报表。按要求可随时查询打印各种统计报表和水位、流量等曲线数据。

3.1.5 船闸运行通航信号指挥及自动广播功能

（1）通航孔闸门控制。①自动控制。通航孔闸门具备“平潮开门”功能，当系统检测到上下游水位相同时可根据船只进出情况实现自动开门、关门功能。②现地控制。通过自动/手动转换开关可实现现地操作功能。③上位机显示。在工控机上有通航孔闸门运行状况模拟显示，通过模拟显示，运行人员可监视闸门开关状态，方便操作运行。

（2）交通信号。通航孔配有红、绿双色交通信号灯，系统应能根据船只进出闸的情况按交通信号程序进行指示，同时保留手动控制信号。

（3）广播系统。控制室配有广播系统，在通航孔上下游设置了高音喇叭，控制室内设有话筒与扩音设备。通过广播系统，运行人员能指挥船只有序进出闸，便于运行管理。

3.1.6 报警及保护功能

系统对各开关状况、运行数据实时监控，发现异常及时自动处理并推出报警窗口和报警信号，语音提示报警内容。系统具有电机过载保护、闸门限位保护以及超限多级保护等功能，确保设备安全运行。

从系统结构上，采用模块积木式结构：“上位微机集控”、“现地自动”和“现地手动”三层结构，一旦上位计算机故障，可实现“现地自动”方式，“现地自动”发生故障，还可以“现地手动”操作，做到任何情况下均不影响闸门开启。在器材选用上，选用高质量品牌产品。从保护措施上，采用软硬件结合，多种方案，多级保护，采用电子式多功能保护器替代传统的热继电器，使用多级行程极限保护及上、下微机程序闭锁软件保护，一旦发生故障自动停止启闭操作。

3.1.7 多媒体人机界面及语音广播提示操作导航功能

计算机操作的人机界面在编程上采用了“傻瓜式”操作方式：①图形画面形象直观、简洁；②操作按钮简单明了；③主要参数一目了然。

闸门运行动态模拟与数字显示并举，同时增加语音导向操作系统、故障自动判断提示系统和安全运行广播系统，对闸门的每一步操作均有语音提示，使工作人员操作既轻松简单又正确无误。发生故障时，用语音提示故障内容，使人机操作进一步实现人性化；开闸泄洪时，计算机通过高保真扩音系统，自动进行安全广播，使管理安全化、文明化、人性化。

3.1.8 系统可靠性

为保证系统的高可靠性，除选用高可靠性的硬件设备外，还采取了以下措施：

（1）采用分布式结构。正常工作状态下，各现场监控单元在系统的集中指挥下运行，但在紧急情况下或系统故障时也可独立运行。个别现场监控单位故障，不会对系统或其他单元构成影响。

（2）系统软件、硬件设置监控定时器（看门狗）功能。

（3）监控软件选用先进并应用成熟的监控软件包开发应用软件，确保系统软件运行的高可靠性和安全性。

（4）对控制指令的发布规定操作权限，命令传送须经过巡回认证，数据采集经过合理性判别和处理，避免了误操作。

（5）系统处于强电环境下运行，对系统的输入信号均采用光隔技术，现场监控单元采用浮空地技术，输出信号采用光隔加中间继电器隔离等保护措施以及对重要设备、重要信号线路与电源等线路装设各类浪涌保护器，以防工业干扰和雷电影响，减少了数据出错和元件损坏。

（6）在监控系统与网络之间设置防火墙，对外部指令进行鉴别和过滤，确保了系统的安全。

3.2 视频监视系统

通过设置视频监视设施，运行人员能够对现场关键设备的运行状态进行直接的观察了解，其作为对监控系统的补充，能帮助运行人员进行综合判断，视频监视系统与计算机监控系统相连，可实现视频图像信号传输。

3.2.1 系统构成

摄像监测点配置：黄沙港闸外海、内河侧和公路桥各设1 台变焦变倍室外型摄像机，通航孔设2 台定焦室外型摄像机；硬盘录像机、显示器等设备放置在闸控制室操作台内，实现对闸及周围场所的全方位监视和管理；视频监视系统与微机监控系统相连，实现信号传输；视频主机选用网络化产品，系统基于标准的C/S 和B/S 双重结构，支持Web 浏览及远程控制管理。

系统的控制设备采用了1 套多媒体硬盘录像机作为系统的控制器，其不仅具有完善的多媒体控制功能，还集成了硬盘录像功能、报警采集功能、查询调用功能、多画面显示功能、Web 网络服务器功能和矩阵切换控制功能等。通过Web 服务器功能可实现对视频信号的压缩和网络远距离传输，远端用户能调用和观察系统任意一幅图像。

3.2.2 系统功能

（1）自动切换和扫描图像。根据系统预定的时间，在设置好的终端设备上显示并自动切换图像，并可显示不同监视点的图像，对每个全方位摄像点可实现自动扫描，便于及时掌握各监控点区域范围内的运行情况。

（2）图像手动切换。图像可由运行人员控制在各监控点之间进行切换。

（3）图形可控。系统可对摄像机可变镜头的变焦、聚焦、光圈及全方位云台上、下、左、右任意组合的方向进行控制和操作，为运行人员提供满意的图像效果。

（4）多画面分割。系统能够通过微机同时对多个摄像点的图像进行观察，并任意组合以多画面的方式显示，即：可以八画面、五画面、四画面或单画面灵活显示图像。

（5）图像存储或回放。视频主机监控软件可自由录像（存储到硬盘），并可通过系统播放软件回放图像。

（6）浏览、控制功能。系统预留接口与局域网相连，实现网上机可通过Web 方式浏览、授权机可控制等功能。

（7）多级口令设置及操作设置。在视频系统中提供三级安全和保密控制：一是一般查询功能；二是存在功能，能对系统进行操作，即可以进行查询，也可以进行控制；三是系统管理员，除了具有操作员的一切功能外，还能对存储图像等进行管理。为了保证系统安全性，各种登录形式都需要口令。

（8）设备自身维护和检测。系统软硬件具备自动通讯检测和自我维护功能，对系统自身故障能及时予以告警和记录，如发生误操作和部分故障不会导致系统崩溃。

（9）硬盘录像功能。本视频微机监控系统通过系统应用软件自动把数字图像存储到硬盘上（图像格式为MPG），并可通过系统播放软件将图像播放出来。

（10）图像压缩传输功能。系统可将所有监视点的图像进行压缩处理后，通过LAN/WAN，DNN 等方式传输到远方实现图像浏览。

（11）历史资料查询。用户可通过系统对指定时限内的图像、数据信息进行查询和回放。

4 结论

黄沙港闸计算机监控系统的运用，更新了传统的运行方式，实现了水闸的自动化控制，极大地提高了系统运行的安全性和可靠性。监控系统自建成投运以来，按照水管工程“管养分离”的体制要求实现了“无人值班，少人值班”的基本目标，结束了依靠人工监测、监视的历史，达到了预期的效果。