自动化闸站的数据采集及处理

张述刚，王义锐，叶雨龙，杨 洋

（1.山东省调水工程运行维护中心昌邑管理站，山东 潍坊 261300；2.山东省调水工程运行维护中心烟台分中心，山东 烟台 264001；3.水利部机电研究所，天津 301900）

1 概述

闸站是我国水利工程建设中的重要组成部分，在防洪排涝，抗旱运输，调水等多方面有着及其重要的意义。我国地域广阔，有着丰富的水资源，大小闸站遍布各地, 大多数闸站自动化控制系统在投入运行后，极大提高了调水作业的规范性和安全性。同时，通过部署远方和现地监控平台，建立起一个分布式监控平台，统一的协议使各监控节点后台能进行数据的通信和交换，实现了远程监测、操控，这些都使得无人值守、统一调度成为可能。

2 自动化系统结构

自动化闸站系统分为运行监控中心、现地控制单元和监控单元等几部分，实现闸站实时的信息采集、传输和控制。

（1）运行监控中心

（2）现场控制单元

主要由PLC、机柜、继电器、接触器、电源等部分组成。现地PLC控制系统主要对开度、水位、流量、电流、电压、等设备状态数据信息进行采集，并对采集到的数据进行分析，确保设备安全稳定的运行。

（3）监控单元

能够对包括水情、水位、流量、闸门开度、电流、电压等在内的工况数据进行实时监测采集，且能在设备异常工作时进行自动保护，保障机电设备合理运行。

3 自动化系统原理

闸站自动化工作原理主要是通过对闸前闸后水池水位、流量这些影响上下游水位的关键信息进行分析，自动控制闸门启闭放水分流来调控水位，满足正常的调水或者分流等需要，通常为闭环自动控制系统。

闸站闭环自动控制原理：闭环自动控制也就是反馈控制。闸站闭环控制主要根据水位、流量传感器检测被控对象（闸门）的状态信息，并将其转变成物理信号传给PLC控制柜。PLC根据闸站具体状况设定一个水位区间数值比较被控闸门当前状态（输出量）对当前水位的偏差，产生一个控制信号，通过执行机构驱动被控闸门上升或下降，使水位慢慢达到PLC设定的水位区间内。

4 数据采集与处理

闸站自动化系统采集、监测的数据主要包括闸门启闭状态、闸前、闸后水位、流量、开度信息、电量信息、限位及荷重状态、环境数据、故障信息等。

在各村设置一名核桃辅导员，专门负责本责任区域内泡核桃的栽植、病虫害、施肥、修剪等技术的日常指导。在全镇设立8个示范区，面积1410.4亩，对全体辅导员实行目标责任制管理、签订了管护合同。层层落实抓示范样榜，建立示范样榜8块，其中镇级 1块，连片面积达到100亩以上；村级7块，连片面积达到20亩以上；每个核桃辅导员设立示范树，做到目标明确、责任到人。

4.1 主要功能

数据采集管理系统平台，主要通过在线方式连续监测、记录和分析动态水位、流量、开度、电量信息、限位等数据，提供详尽的、可追溯的数据和各个参变量。控制功能是通过现地PLC柜下发控制指令，实现对闸门的控制功能。现地PLC柜对现地连接的全部传感器设备进行数据信息采集，并将信息传至PLC控制柜中，经分析后传至人机界面显示实时的数据信息。

（1）水位和流量信息采集

水位、流量数据是下游地区进行泄洪、调度、分流等决策的重要依据，因此水位、流量的测量非常重要。通过采集闸前闸后水位、过闸的瞬时流量和累计流量等，并将信息传送到远程监控后台，让闸站现场工作人员详细了解水资源分配情况，为水资源调度分析提供数据依据。

（2）远程控制

PLC控制系统通过网络通信与监控平台建立连接。操作人员通过远程监控平台进行闸门开度和闸门启停的控制。

（3）故障报警

在闸门故障、水位过高或过低时会发出警报信息，可根据闸站具体情况来设定报警阈值。当出现闸门冲顶、通信中断、过流、停电等故障时，报警信息将被反馈到监控后台并记录。

（4）事件操作记录

事件记录包含具体人员操作记录，如启停状态、控制参数的增加、删除、修改等动作记录，这些记录将作为事件在本地记录留档。

（5）事件警告

闸门启动状态发生变化、控制参数如开度限位、水位高度限位等参数的增加、删除、修改、操作指令等动作均会触发事件警告并记录。

（6）参数设置

闸门开度的设置可以采用上下游水池水位、流量的浮动作为参考，同时在设备正常运行的情况下，若出现数据微差，通过参数设置消除微差，对参数进行修改，使数值趋近于实际值。

4.2 数据采集的输入和输出

（1）输入

数据的输入包括开关量输入、模拟量输入等，开关量输入包括：闸门启闭机现地、远方、启动、停止、故障、报警、闸门全开和全关限位等，通过输入模块可触点对应程序的输入寄存器地址，以此在程序中分配相应的寄存器地址，采集信息通过PLC传送至监控后台。模拟量输入采集设备包含各类水位计、流量计等。通信传输方式有2种，一种是串口Modbus协议类型，一种是4～20 mA电流信号。Modbus协议采集通过PLC串口模块，根据仪表的波特率、奇偶校验、数据位、停止位等进行校验判断，当参数设置一致时，在PLC程序中即可读到仪表数据信号，并将读取的数据存储在指定的寄存器中。4～20 mA的模拟量信号采集通过PLC的AI模块，内部将模拟量转换为数字量并传输到监控后台。

（2）输出

主要是PLC控制参数开关量输出。PLC内逻辑程序通过如水位、流量等关键数据信息作为限制条件实现对开关量的输出，包括远程开、关闸、停止等的控制。如限制条件到达设定值，即执行输出信号发出指令，通过控制设备的继电器、接触器等来启动或停止。

5 自动系统改进升级

5.1 数据采集设备

部分在高温、高湿度地区运行作业的闸站，经过几年下来可发现采集设备大部分存在数据采集不到、数据显示不准确、数据采集缓慢等难题。野外的恶略环境如高温、湿度大等导致数据采集设备更易受到损坏。这些数据在闸站日常运行决策中起到关键作用，因此保证数据采集设备的稳定运行尤为重要。在改进系统时不仅需要做好采集设备日常防护，还需要考虑上下游水质和冰期调水作业对水位采集的影响，还应考虑采集设备的故障率、使用年限等对数据采集的影响，对日常运行维护状态故障率高的采集设备进行改进升级。

5.2 数据过滤优化

数据通信采集中通常存在数据采集频次过高，采集过程中会产生很多无效数据。优化改进闸站自动化系统设计中，针对不同种类的数据可根据数据需要采取相应的降频次采集、时间段采集优化等策略。同时应当在原有过滤方案的基础上建立一套完善的数据分析决策机制，在满足真实数据交互这一基本需求下，能对采集数据进行预处理，筛选和清理干扰数据，降低PLC和监控后台的处理工作量。

6 数据采集及处理的作用

6.1 提高闸站机组的长期稳定运行

将采集的数据进行汇总、储存、分析，得出年度、季节、月份、周、日、时的水位、流量、开度、用电量的情况，找出它们之间的关系与规律，结合闸站机组运行、维护、保养、修理记录，确定闸站机组的维护、保养、修理的周期，保证闸站机组的长期稳定运行。

6.2 减少水的损耗

通过闸站之间流量的关系，可确定闸站之间的水的损耗，经过对各时间段流量损耗的分析，得出损耗少的时间段进行开闸供水，达到减少损耗的目的。

6.3 减少用电费用

对闸站用电量、供水量进行分析，峰谷用电时单位电量的价钱是不同的，找出单位供水量花费最低价钱的时间进行供水，提高电的利用率，减少费用，增强企业的效益。

7 结语

随着科学技术的进步与发展，闸站的智能化、自动化程度得到了显著提高。采集设备的改造升级与优化保障了自动化系统数据采集的准确性、及时性、可靠性。在完善现地控制、远程控制功能的同时，优化数据采集和处理的设备、流程，引入数据分析技术，可全面提升闸站自动化控制标准，实现自动化操作、精准化控制、智慧化调度，最终提高闸站工作的安全性和运行效率，提升闸站系统的经济效益和社会效益。