浅析三河闸闸门自动控制系统升级改造

郭志毅 陈江云 陈培然 薛业章

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处 洪泽 223100 2.淮安市农业综合开发规划设计与评审中心淮安 223000）

1 工程概况

三河闸工程位于江苏省淮安市洪泽区与盱眙县交界处，洪泽湖东南角。为淮河排洪入江的控制口门，是淮河流域性防汛抗旱骨干工程。闸身为钢筋混凝土结构，共63 孔，每孔净宽10m，闸孔净高6.2m，总宽697.75m，设计流量12000m3/s，属大（1）型水闸。三河闸闸门均为钢结构弧形门，配套QHM2×100kN卷扬式启闭机。左右岸空箱内分别设有水电站一座，装机容量为200kW。

三河闸建成以来，在历任管理者和工作者的精心管理、精细维护、精准调度下，成功抗御了1954年、1991年、2003年、2007年等年份淮河大洪水，年均泄洪近200 亿m3，保障了苏北里下河地区不再受到淮河洪水灾害之苦，发挥了水资源供给、生态保护等功能。

2 改造原因

由于三河闸孔数较多，采用人工开停机操作，费人工、耗时长、准确度低、及时性差。三河闸原闸门自动控制系统经过多年运行，存在硬件设备老化、软件系统不稳定等问题，无法满足精细化管理与运行调度需求，尤其在发生特大洪水等紧要关头，可能会延误时机，错失最好的调度时机，造成难以挽回的损失。为提升三河闸闸门自动化控制水平，本次采用国内外先进的科技手段，优化三河闸自动化控制系统结构，提高三河闸现地控制单元稳定性和可靠性，提升系统软件的实用性、可靠性、界面友好性等，从底层传感器、现地控制单元、通信网络、系统软件等方面对三河闸自动化系统进行系统、全面的改造。

此外，三河闸配套建设的南、北两座水电站，目前均独立运行，无法同时对两个机组运行状态进行实时监测，需耗费两份人力、物力对机组运行状态进行监视。为节约人力、物力资源，同时也为了确保水电站的安全运行，实现闸南、闸北水电站远程状态监控和实时控制，需对两座水电站自动控制进行升级改造。

本次改造将两座水电站一体化自动控制系统接入到三河闸控制中心，纳入三河闸闸门控制系统，实现三河闸闸门及水电站的一体化控制和集中管理调度，满足系统安全运行和实际管理需要，有效节约人力、物力维护成本，大幅提升管理效率和精细化水平。

3 主要改造内容

3.1 实现目标

实现63 孔闸门的自动化控制和运行状态的监控，利用已建水文站的数据实现上下游水位的实时监测和显示，实现2 座水电站在控制中心的一体化控制。

3.2 结构分布

系统采用分层分布式结构，按控制优先级别分别设现地手动控制级、现地级、站控级，可以进行切换。系统越接近设备，控制权限越高。控制权由高到低顺序为：现地、站级、远控中心。

3.3 系统组成

闸控系统由监控主机、现地自动控制单元、手动控制单元、操作机构、各类传感器及通信网络组成。设置站级控制中心，配置工控机 2 套（冷备），视频存储与显示设备1 套，以及交换机、UPS 电源、打印机等。现地自动控制单元配置 9 套PLC。系统总体拓扑结构如1 图所示。

4 系统控制方式

4.1 三河闸闸门自动控制系统控制中心

主要包括工控机、数据库软件、组态软件、网络交换机等。通过工控机可在控制中心对闸门进行操作，采用主流组态软件，开发三河闸闸门自动化系统监控应用软件，利用软件和数据库技术可将系统内的闸门控制信息、闸位、水位、电气参数及图像等实时信息通过统一的通讯网络汇集到控制中心。

4.2 PLC 控制系统

配置9 套PLC 现地控制单元，每套PLC 控制7孔闸门，利用PLC、智能仪表和现地传感器等实时采集各闸门运行状态信息，通过独立的光纤传输至控制中心与计算机建立起自动控制系统，实现63 孔闸门现地自动控制。

4.3 现地手动控制

现地设32 个手动控制柜，每个手动柜控制2 台闸门启闭（32 号控制1 台）。手动控制柜上，通过操作按钮实现闸门的升、降、停等操作。

4.4 通讯网络

对现有光纤通信链路进行优化与完善，提升通信可靠性。

4.5 预留闸控系统信息到上级管理单位的接口

根据控制中心情况，通过光纤把闸门信号、运行状态、水情信息等传输到上级管理单位。

4.6 接入控制中心

将南北水电站一体化控制装置接入控制中心。

5 主要技术指标

系统提供的设备及软件应完全满足实时性、可靠性、可维护性、实用性、安全性、可扩性等要求。

5.1 系统实时性

根据控制系统要求，本系统的实时性应能达到如下指标：

（1）数据采集周期

电气摸拟量：≤1s；非电气摸拟量：≤5s；开关量：≤1s。

（2）控制响应时间

接收控制命令到执行控制的响应时间＜2s。

（3）人机接口响应时间

重要画面和报警画面：＜1s；90%常规画面：＜2s；其他画面：＜3s；

数据库刷新到画面上实时数据刷新时间：＜2s；

操作员发执行命令到应答显示的响应时间：＜3s；

从出现报警信号到画面上显示并发音响报警的响应时间：＜2s。

5.2 系统可靠性

闸门自动监控系统要能适应周围的工作环境，具有高抗干扰能力，能长期可靠地运行。计算机MTBF ≥20000h；现地控制单元MTBF ≥40000h；外围设备及人机接口设备MTBF ≥20000h；通道平均故障时间＜24h/a；电源系统平均故障时间＜4h/a；设备平均故障排除时间≤1h。

图1 系统总体拓扑结构图

5.3 系统实用性

闸门自动监控系统应采用高可靠性现地监控单元和上位机系统软件。整个系统的年可利用率不低于99%。

5.4 系统可维护性

系统平均维护时间：MTTR ≤2h。

5.5 系统安全性

闸门自动监控系统对每一功能和操作提供检查和校核，发现有误或受阻时能自动或手动禁止并报警，并记录下来，一直到操作员发现为止。

5.6 可扩性

闸门自动监控系统应具有合理的软件和硬件结构，具有足够的冗余能力及扩充能力；I/0 测点有15%的备用容量；计算机CPU 正常平均负荷小于30%，紧急情况下负荷小于50%；外存具有60%的备用容量；系统有预留接口等。

6 主要系统功能

闸门自动控制系统具有如下功能：控制与调节、数据采集和处理、系统联网、运行监视和事故报警、统计与计算、参数在线修改、数据通信等。

此次改造除硬件设备和软件系统的升级保证了控制系统的稳定性和可靠性外，还新增了两个新功能：一是水情信息直接从水文系统中采集，增强了水情数据的准确性；二是实现了南北水电站的一体化控制。

6.1 控制与调节

闸门控制权限分为四级，即具备现地手动、现地自动、站级控制和远程控制功能（需现地手动级和站级控制中心授权）。

6.2 数据采集与处理

模拟量输入信号：水位信号（雷达式水位计）等；

开关量输入信号：水位信号（格雷码）、闸位信号、限位信号、电气设备开关状态信号；

开关量输出：闸门上升、下降、停止，电操的上电、失电操作。

6.3 联网功能

（1）与监控系统联网，上位机可以通过网络采集现地监控单元的实时信息。

（2）与南北水电站自动控制装置实现网络连接，并接入控制中心，实现对南北水电站一体化控制和运行状态的监视。

保护类型包括软件保护和硬件保护。软件保护包括阈值限位、飞车、卡滞、电气故障、烧结等类型，硬件保护包括限位、过流、电操。

6.4 控制安全保护

闸门控制系统的安全保护。

6.5 运行监视和事故报警

运行实时监视，水闸监控系统可以使运行人员通过监视器对全闸各主设备的运行状态进行实时监视。监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各运行参数进行实时显示。监控系统定时扫查各故障状态信号，一旦发生状态变化立即在LCD 上显示出来，同时记录故障内容及发生时间，并用语音报警。

6.6 统计与计算功能

主要由计算机监控系统对当班、当日、当月、当年的事故及故障、参数越复限、设备运行时间进行统计和计算，并记录下来，作为设备使用情况、寿命以及运行安全性可靠性判别的依据。

6.7 参数在线修改

系统工程师可在线对运行状态判别条件、预置参数和计算公式进行修改。

6.8 设备运行统计记录及生产管理

计算机监控系统能对闸门操作、运行、主要电气设备动作及运行、事故及故障、主要设备和装置退出运行统计记录、定值变更等情况进行统计记录。

6.9 画面显示

画面显示是计算机监控系统的主要功能，画面调用允许自动及召唤方式实现。自动方式是指当有事故发生或进行某些操作时有关画面的自动推出，召唤方式由操作员直接操作某些功能键或以菜单方式调用所需画面。画面种类包括各单线图、曲线、报警画面、运行指导、表格等。

6.10 系统管理功能

能够进行相关用户的管理、控制权限区分等功能。

7 结语

通过此次改造，大大提升了三河闸闸门自动控制系统的可靠性、准确性、及时性和稳定性，同时由于南北水电站控制系统的引入，也减少了水电站控制运行时所需的人力、物力成本。三河闸闸门自动控制系统的改造成功和稳定运行，也为三河闸工程发挥其巨大的工程效益和社会效益奠定了坚实的基础■