笋塔水库闸门计算机监控系统重建研究

（福建省南安市笋塔水库管理处，福建南安 362300）

1 概 况

笋塔水库溢洪道位于大坝右端，设计流量706 m3/s，校核流量892 m3/s，全长250.60 m，进口为有闸宽顶堰，堰净宽30 m，堰顶高程120.32 m；安装6.5 m×10 m 钢结构弧形闸门3 扇，配2×10t 手摇电动两用卷扬机3 台。

笋塔水库闸门计算机监控系统始建于2004 年底，曾为笋塔水库防洪兴利发挥了一定的作用。由于当时技术条件相对落后，监控采用模拟信号传输，线路采用双绞线，信号衰减较为严重，系统故障较多，经几年运行后，元器件老化损坏，后来基本不能使用，2014 年水库大坝除险加固时全部拆除。

2 闸门计算机监控系统重建的必要性及拟建成目标

2.1 闸门计算机监控系统重建的必要性

1）笋塔水库地处暴雨区域，集雨面积较大，库容相对较小，汛期闸门启闭频繁；管理处与泄洪闸房相距近千米，对闸门控制不方便、不安全，不能满足目前水库防洪调度快速反应的要求，因此重建闸门监控系统非常必要。

2）运用信息技术（计算机、网络、通讯技术）能及时、快捷、准确、可靠地传递水、雨情，有效地提高洪水预报精度和延长洪水预见期，为制定防洪调度方案提供科学、快速、准确的依据和手段，进一步提高水库防洪减灾能力，对保护下游人民生命财产安全起着重要作用。

3）系统具有信息资源共享，网络在线监视，实时动态查询功能。通过分析水雨情资料、水位流量关系，有助于修正优化防洪兴利调度计划，为水库防汛、供水管理决策提供科学依据，充分利用水资源，最大限度地发挥防洪及供水等方面的效益。

4）对水库有关数据进行监测，分析变化趋势，为管理部门及时、准确地掌握水库的运行状况提供科学依据，极大地提高对水库工程的科学管理水平。

2.2 闸门计算机监控系统建设目标

1）对水库流域内水、雨情信息实时准确地采集和监测。

2）可现地手动或自动、远程自动控制各扇闸门的启闭停状态，自动检测各扇闸门的开度、上游水位、泄洪流量；可实现定闸门开度、定泄流量的自动控制功能。

3）建立数据库，提供相关信息查询服务。提供各时段的雨量、水库水位、闸门状态、泄流量、泄洪量统计等相关数据的报表，并可打印成纸质资料。

4）视频监控系统覆盖重要监控区域（大坝概貌、水库概貌、水库水尺观测、各扇闸门启闭机动作监视、溢洪道泄流监视等），24 h 在线智能监控，要有良好的夜视能力，历史数据存档期不少于10 d。

5）系统具有直观良好的操作界面。

6）系统应具有可拓展性，为今后水库建设水质监控系统、大坝渗流和坝体沉陷位移变形监测系统提供拓展平台。

3 建设原则

1）实用性与先进性。采用成熟的计算机技术、自动控制技术、安全防范技术、网络技术、通信技术，保证系统实用，随机信息采样周期及操作响应时间短，实时性好。在开放性与标准化方面，采用开放的网络结构，便于系统的升级、扩展和互联。

2）可靠性与安全性。主要考虑两个方面：一是充分利用现有的高可靠性计算机网络资源和设备，使整个网络安全可靠；二是采用成熟的采集设备、控制设备、传输设备等，采取必要的防护措施保证系统有较高的抗干扰能力和纠错能力，并设置系统的用户表及口令限制，确保系统能长期可靠地运行。

3）经济性和可扩展性。在满足工程需要的前提下，选用性能价格比高的设备；采用的设备充分考虑易扩展、易升级换代，并且在扩展或升级时可以最大限度地保护原有的硬件设备和软件投资。

4）集成性和可维护性。系统采用功能模块集成且相对独立，一个功能模块故障不影响其它功能模块的工作；监控主机具有自动诊断功能，能判定故障位置，便于维护。

5）统一规划和分步实施。对整个系统进行统一规划设计、分步实施；系统应留有扩展的余地和接口，使系统易于规模扩展和功能扩展；为以后大坝沉陷、位移、渗漏监测系统及水质监测系统的续建提供平台，避免重复建设。

4 闸门计算机监控系统的结构特点及功能

本系统分为3 个子系统：一是水雨情自动测报子系统，二是视频监视子系统，三是闸门自动化监控子系统。

4.1 水雨情自动测报子系统

通过传感器和监测设施，实现对水雨情信息的实时现场监测。其由1 个水位雨量测站、2 个雨量测站和数据采集中心组成；监测站主要包括传感器（水位计及雨量计）、遥测终端机RTU、4G 通讯模块、太阳能电池板、蓄电池、充电保护控制器、光纤收发器等；数据采集中心有路由器、前置机、监控中心计算机等组成。

软件功能：①雨情信息：系统支持实时雨量查询，可显示各雨量站的名称、24 h 内的降雨情况，可以查看雨量数据报表。②水情信息：系统支持实时水位查询，并以闪烁提示方式显示超汛限和超警戒水位。可以查看水位过程线和水位数据报表。

4.2 视频监视子系统

通过现场摄像装置，将现场实时情景以图像准确、快速、清晰地传输到管理处监控中心，值班人员根据图像直观地掌握相关设备设施的运行状况和事故处理情况等；实时采集到的视频信息存储在服务器中，作为历史资料以供查询。

本视频监视子系统共设置9 个监视点。设置3 个枪式红外高清网络摄像机分别监视3 个闸门启闭机动作情况，设置2 个球式红外高清网络摄像机分别监视闸门处溢洪道上、下游泄洪情况，设置1 个球式红外高清网络摄像机观察水尺，设置2 个球式红外高清网络摄像机分别位于大坝左右侧以监视大坝，设置1 个球式红外高清网络摄像机监视库区。

软件功能：系统支持在统一平台远程查看各视频点信息，对各视频监视点实现任意切换查看；支持调整多画面集成与分解及对视频信息多画面灵活调整的实时查看；并可以通过软件控制现场的摄像机镜头以及云台，调整光圈大小、焦距远近、变倍高低以及图像角度等，满足对现场多方位监控需要；支持将视频在内外网、互联网上分级发布，当工作人员外出时，能随时通过不同网络获取视频信息。

4.3 闸门自动化监控子系统

闸门自动化监控子系统可分为闸门监控和计算机网络两部分。

闸门监控采用3 层开放分布式结构，其包括现地手动控制层，现地集中控制层，管理处监控中心（远程）控制层等部分。

1）现地手动控制层设于闸门启闭机端，每个闸门各配置一套，由启闭电机、常规的继电器、限位开关等组成控制回路，实现每扇闸门的启、闭、停控制。

2）现地集中控制层设在溢洪道闸房内，由LCU机柜内的PLC 模块、触摸屏等组成。其自身软、硬件能独立完成运行，主要功能有：①通过传感器对水位、闸门开度等数据进行测量，所有的关键数据均能在系统界面上显示；②人工在触摸屏上键入指令，实现闸门的控制；③实施管理处监控中心主机的控制命令，控制闸门自动升、降、停；④对数据采集、处理和对系统进行诊断，网络和其它控制器故障不会影响其工作。

3）管理处监控中心（远程）控制层设在水库管理处，其由网络硬盘录像机、监控计算机等组成，接收、储存现地集中控制层的采集信息，值班人员可根据实时数据进行必要的调整，形成调度指令并将指令下达。

4）计算机网络采用全开放系统结构，计算机等都使用符合开放系统国际标准的中文版操作系统。

4.4 闸门自动化监控子系统软件应具备的主要功能

1）时钟同步。能够使系统中的智能电子设备获得统一的时间基准，这对于系统的实时监控、管理和安全保护具有重要的意义。

2）数据通信。现地控制层能接收各传感器的测量数据及故障信息，并发送到管理处中心控制层；且接收管理处监控中心下达的各种控制指令。

3）实时监测。通过传感器采集闸门运行状态及开度等各种实时运行参数，并将这些数据保存在数据库中，以供查询，准确反映各设备的动作情况。

4）可视化管理功能。通过分别装在溢洪道闸门上下游附近的二个彩色球形摄像机与闸门联动对闸门工况进行监视，查看闸门上下游侧水位、泄洪水流的形态。

5）计算统计。根据上下游水位、闸门开度确定泄洪流态，计算泄洪流量及泄洪水量；或根据水库水位变化情况及库容曲线确定上游来水量，并根据上下游水位、下泄流量、闸门的流量关系曲线等计算出开启的闸门数和开度，自动控制闸门启闭实现控制水位和控制流量平衡。

6）控制与调节。操作人员在监控中心主机或现地控制单元通过密码登录方式进入监控系统，系统则根据预定原则由操作人员输入指令，完成对闸门的控制、调节，发生故障立即自动停止闸门的动作。

7）越限报警。根据实际情况对要采集的参数项目设置上、下限值，当系统检测到越限等异常状态，就会发出报警且将异常状态信号显示于显示屏上，并在数据库中记录下来，以供查询。

8）自诊断、故障报警。系统能对运行参数的变化趋势进行分析，能对硬件设备、系统软件、应用软件的故障进行自检，发现故障征兆或故障，立即停止该部分设备的运行（闭锁相应的控制输出），报警、并自动显示和记录。

9）记录。对所采集的参数各按设定每隔一段时间保持一次，对闸门启闭过程及前后状态进行记录，以供查询。

10）历史数据储存与查询。中心站主计算机数据库能存储本系统所采集的数据，触摸屏只能存储少量的报警及过程数据；它们都提供查询接口。

11）打印功能。对能在显示器中显示的采集数据、汇总报表及视频图像都能通过设定的打印机打印出来。

5 采用的安全措施

1）设置权限管理。各监控站对闸门进行监控操作的先决条件是必须拥有系统控制权限，系统控制权限只有现场监控站才能进行授予、改变或收回。如果有几个监控站都拥有控制权限，他们同时发出操作闸门指令，系统则会比较他们的权限级别，权限级别比较高的指令获得执行，级别低的就会被屏蔽掉。

2）设置支持视频子系统与闸门监控子系统页面集成，使闸门出水口实时监控图像与闸门监控子系统的监控界面同一窗口显示，让操作人员在实施控制闸门时，能同时看到整个闸门及其启闭机现场的真实反应动作，并能够对监控图像的摄像机的云台、变焦等进行控制调节。

3）配置闸位上、下限位保护。将上、下限位开关分别接入闸门启、闭电路，当闸门运动至限制位置，自动切断控制电路，防止闸门开、关过头。

4）设置电机保护器检测电动机电压、电流，当电动机过载或缺相等故障时能随时报警，并切断控制电路，停止闸门启闭。

5）PLC 软件设计具有自检功能，系统通电PLC 首先对各个传感器输入信号和控制状态反馈信号进行检测，各个信号准确无误后才进入运行控制程序。

6）系统软件设计采用自锁和互锁功能。当自检测到故障时系统进入自锁状态，立即停止闸门运行，只有故障排除后才能启动控制程序。

7）故障时紧急停机措施。在闸门启闭电机动力线路上接入断路器，软件设计为：当系统发出闸门停止的控制命令2 s后，闸门仍继续运行，若电机动力线路接触器故障，就必须紧急断开断路器，切断电机电源，停止闸门运动。

8）掉电保护。中心站在失去正常供电电源时，系统能迅速启用备用直流电源供电，以保证在一段时间内能继续对现场数据进行采集和保存，避免信息丢失，当主电源恢复供电时，又自动切换为主电源供电。

9）设置“防火墙”。在网络中，将内部网和公众访问网（Internet）分开，在两个网络通讯时执行一种访问控制尺度，它能允许你“同意”的人和数据进入你的网络，同时将你“不同意”的人和数据拒之门外，保护内部网免受非法用户入侵。

10）防雷设施。针对水库的工程特点，要采用多个环节和多种措施进行防雷保护，主要措施有：合理、规范的接地处理；电源防雷；仪器及引线防雷；通信系统防雷。

6 结语

重建后的笋塔水库闸门计算机监控系统是一套经济实惠、可靠性强、稳定性高、功能齐全、故障易检修、防护措施到位的现代自动化信息化的控制系统，它提高了闸门自动化水平和管理效率，极大地改善了劳动环境；对保障水库安全运行，进一步提高水库防洪减灾、调度运行技术水平起着重要作用；促进水库发挥更好的经济效益和社会效益。