浅谈人和拦河坝水闸自动化监控系统

■吴仕盛 ■广州市白云区人和拦河坝管理所，广州 广东 510470

1 工程概括

广州市白云区人和拦河坝枢纽工程位于广州市白云区人和镇流溪河上游，距离流溪河河口约18．3km，距离上游李溪拦河坝梯级约13．2km，距离广州市中心城区约20km。工程始建于1971年2月，2008年10月进行重建，该重建枢纽工程包括重建拦河闸坝、电站、综合管理楼、通航船闸等。电站属于坝后式电站，5台发电机组，总装机容量2000kw。拦河闸闸门采用液压全自动化中央控制室操作。拦河闸总宽151米，设闸孔12孔，单孔宽10米。船闸为人字型闸门。拦河坝上游集雨面积为2100km2，设计排洪能力为五十年一遇，泄洪流量2350m3/s，校核排洪能力为百年一遇，泄洪流量2650m3/s。工程等级为Ⅱ等，属于大(2)型水闸。该枢纽工程是集防洪、灌溉、发电、航运为一体的水利枢纽工程。

为确保拦河坝安全度汛，增强管理的系统性、及时性、准确性。因此在2008年重建时，特增设闸门自动化监控系统，以提高人和拦河坝管理自动化水平及流溪河防汛调度安全的可靠性、精确性、灵活性。

2 水闸自动化监控系统

目前水利行业内普遍应用的水闸自动化监控系统分为三类:以工控机为核心的集中控制系统、以微控制器为基础的集散控制系统、基于PLC的分布式水闸群控制系统。其中以工控机为核心的集中控制系统有着结构简单、操作方便、投资小的优点，在人和拦河坝水闸控制中就采用此种控制方式，从理论角度分析包括现地控制部分和集中控制部分，前者由泵房的现地控制屏柜完成，后者由中控室内的集中控制系统完成。

2．1 现地控制部分

(1)闸门本地控制模块:本地设置升、降、停控制按钮，电气接线上通过直接控制电机接触器线包的方式，在本地控制闸门的启闭，本地控制主要用于闸门的检修启闭和紧急情况下的备用启闭。(2)闸门采集模块:采用电子或机械式的传感器直接连接闸门旋转结构获取闸位信息，实时上传到集控中心的工控电脑中。(3)水位采集模块:在指定的水位点投放水位仪探头，并就近装设信号适配器。将小信号的模拟器输出信号转化为标准的工业总线信号，同时实时上传到集控中心的工控电脑中。(4)视频采集模块:根据现场地形在本地装设工业级红外摄像头，通过视频信号线传输到集控中心。工控电脑加设视频模数转化的PCL总线硬件卡，且根据实际情况选择相应输入通道的视频卡，将视频模拟信号转化为数字信号用于监控器显示和硬盘储存。

2．2 集中控制部分

(1)触摸屏监控设备:人机交互界面采用夜晶触摸屏方式，用户通过接触点击对系统进行操作。主要用于各水位点实时数据的监测、闸门位置及运行状况的视频监测、闸门运行控制、流量和水量关系曲线的查询以及相关历史图表的调阅等。(2)闸门远程控制设备:集控中心的闸门远程控制设备分为两套。一是触摸屏上的智能控制方式，各闸门现地控制单元通过控制线与工控电脑的板载DI/DO卡相连接，系统通过控制DI/DO卡的无源触点控制远程闸门的启闭。二是手动控制按钮方式，手动的功能按钮组直接通过控制线与远程对应的现地控制单元连接，在工控电脑故障情况下完成闸门的紧急启闭功能，以此作为集中控制的安全备用系统。

3 拦河坝水闸自动化监控系统应用

(1)人和拦河坝水闸自动化监控系统概况。人和拦河坝水闸监控系统主要由计算机监控系统和图像监控系统两大部分组成。计算机监控系统包括中央控制室(中控室)和现场操控室(启闭机房)。中控室主要由计算机设备、服务器、图像显示屏及其他机械设备构成;启闭机房主要置放闸门控制柜和发动机等器件。图像监控系统包括控制、显示和记录设备，如摄像机、监视器、解码器和硬盘机等。(2)人和拦河坝水闸自动化监控系统功能。从硬件角度分析，人和拦河坝水闸自动化监控系统通过计算机监控系统检测、采集、传输、分析数据，结合图像监控系统监测掌握水闸现况、闸门运行及水闸区域实时情况，从而对水闸实现自动化控制和管理。从软件角度分析，该系统通过采用总线分布式控制模式，实现泄水闸12孔闸门的远程集中控制。该坝水闸自动化监控技术关键在于计算机监控系统，通过Ethernet网实现各计算机之间的通讯;而核心在于系统控制层，其重点由PLC(可编程序控制器)来完成，主要负责12孔泄水闸门的闸位、上下游水位、降雨量等数据的实时采集和传输。(3)人和拦河坝水闸自动化监控系统操用。按照设计要求，该坝防汛上限水位为5．6m，警戒水位为5．3m，当达到警戒水位时，可自动设定闸门开度，并进行闸门启闭操作。结合实际，该坝采用对水闸进行非汛期远程控制和汛期现场人工控制相结合的方式。通过自动化监控系统启闭闸门，要求先开启中间两孔闸门，后对称、间隔按同一开度逐次开启其两侧闸门，闭闸与开门顺序相反。

4 水闸自动化监控系统优势

(1)在效率上，运行和管理都得到极大的提高。人和拦河坝重建之前，主要靠人工观察和经验管理，造成一定的运转误差。实施自动化管理后，人和拦河坝闸门的运行得到了优化和改进，降低了重复使用设备带来的损坏率，延长了相关设备使用寿命和维护周期。(2)在性能上，增强了可靠性和安全性。由于闸门在防洪抗灾中至关重要，一般都是水利水电枢纽工程的关键，闸门出现问题，将直接对拦河坝工程安全运行产生重大影响，危害大坝的安全，甚至可能引发大坝溃决。该系统避免了人为误操作等可能造成的设备毁损，增强了系统运行的安全性、可靠性。(3)在实用上，减轻了管理人员的工作强度。本设计方案实现集控室的远程监视，维持正常蓄水位5．30m不变，减少了职工数量和工作强度，达到减员增效的目的。

5 小结

该系统仍存在几个弊端，主要有:(1)控制系统失灵问题。本工程采用PLC控制柜单一控制模式，且控制系统无备用设施，一旦出现控制柜程序失控、线路故障、液压漏油等控制系统失灵方面险情，将严重威胁拦河坝的安全。(2)重建后的拦河坝无渗流、变形监测设施，无浸润线观测孔和变形观测点，在渗流、变形监测设施方面仍需完善改进，建议将检测信号线端口接入水闸危机监控系统内，以方便实时监控拦河坝的运行。

［1］周建国，曹炬，姚金斌，单片机与PC机实现电动闸门控制系统设计，计算机自动测量与控制，2001、9．

［2］SL75-94，水闸技术管理规程［S］．1994．

［3］刘柏青．水利工程管理自动化［M］．武汉大学出版社，2002．