白云闸工程自动化监控系统技术研究

白云闸工程自动化监控系统技术研究

李禄

(辽宁省水利水电科学研究院， 沈阳110003)

本研究为辽宁省科技厅农业公关计划项目：辽宁省防汛调度管理系统研究(2011216001)。

摘要：本文通过对东港市白云闸工程自动化监控系统技术研究，对系统的研究目标和建设原则进行归纳总结。以计算机网络系统为依托，以闸门监控系统和工程观测系统为基础，建立白云闸运行管理自动化系统。研究表明：该成果的最大特点是可为白云闸的安全监测与自动化控制提供系统化的解决方案，为工程管理人员提供快速、准确的实时数据和决策依据。

关键词：白云闸；工程监测；闸门监控

中图分类号：TV66

Study of Automated Monitoring System Technique in Baiyun Sluice Project

LI Lu

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropowerofLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, automated monitoring system technique in Donggang Baiyun sluice project is studied, the study purpose and construction principles of the system are summarized and concluded. Operation management automated system of Baiyun sluice is established with computer network system as support and sluice gate control system and engineering observation system as basis. Studies have shown that: the outcome has the most important feature that systematic solution can be provided for safe monitoring and automated control of Baiyun sluice, thereby providing rapid and accurate real-time data as well as decision-making basis for project management personnel.

Keywords：Baiyun sluice; project monitoring; sluice gate monitoring

东港市大东沟白云闸工程位于大东沟河下游的白云大桥下194m处，距大东沟入海口4.3km，主要作用为挡潮、蓄水、调洪等。白云闸工程自动化观测系统技术研究中，挡潮闸以及两侧桥头堡是应配套电气设施的主要部位，动力负荷为挡潮闸门负荷，共10孔，配套启闭机电机为22kW/孔，根据闸门调度运行方式，闸门最多同时开启6孔，最大功率为6×22kW，另外左、右岸桥头堡建筑面积均为1000m2左右，两岸桥头堡建筑负荷各按60kW考虑，最大计算负荷为252kW。由于白云闸在汛期控制下泄流量，调节水位，故确定白云闸负荷为一级负荷。

1研究目标

在满足工程管理与业务需求的基础上，采用先进、成熟的技术和设备，以模块化开放式的结构设计，形成以计算机为核心的实时信号采集、测控和数据处理过程，以计算机网络系统为依托，以闸门监控系统和工程观测系统为基础，建立白云闸运行管理自动化系统，达到设计先进、设备性能稳定、系统维护方便、软件功能实用的目的，实现现代信息化管理。

2建设原则

a. 在广泛调研国内外同类系统特点的基础上，紧密结合大东沟河流域气候水文地理条件和白云闸建设工程状况，吸取经验，博采众长，做好系统建设的基础工作。

b. 系统设计具有先进性、可靠性、实用性和可扩充性。所采用的技术、设备、系统软件等具有先进水平。

c. 采用成熟的技术和产品，采用模块化结构模式进行设计和实现。

d. 严格执行国家有关技术标准要求，充分利用现有工程资源整合发展，不搞重复建设。

e. 符合国家有关技术标准和规范要求。

f. 东港市水系发达，中小型水库众多，系统在充分考虑先进性和实用性的同时，对各水工建筑自动化系统的连接也留有充分的冗余设计。

3工程监测系统

白云闸为3级建筑物，根据规范要求，为保证白云闸工程安全运行，水闸设置的观测项目包括垂直位移、水平位移、扬压力、混凝土炭化、裂缝、河床变形、水位流量，同时配备相应的观测设施。在白云闸设置闸体表面变形观测点32处，水平位移采用GPS观测，竖向位移采用电子水准仪观测，观测方式为人工采集现场数据，输入计算机后，通过专业分析评价系统实现计算机辅助分析；设置闸体渗流观测点12处，测量控制单元安放于闸室。控制单元与远程操作台采用有线方式进行通信，采用系统集中供电方式；设置水位观测点2处，通过闸室的测量控制单元与远程操作台进行通信，供电方式为系统集中供电。

3.1垂直及水平位移观测

垂直位移观测是利用水准仪等设备，连续定期测量水闸工程上的测点在垂直方向上的变化，以分析水闸整体垂直方向的状态变化。水平位移观测运用仪器设备连续定期测量水闸测点在水平方向上的位置变化，规定向下游和左岸的水平位移为正，向上游和右岸的水平位移为负。

在水闸每个闸段(两孔为一闸段)的闸墩尖端处上下游侧各设2个位移观测标点，共计5个闸段，设20个观测标点；在上下游翼墙分缝处各布置1个观测标点，共计12个观测标点。为了测定观测点的高程及水平定位，在河岸两侧40m处各埋设1个观测基点，基点由高一级的水准点引测(见下图)。

位移观测点布置图

a. 观测基点。观测基点采用整体钢筋混凝土结构，地面以上立柱高度为1.2m，强制对中底盘的对中误差小于0.1mm，设在相应的基岩上，保证两侧基点、校核基点的通视。工作基点布设符合招标文件和技术规范要求，现场确定后需征得设计和监理人员签字同意。

b.观测点。观测点采用墩式结构，同时兼作竖向和横向水平位移观测的测点，墩顶高出闸墩顶高程0.15m，设有强制对中底盘，其对中误差均应小于0.2mm。

c. 位移的观测仪器及方法。垂直位移观测选用数字水准仪，水平位移观测选用GPS(一拖二)，观测仪器结合观测点共同构建位移观测网。水平位移观测采用视准线法，以经过光学测量仪器的视准线为轴，建立一个平行或通过闸轴线的固定垂直平面作为基准面，定期观测各观测标点与基准面之间偏离值的大小，即确定了该点的水平位移。

3.2扬压力观测

水闸底板在上下游水位差作用下产生渗透压力，在尾水作用下产生浮托力，扬压力即为渗透压力和浮托力之和。向上的扬压力相应减少了闸体的有效重量，降低了闸体的抗滑稳定性，扬压力的大小直接关系到水闸的安全性。

a. 扬压力观测断面及测点的布置。为了监测拦河闸底板扬压力的大小，在拦河闸两岸边墩及第三孔、第七孔右墩布置测压断面，每个断面闸墩上下游前端及中点各设置一个测压点。共计4条测压断面，12个测压点。

b.扬压力的观测仪器。扬压力观测采用SZ型差动式电阻式渗压计，测压管采用D50聚氯乙烯塑料管。

c. 扬压力观测测次。在每月最高潮位期间选测一次，观测时间以测到潮汐周期内最高和最低潮位及潮位变化中的扬压力过程线为准。观测时必须同时观测上下游水位，并应注意观测渗透的滞后现象。测压管管口高程应根据起算点距离按三等水准测量，要求每年必须校核一次。

3.3河床变形观测

水闸上下游如果产生局部冲刷或淤积，将会影响水闸的泄流能力，情况严重的将会影响建筑物的安全。为了掌握水闸上下游河道冲淤情况和变化规律，保证水闸的安全及正常运用，必须进行水闸上下游河道的冲淤观测。

a. 河床变形观测断面的布置。水闸上游河道冲淤观测范围为铺盖前端至白云大桥，共计长度150m，间隔50m布置一个观测断面，共4条冲淤观测断面；水闸下游河道冲淤观测范围为消力池末端至其下游200m，间隔50m布置一个观测断面，共5个冲淤观测断面，在两岸设置固定观测断面桩。

b.河床变形的观测方法。采用断面测量法进行河床变形的观测。断面测量包括水面以上的水准测量和水面以下的河道断面测量两部分。河道断面测量可采用全站仪按照一般断面测量方法实施，包括水深测量、垂直测点至起点距离测量以及在测探期间的水位观测。测量前应对断面桩桩顶高程按四等水准要求进行复核。

c. 河床变形的观测次数。水闸上游河道断面建成后观测一次，之后每三年观测一次；水闸下游河道断面确定后观测一次，之后每一年观测一次。此外，冲刷或预计较严重时，每年汛期、汛后各观测一次。当放大流量或超标准运用、冲刷尚未处理而运用较多时，增加测次。

3.4水位流量观测

为了观测过闸流量及水位，在两岸边墩上下游端部预埋钢管，在上下游各安装一个水位计、流速仪，由水位、流速的测值推算流量。

4闸门监控系统

在白云闸设置10面PLC控制柜，每面控制1台启闭机，远程控制设置在管理处控制室内，两种控制方式通过转换开关在现地控制箱面板上切换。在控制室内设置上位机，负责完成数据的接收存储和闸门群的监控任务，现地PLC单元将闸门与启闭机的状态信息传输到操作站上位机，上位计算机发出的一系列闸门控制操作指令数据等下行信息也可传输到现场PLC单元，从而实现监控调度功能。闸门自动监控系统分两个层次面：现地设备层和远端运行管理层。在现地手动控制系统的基础上增加了下位机(PLC)和计算机自动监控系统(上位机)，以确保闸门安全运行的可靠性及自动化监控水平。远端计算机自动监控系统是在现地手动控制系统的基础上建立的，它与远端手动系统平行对接。

4.1现地控制系统

控制单元采用S7-300 PLC作为主控单元，以profibus工业网络为基础,按功能分散构成模块，适用于操作站对启闭设备进行自动控制、监视，将各种信号送至控制室。该系统设置10个现地控制单元， PROFIBUS-DP总线结构，设置1套CPU单元，CPU单元安装1号PLC控制柜中，分控单元为SM321+SM322+SM331采集各种信号，并可连锁控制启闭机开、关、停等操作，现地单元光缆通信与操作站连接，组建控制级工业以态网，除通信光缆外还配置有1对光纤链路模块以及以太网卡和连接器等构件。现地测控内容包括闸门开度、闸门左荷载、闸门右荷载、总配电电流电压、总配电电度、测控模拟量及脉冲信号来自各闸门配套控制柜仪表。

4.2远端监控系统

远端自动控制操作台是通过与现地手动控制系统的并接，把手动控制集中在操作台上，实现控制；自动控制远程操作站(IPC)通过控制和检测PLC状态，再由PLC发出指令控制设备进行工作；视频监视录像计算机作为管理者对闸门管理的辅助手段，也是提高管理水平的一个标志。

远端计算机自动监控系统是在远端手动系统的基础上建立的，它通过网络与下位机(PLC)相连，PLC与现地手动控制系统连接，由远端计算机自动监控系统(上位机)控制和检测PLC状态，再由PLC发出指令控制相应设备进行工作。

远端计算机自动监控系统在前端设1台PLC控制器，PLC与手动控制设备端相连，然后通过网络与1台计算机连接构成计算机自动测控系统，该部分的计算机软件包括以下部分：

a. PLC控制软件。用于组合逻辑编辑和控制设备编辑。

b. 系统管理软件。用于远端人机界面程序编辑和远端监控软件编辑。

5自动化观测系统

为减轻观测人员的劳动强度，观测项目尽可能采用自动化。采用国内先进的自动化监测控制系统对水闸进行安全监控。对工程建筑物的性态测控数据采用分布式数据采集传感系统，使观测系统达到实时监控、预警监控、全方位监控、观测传输迅速，数据分析处理准确可视的要求，使水闸管理水平上一个新台阶。

水闸安全自动化监测系统功能包括：ⓐ实现各观测项目中监测仪器的自动化测量和数据的自动采集；ⓑ实现观测数据的集中处理和用计算机对其进行处理分析。为了保证自动化监测系统的长期稳定工作，要求采用抗干扰能力强、可靠性高、故障率低、扩展方便、易于维护的分布式数据采集系统，并经过鉴定且在国内、外两座大中型工程中实际应用的产品。

该观测系统由三部分组成：

a. 现场测控单元。现场测控单元(DAU)包括：建筑物性态监测装置、预警监测装置、数据自动采集和存储装置、传感集线装置。

b. 通信传输。通信传输部分包括光纤传输、局域网等。

c. 观测监测站。观测监测站部分包括实时监控、数据库生成与管理、数据和图形输出、通信与网络管理、远程控制及文件传输、自诊断及系统维护。

6结语

白云闸是大东沟河上重要的枢纽工程，对其进行自动化设计是保证枢纽安全运行与效益发挥的必然途径。本文重点介绍了该工程监测系统和闸门监控系统的测点布设、测量方法和功能组成等

参考文献

[1]郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[2]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

[4]杨杰，胡德秀，吴中如.大坝安全监控模型因子相关性及不确定性研究[J].水利学报，2004,20(12)：99-105.

[5]张进平.大坝安全监测资料分析方法及信息处理技术的若干进展[J].大坝与安全，2003(6)：19-23.

[6]彭虹.大坝安全监测自动化的演进与拓展[J].大坝与安全，2003(6)：13-18.

运行管理