长距离输水现地闸站监控系统总体设计及功能

李 可

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

国内某大型水利工程全长1431.945 km，输水干渠包括总干渠长1276.414 km。总干渠输水形式以明渠为主，局部布置管涵。渠道运行控制采用节制闸闸前常水位控制方式，可基本自流输水。

1 系统概述

本工程自动化调度与运行管理决策支持系统闸站系统的总体结构是基于分层思想进行设计的，整体结构布局上可设计成远方调度中心闸站监控系统和现地闸操作管理站监控系统。

现地闸操作管理站监控系统依据对需监控的对象需配备一台工控机和一套PLC，各现地闸站监控站点的信息及数据采集设备，根据设备的性能参数或通讯协议模式，使用多芯线缆或铜芯双绞线连接至PLC，在现地机房内搭建局域网使PLC和工控机在现地局域网内数据互读及通信传输，组成现地闸操作管理站监控子系统。现地闸操作管理站监控系统的各现地控制单元(LCU)既作为闸站监控系统的现地控制层，向远方调度中心站监控系统上行发送采集的各种数据和事件信息，接受远方调度中心闸站监控系统的下行命令对设备进行监控，又能独立于远方调度中心闸站监控系统自主操作[1]。

远程闸站监控系统的各子系统及现地闸站监控系统通过双网方式的监控专网相连，保证数据传输的可靠性、实时性和安全性。

闸站监控系统总体结构见图1。

图1 闸站监控系统结构图

闸站监控系统的组成见图2。

图2 闸站监控系统组成图

2 系统结构

每个监控站点配置备一台工控机和一套PLC，各监控站点的信息及数据采集设备，根据设备的性能参数或通讯协议模式，使用多芯线缆或铜芯双绞线连接至PLC，PLC和工控机连接至机房搭建的局域网内建立现地闸操作管理站监控子系统[2]。

现地闸操作管理站监控子系统由冗余PLC和非冗余PLC两种结构构成，冗余PLC结构见图3。

图3 冗余PLC结构图

非冗余PLC结构见图4。

图4 非冗余PLC结构图

现地站PLC主机和工控机均位于现地闸站的监控室内，它们通过通信机房的交换机接入监控专网。远程I/O模块布置在启闭机室和监控室，每个闸门和降压站配置一套远程I/O模块。PLC主机和降压站远程I/O模块合并组屏。一般水位、流量、温度等公共传感器接入1#闸门的远程I/O模块，对于倒虹吸出口节制闸闸前的水位接入相应闸孔的启闭机远程I/O模块。中心开关站电力监测数据，对于冗余PLC需通过485转以太网模块，接入现地闸站监控系统，对于非冗余PLC，可以直接通过PLC的485端口，接入现地闸站监控系统[3]。

本系统每站配置一套PLC主控制器，每站各闸门的远程I/O和降压站远程I/O能连接到本站的PLC主控制器。PLC控制柜安装在监控室，现地远程/IO控制柜安装在启闭机室。

3 监控内容

不同结构的闸，所需监控的数据信息大同小异，各类结构类型的闸需依据水量调度、生产运行等实际需求来进行精确监控，现地站的监控数据信息仅是闸站的监控范围的子集。

对于常规的涵闸，监控的数据信息需包括如下方面：闸前水位、闸后水位、瞬时流量、闸门启闭机运行状态、开启高度、动力控制箱内电流、电压、温湿度、相序故障，机械及电气限位信号、闸门超载、欠载等信息。启动回路如未配相序保护器将无偿配置[4]。

基于保证干渠水位测量信息的准确性、可靠性的目的，安装在倒虹吸出口侧的节制闸，可根据实际需求虹吸侧按孔数配置水位计，在节制闸后布置2台水位计。对于在倒虹吸出口工作闸后布置一台水位计。退水闸只测量一个闸上水位，不测闸下水位；分水闸测量一个闸前水位和一个闸后水位；对于退水闸与分水闸的水位计安装位置不尽相同，前者只在闸上安装测量，而后者闸前闸后均需安装。同时，节制闸和分水闸需安装流量计测量瞬时流量、累计流量、水温等数据。

液压式启闭机的特性与卷样式大相径庭，需对液压缸压力、油温、液压油油位、压缩机运行状态等信息监控。

各类闸(阀)的主要监控内容：

(1)公共信息：水位、流量(节制闸和分水闸)等。

(2)液压启闭机：控制方式、油泵状态、闸门状态、油压、油位、纠偏、安全保护、电流、电压和电源故障。

(3)卷扬启闭机或阀门：控制方式、安全保护、闸门状态、电流、电压和电源故障。

(4)中心开关站：35 kV部分通过中心开关站的电力监控子站采用通信方式交换信息；0.4 kV部分由闸站监控PLC通过I/O接口或数据通信方式直接从设备现场采集[5]。

(5)降压站：35 kV部分的信息已通过远方终端模块上送到所属的中心开关站的电力监控子站，该部份信息现地闸站监控系统不再采集；0.4 kV部分由闸站监控PLC通过I/O接口或数据通信方式直接从降压变电站设备现场采集[2]。

在闸门上游水位分别为7 m和4 m的情况下，闸门开度与流量监控采集的数据见表1，在不同的水位情况下，把闸门分为23个测量点，分别监测到瞬时流量值。

表1 闸门开度与流量监控采集的数据表

结果分析如下，图5中上面的曲线表示引水水位7 m时的流量曲线，下面的曲线表示引水水位4 m时的流量曲线，根据曲线可知当闸前引水水位降低时，调整相同的闸门开度，流量受水压等因素影响变化趋缓。

图5 闸门开度与流量监控采集的数据曲线图

4 功能设计

系统监控功能划分：工控机监控、触摸屏监控、PLC监控和启闭机现地控制柜监控。

(1)工控机监控

工控机监控涵盖多项功能：数据监测、动作控制、历史及实时数据查询统计及存储和、管理维护。其功能组成见图6。

图6 工控机功能组成图

1)监测

监测的主要四项功能：实时监测、告警、模拟、趋势。

a)实时监测

实时监测主要针对闸门启停闭状况、引水工况、电力及环境状况、超限告警和PLC运行状态五类数据。

b)告警

弹窗或声光提示超限、超载欠载、动力回路错相、电压异常控制系统故障、水位超限等各种告警信息；显示闸门启闭、流量变化、温度区间变化异常等一些重要事件。

显示的数据项包括：告警时间、告警位置、告警值、限制值和闸站点位。

c)模拟

运用于水位模拟。以闸站示意图为背景，以图形方式显示实时水位，模拟水位变化的动态过程。

d)趋势

选择任意时间段，显示本闸站在指定区间内的水位、流量、电流、电压等数据的曲线图。

2)控制

控制就是向PLC发送控制命令，完成闸门的启闭操作。一般情况下，由于现地站没有水量调度业务，其不会对闸门进行控制。只有在远程监控系统出现故障、网络不通或发生应急情况时，才会使用系统的控制功能。控制可以以人工交互的方式进行，也可以通过读取控制指令序列，来自动向向PLC发送控制指令[6]。

闸门控制指令分为的两类：开高限定指令和流量限定指令。

a)开高限定指令

对所控制闸门进行强制性的闸门启闭，需直接说明要控制闸门的孔号、启/闭以及启闭高度。

b)流量限定指令

为了满足给定的闸站引水流量，在闸门开度计算模型的支持下，计算出需要启闭的闸门以及启闭高度。

3)查询统计

在数据存储的基础上，通过查询条件筛选查找、寻找出想要的信息。在查找结果的基础上，进行整理、分析等的统计信息。最终将数据以可视化的方式展现给用户。

4)数据存储

随着全球数字化时代的不断发展和相关存储技术的成熟落地，具备用数据说话，用数据决策的能力，是企业的核心竞争力，也是公司的软实力。数据存储因在数字化时代中扮演着数据仓库的作用，其显得尤为重要。本系统数据采集模块通过开放的接口为数据存储模块提供数据源，数据存储模块通过关系型数据库与非关系型数据库混合的方式将数据源存储在服务器上并对用户增加、修改、删除、查询请求进行最优处理，保障系统稳定性。数据存储主要包含采集和控制相关数据的存储，采集的数据会附加编号、所属级别、时间、描述、数值等。控制的数据会附加编号、所属级别、操作时间、操作用户、操作描述。本系统数据存储方式配置灵活，主要包含以下方式：时间存储、数据变化存储。

a)时间存储：在设定的时间到达时进行数据存储。

b)数据变化存储：如闸门开度、水位、流量、温度、压力、控制命令等数值发生变化时进行数据存储。

5)管理维护

管理维护的主要功能包括用户管理、系统参数管理、代码管理、PLC管理等。

(2)触摸屏监控功能

触摸屏监控主要功能包括：监测和控制。

1)监测

监测的主要功能包括：实时监测和告警。

a)实时监测

实时监测的主要内容分为闸门状态、供电状态、自动化设备运行状态、调水信息(水位、流量)、系统告警信息(故障报警、操作记录、权限提示)。

b)告警

闸门过上下限位、荷重异常、过压、过载、PLC系统自诊断故障、水位超出警戒值、操作记录、权限不满足等告警信息。

2)控制

控制就是向PLC发送控制命令，完成闸门的启闭操作。一般情况下，由于现地站没有水量调度业务，其不会对闸门进行控制。只有在远程监控系统出现故障、网络不通或发生应急情况时，才会使用系统的控制功能。控制以人工交互的方式进行。

(3)PLC监控功能

PLC作为闸站监控系统的逻辑运算控制的核心，它监控管理着被控设备并服务于上位机软件系统。PLC系统不仅仅是PLC，系统内包含开度、荷重、行程开关、水位、流量等传感器和继电器、接触器等执行器，这样使得整个系统在监采集视处理数据的同时，还能同时满足控制的需要。数据采集与处理、闸门控制、安全保护、控制切换、网络监测等功能。其功能组成见图7。

图7 PLC功能组成图

1)数据采集与处理

数据采集来源主要分为无源触点状态、模拟量信号、串口通讯、网络通讯等方式。无源触点状态接入开入量模件来采集闸门系统的远方、上限位、上升等开关量状态。模拟量信号接入PLC的模入量模件，一般模拟信号以4 mm～20 mm或0～5 V来表示水位、流量、闸位、温度、电流、电压等模拟量信号。串口或网络通讯一般接入通讯模件的串行或网络接口，通过通讯地址和通讯规约采集流量、流速、温度等数据。

2)控制

接收各级站点发来的控制命令，根据系统设置的权限所有者判断当前命令来源是否具备执行权限，具备条件正常执行，不具备条件退出执行并反回提示信息，执行过程中根据工况的各种要求进行逻辑判断，不满足退出流程提示报警信息，满足成功执行提示执行成功。

3)安全保护

PLC系统中的安全保护主要根据闸门特性通过相关传感器采集的信号，通过开度、荷重、过载逻辑关系判断对闸门本体、电机、电网进行保护等。

4)控制切换

在PLC控制柜通过软按钮或硬按钮的设置方式实现远方/现地、自动/手动切换，当远方和自动在时，由远方系统控制。当现地和远方在时，由现地柜触摸屏通过PLC控制。当现地和手动在时，由现地柜按扭控制。

5)网络监测

PLC系统内的PLC的心跳网络模块监测冗余模块的主模块是否在正常运行，如果不在运行，备用模块立刻将执行权限交给备PLC执行，并提示告警信息。

6)冬季在柴油发电机供电时，启闭闸门需切除节制闸(工作闸)融冰和现地站三级负荷，闸门停止启闭后再投入融冰和三级负荷。

(4)启闭机启动回路柜与现地远程I/O控制柜集成后能实现的主要功能

控制柜的面板上对各类启闭机实现的主要功能要求如下：齿杆启闭机、卷扬启闭机、螺杆启闭机、电动蝶阀的升、降和停止操作，电动蝶阀开、关和停止操作、开度预置、声光报警。

液压启闭机的油泵的起、停操作、闸门的升、降、停操作、进行闸门开度预置、闸门双缸同步纠偏、闸门沉降的自动回升复位[7]。

5 结语

我国闸门控制的自动化技术起步较晚，但是近年来发展较快，自动化在水利行业中的应用越来越成熟，本系统自动化程度较高，数据采集量大，系统可靠性要求较高，系统达到设计要求，并且运行效果较好。