基于现代化技术的水利工程闸门安全运行管理研究

杨 涌

(塔里木河流域巴音郭楞管理局开都-孔雀河管理处开都河下游管理站，新疆 郭楞 841000)

1 概 述

随着经济水平和综合国力的不断提升，我国水利工程建设进入了快速发展期。相较于其他工程建设来说，水利工程在施工建设质量及安全运行管理方面有着更高的要求。在此背景下，以计算机、通信及自动化控制为代表的现代化技术在水利工程建设及运行过程中得到广泛应用和不断创新。作为水利工程设施整体运行的重要组成部分，水闸安全运行管理水平的不断提高是进行水情分析、安全防洪的重要基础，而水闸安全运行管理水平的提高离不开现代化自动监控技术的充分应用。对于水利工程闸门的安全运行来说，自动化监控系统可以实时采集、更新和分析闸门的监控图像信息，不仅可以实现对闸门安全运行情况的实时监控，而且可以进一步提高水利工程闸门的安全运行效果。本文以某水利工程闸门为对象，探讨了现代化自动监控技术在闸门安全运行管理中的应用，以期为水利工程闸门自动监控技术的发展提供一定的参考。

2 整体设计方案

2.1 闸门工程参数

某水利工程闸门具体工程参数如表1所示，闸门立面如图1所示。

表1 水利工程闸门工程参数

图1 闸门立面(单位：cm)

2.2 自动监控系统设计方案

在日常运行过程中，该水闸起着引水、泄洪、通航等作用，因此其安全运行管理对于自动化监控要求更高更严。针对这一情况，为了满足该闸门安全运行管理的实际需要，本文采用计算机+自动化控制相结合的现代化技术来构建闸门自动化监控系统，自动化监控系统整体框架如图2所示。

由图2可以看出，拟构建的闸门自动化监控系统整体结构上可分为监控中心和PLC控制单元两部分，每一部分都有相应的构件组成且具有不同的功能。

图2 闸门监控系统结构框

(1)闸门监控中心。以计算机为核心构件、接口设备和外围设备为基础构件共同组成闸门监控中心。其中，外围设备采集到的数据通过接口设备输入到计算机，计算机对数据进行分析之后再通过接口设备输出至外围设备，进而实现对闸门的全面监控。闸门监控中心主要功能如表2所示。

表2 闸门监控中心功能

(2)PLC控制单元。在闸门自动化监控系统中，闸门运行动力的提供、相关监控数据的采集、控制指令的发出均需通过现场控制单元来实现，此次设计的闸门自动化监控系统现场控制单元由三部分组成，具体功能如表3所示。

表3 PLC控制单元功能

3 监控系统设计实施

3.1 系统结构布置

对于该水利工程闸门，通过分层分布式的PLC(可编辑控制器)控制方式来构建闸门自动化监控系统，图3所示为自动化监控系统拓扑图。由图3可以看出，闸门自动化监控系统可分为主控层、现地单元PLC控制层、闸门PLC控制层三个层次。其中，主控层即闸门监控中心主控室，现地单元PLC控制层通过现场总线以太网光纤的布设实现对现场设备的控制，闸门PLC控制层通过多个分布式PLC控制器对闸门运行进行控制，三个控制层协同作用可以有效提高闸门的安全运行效果。

3.2 闸门监控系统通信网络的构建

在闸门安全运行的自动化监控过程中，现场分布的多个PLC控制器会定期采集可以反映闸门运行状态的监控数据并传输至监控中心主控室，主控室对接收到的数据进行处理分析后会对现场PLC控制器发出相应的控制指令，现场分布的PLC控制器根据接收到的控制指令对闸门运行状态进行控制。在闸门自动化监控系统中，闸门监控数据的采集、传输及控制指令的接发是通过通信网络来实现的。自动化监控系统通信网络的构建方式有多种，根据该闸门安全运行的实际监控要求，该监控系统通信网络采用WinCC构建方式。相对于其他通信网络构建方式而言，WinCC的通讯结构有着自身优势。采用WinCC通讯结构构建通信网络时，WinCC首先在主程序建立变量管理器用于存储和处理网络数据，然后可根据已确定的网络通信协议选择WinCC驱动程序和组态逻辑进行连接，这样就可以实现整个监控系统的网络通信，通过WinCC通讯方式构建通信网络的流程框图如图4所示。

图3 闸门自动化监控系统拓扑图

图4 WinCC通信结构

3.3 PLC控制器的选型

由上述可知，通过监控系统的现场控制单元对闸门的运行状态进行控制,仅通过单一的现场控制器是远远无法实现的，而是需要通过监控系统中的多个模块共同作用来实现的。因此，闸门安全运行自动化控制是一个多模块协同作用、精准、可靠的控制过程，这对于各模块的功能有着很高的要求，尤其对闸门现场控制器这一用于接收控制指令对闸门运行状态进行直接控制的模块的选用要求更高。自动化监控系统控制器可选用的类型有多种，其中以单片机控制器和PLC控制器为主。PLC是目前自动化监控系统中应用最为广泛的控制器类型，相比于其他类型的控制器，PLC控制器的应用更具有优越性。首先，PLC控制器对于不同恶劣程度的现场环境都有着较好的适应性，对于自身控制功能的影响较小； 其次，PLC控制器在数据处理及联网通讯方面与其他工控机都能进行很好地结合，形成的控制系统可靠性更高； 最后，PLC控制器通过已编程序进行控制易于实现、改扩及I/O接口的扩展，使其能够对不同现场环境及因素具有较强的抗干扰能力。经过多方面综合比较，该水闸工程自动监控系统设计选用的是德国西门子公司生产的S7系列中的MYM7-200 PLC控制器作为本次闸门自动化监控系统的现场控制器，S7-200PLC控制器具体CPU类型如表4所示。

表4 S7-200 CPU类型

3.4 闸门监控系统组态软件的选择及功能

随着科学技术的不断发展，组态软件已经在工业控制系统中占据着重要地位。对于闸门自动化监控系统来说，闸门安全运行状态的整个监控过程是依靠组态软件来实现的。组态软件实现对整个监控过程的控制的具体功能如表5所示。

表5 组态软件功能特点

经过综合比较和选择，确定该水利工程闸门监控系统组态软件为SIMATIC WinCC， WinCC组态软件由不同的子系统组成。各子系统功能如表6所示。

表6 SIMATIC WinCC组态软件子系统及功能

4 结 论

在水利工程运行过程中必须采取相应手段及时发现并解决闸门安全运行所存在的问题，加强闸门安全运行的监管力度，切实提高闸门运行安全管理水平。因此，在水利工程闸门安全运行过程中要充分利用现代化技术，切实加强对闸门安全运行状况的监控。提高水利工程闸门自动化控制水平，对于水利工程闸门安全运行管理水平的提升具有显著增强作用。