自动化控制系统在防洪泵站水闸中的应用研究

朱 宁 孙 衍 杨兴丽

水闸是防洪泵站的主要设备，具有调度、防洪等作用。在信息时代下，自动化、智能化的水闸调度运行是当前水利工程研究的一个热点方向。科学合理的水闸自动化控制系统不仅可以提高水闸调度运行效率，还能降低设备运行成本和管理费用，有较大的应用价值。以某防洪泵站工程为例，对水闸自动化控制系统应用进行了具体分析，仅供参考借鉴。

一、某防洪泵站工程概况

某防洪泵站工程位于城市郊区，中心包围圈面积14.43km2，堤线总长17.21km，其中15.32km为路堤，1.89km为防洪堤，沿防洪提河口修建节制阀17座，泵站7座，其中泵站与闸结合。该工程设计为III级工程，主要建筑物为3级，次要建筑建筑物为4级，临时建筑物为5级。按照50年一遇洪水设计防洪标准，20年一遇、24h暴雨24h排出设计排涝标准，排涝流量为69.5m3/s。参照黄海高程设计内河水位，具体为2.21m，洪水位2.63m。

二、防洪泵站水闸自动化系统构成、功能及自动化流程、控制模式

（一）系统构成及功能

该工程规模巨大、作用突出，这就决定了水闸调度运行的重要性，需采用自动化控制系统。水闸自动化控制系统包括调度监控中心、远程控制系统、图像监视系统、网络系统、照明控制系统、安全防范系统、交通指挥系统等。各部分相互联系，互为依靠，构成了一个功能齐全、性能优良的水闸自动化控制系统。

1.调度监控中心

调度控制中心是水闸自动化控制系统的核心部分，主要设备有计算机、传输设备、UPS电源、存储设备、背投大屏幕、电视墙等。控制中心通过电视墙监督查看所有水闸设施的运行状态、内外河水位等，同时计算机远程控制对这些设施进行操作控制，记录相关数据，包括运行数据、设备参数、视频图像等，方便事后调查。调度控制中心的所有数据都可以传输至背投大屏幕上，为防洪组织安排提供支持。

2.远程控制系统

远程控制系统设备包括控制屏、传感器、执行元件等。其中，执行元件的命令来自调度控制中心。通过调度控制中心的命令实现远程控制系统的各项功能，包括闸门启动、闸门的锁定机构投入和解锁、闸门止水橡皮润滑水的投入和切除、水泵润滑水投入和切除、水泵的运行和停止等。

3.图像监视系统

图像监视系统主要包括摄像头、光端机、存储设备、视频显示器等。在各水闸现场安装摄像头和光端机，24h不间断工作。系统主要功能：一是对水闸本体、水位、水泵机组、锁定机构、锁定机构等进行动态实时监控，掌握各个方面的动态变化情况。二是对整个闸区范围进行巡视。

4.网络系统

该网络系统采用光电网络裸光纤模式，为独立网络，每一个点与控制中心的连接都采用独立的专用光纤，不与外网相联。这样的设计不仅保证了网络信号传输的安全性，也提高了图像传输的稳定性。

5.照明控制系统

照明控制系统设备有照明灯、照明控制箱等。夜间操作时，通过控制中心远程启动室内外照明设施，保证光源充足，使视频摄像头有工作的条件。

6.安全防范系统

安全防范系统设备主要有红外线报警器、示警喇叭、安防探头及控制中心的安防主机等。在无人值守模式下，开启安防系统，当人或动物进入时，一旦触发水闸上的红外线报警器，信号立即传至控制中心，由控制中心向示警喇叭发出执行命令，示警喇叭立即响应，鸣叫示警。此时，值班人员视频监视系统查看闸区内的安全状况，结合实际情况做出具体的工作安排。

7.交通指挥系统

交通指挥系统设备有语言广播、红绿灯等。主要功能是指挥调度过往船只，确保船只、闸门等安全。

图1 系统自动化流程图

（二）自动化流程

该水闸自动化运行流程如图1所示，其最大的一个特点就是可以按照操作者设定参数进行开机、自检等。在全自动模式下，当水位达到操作者设定的启动限制时，系统按照事先设定启动对应的机组。如启动1#机组后水位没有下降，而是持续上升，此时要继续检测，直到开启4#机组限值。反复重复这样的操作，直至水位停止上涨，方可终止运行。在系统自动化运行过程中，值得注意的是：当某一设备发生故障时，可能造成整个机组启动异常，甚至无法正常启动。为了避免影响水闸系统的正常启动，可针对以上问题设定提示功能，方便人员及时处理。在机组正常运行状态下，如果系统自动检测后发现符合操作者设定的关机条件，则按照设定依次关机，先关闭电机，再关闭其他设备。

（三）控制模式

该水闸控制系统设定了五种控制模式，分别为现场遥控操作、全自动控制、半自动控制、手动控制、远程监视控制。现场遥控控制：操作人员直接在上位机上手动控制闸门或设备，通过人工方式控制实现对闸门、设备的控制；全自动控制：根据操作者设定参数进行开关机、检测、闸门启动等；半自动控制：操作者自行选择机组号以实现闸门、设备的自动启动或关闭；手段控制：操作者直接在现场测控屏上进行操作，对闸门、设备进行现场控制；远程监视控制：根据现场实地实物模拟显示机组的开机、关机与运行，同时可显示实时运行中的参数。

三、自动化控制系统的应用效果

（一）缩短操作时间，提高反应速度

如果不采用闸门自动化控制系统，现场实地操作一般需要三人一组，逐一开启各水闸门、水泵，待全部闸门、水泵投入运行，至少需要4h。采用自动化控制系统后，只需一人值班，水闸门基本实现无人值守。接到控制中心运行指令后，值班人员通过控制中心的远程监控系统控制水闸、设备的启动，2h内可以完成全部设备的启动操作，既节省了操作时间，也提高了反应速度，极大提升防洪泵站运行效率。

（二）优化管理模式，降低运行成本

该防洪泵站初期设计预计采用传统的工作模式，若按照传统方式，需要40名管理人员，无论是管理成本还是人工成本都很大。经研究决定采用自动化闸门控制系统，实行无人值守模式，仅仅需要6个人就可以确保所有工作正常运行，人工成本、管理成本极大的减少。经过计算与对比，这种无人值守的操作管理模式比现场实地操作模式节省费用90万元以上。

（三）强化设备监控，规范台账记录

在现场实地操作模式下，操作人员每间隔一段时间就要对设备运行记录进行一次记录。由于采用人工方式，台账记录工作量不仅大，还可能出现数据记录不规范、错误等问题。由于台账记录工作不当，无法实现对每一台设备的跟踪监控，不能及时发现设备异常情况，故障率较高。采用自动化控制系统后，通过监控系统对设备进行全过程的跟踪监控，自动记录设备运行数据，可及时发现设备运行过程中的安全隐患并尽早排查，将设备隐患消灭在萌芽中。

（四）加强安全管理，提高生产安全水平

防洪泵站工程一般都在城乡结合部，交通条件不佳，对水闸工作时基本都是风大雨大的时候。在这种极端天气环境下，如果需要人到现场进行操作控制，工作危险性大，易发生安全事故。而且，工程规模庞大，设备类型多，若无人监管可能出现设备丢失等情况，若派人监督，又会增加人工成本。采用自动化控制系统后，现场设备的操作由操作人员在上位机直接远程操控，发现危险后立即发出警告。即使无人在现场，也可以控制水闸启闭，既保证设备安全，也保护人员安全。

四、结论

综上所述，防洪泵站水闸应用自动化控制系统是水利工程调度运行的主要趋势，其应用效果十分显著。不仅能提高工作效率、优化管理模式，还能明显加强监控、控制，降低运行成本，值得应用推广