红谷田水库闸门控制系统的研究与应用

杨静宗，杨在华，尹自萍

（1.保山学院大数据学院，云南 保山，678000；2.云南省施甸县水务局，云南 保山，678200）

0 引言

红谷田水库位于云南省施甸县坝区东北部，水库距县城约15km，坝址以上控制径流面积50.5km2。水库工程功能为农村人畜和农业灌溉供水。溢洪道布置在左岸，岸边有闸控制式溢洪道，控制段堰型为驼峰堰。溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段及出口护坦段组成，采用底流消能。控制段设露顶式弧形闸门，孔口尺寸为8m×4.5m。闸门采用工字主横粱，斜支臂工字梁结构。闸门主要承担泄洪任务，其操作条件为动水启闭。闸门由一套QHLY2×250kN-3m下挂式液压启闭机控制操作，泵站系统设两套互为备用的油泵和电动机组。启闭机控制系统采用现地和远程操作，该闸门启闭机配置自备柴油发电机电源。

导流、输水隧洞布置在左岸，导流隧洞与输水隧洞在平面布置上呈Y型，采用“龙抬头”的型式与导流隧洞相结合，安装有事故检修闸门和工作闸门。导流输水隧洞断面为2.0m×3.0m城门洞形断面，设计输水流量Q=3.0m3/s。事故检修闸门孔口尺寸1.0m×1.0m，水头49.5m，闸门型式为平面定轮钢闸门，采用工字型主横梁结构，主支承采用悬臂主轮，支承型式采用滚动轴承。动水情况依靠加重块下压闭门，启门时小开度提门平压后静水启门，启闭机选用QPG1×250kN-55m高扬程卷扬式启闭机。工作平面闸门孔口尺寸1.0m×1.0m，水头49.5m，闸门型式为平面定轮钢闸门，采用工字型主横粱结构，主支承采用悬臂主轮，支承型式采用滚动轴承。动水情况依靠启闭机下压力闭门，动水启门，启闭机选用QPPYII 250/150-1.5m液压式启闭机。

金属闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，通常用来封闭建筑物的孔口、全部或局部开启孔口，用于调节水库上下游水位和流量，发挥水库工程防洪、灌溉、供水等效益。在我国已建水库中，运行管理过程中大多数采用人工和电动启闭两种方式。传统方式的闸门启闭管理现代化水平极低，运行管理不便。

1 系统设计方案

1.1 系统布置

水库中心站布置于水库管理房一楼，设中心机房一间，水库中心站是水库运行管理的中心。监控中心布置在水库运行管理中心，现场控制站布置在左岸的输水隧洞工作闸室和溢洪道闸室内，现场控制站通过光纤线路连接至大坝右岸的水库管理中心的监控中心站，在监控中心对输水隧洞工作闸门和溢洪道弧形闸门自动监控。

1.2 系统结构

水库闸门自控系统由监控中心、现场监控站、通信链路、传感器等构成。监控中心为管理人员提供人机操作界面，实时显示机电、启闭机、闸门等的运行情况（闸门开启度、泄流量）[1，2]。现场监控站主要由西门子S7-1200控制器、操作液晶面板组成，以EtherNet方式连接水库管理机房的监控中心站进行通信。对闸门电机、液压启闭机、闸门运行状况等进行监测、远程控制。安装设备包括：PLC控制器、现场操作液晶面板、供电设备、通信设备等，以及闸门通信控制软件。传感器负责采集闸门开度、启闭机油压、泵电机电流、电压等工况数据，并实施闸门开启、关闭的远程控制。

系统结构及组成为：

（1）总体结构：闸门自动控制系统由闸门监控计算机、通信链路、现场监控站、现场传感器等组成。该系统由先进的三层架构完成，分别是管理层、控制层和现场层，完成数据的采集、显示、分析、存储、报警及命令的执行。

（2）通信链路：现场监控站完全采用先进的分布式安装，通过光纤以太网与水库管理中心进行通信链路连接。

（3）系统功能：现场控制站均设一个控制柜，柜中装有智能仪表、PLC模块、现场操作液晶面板、供电器件、执行器件、保护器件等，用来检测开度、油压、油温、电流、电压等电气参数并控制闸门启闭机的安全可靠运行。在控制中心，操作人员通过人机对话窗口，可设置闸门的开度。命令发出后，相应的PLC控制电机将闸门运行到该位置然后停下。操作人员在闸门控制工作站上可看到各种运行状态和运行参数。

（4）管理层的计算机控制软件可以根据预先设定的出流策略，自动控制闸门开度，也得到所需出流量。1.3系统运行要求

闸门监控系统为防汛、调度工作服务，系统运行应满足下列要求[1，2]：

（1）能自动收集各闸站的闸门或闸阀开启的高度信息，并实时传输到管理中心；

（2）能远程和现地控制闸门的开启高度，也可与洪水预报及调度计算机连机控制闸门的开启高度；

（3）能在恶劣天气条件下稳定工作；

（4）系统设备先进，低故障、高可靠性，与现代化管理水平相适应；

（5）采用的系统设备充分考虑易升级换代，在升级时以利对系统规模、功能扩充；

（6）系统的硬、软件设备应采用国内外成熟产品，使系统准确、可靠、长期稳定运行；

（7）具有对外数据接口，便于与其他自动化系统联网。

2 现场控制站监控参量表和现场设备

2.1 现场控制站的监控参量

根据闸门自动控制的要求，闸门自控系统主要监测控制输水工作闸门和溢洪道闸门的液压启闭机，并对闸门进行远程控制。闸门监控站的监控参量详见表1。

表1 闸门监控站的监控参量表

系统采用下列3种控制模式：

（1）在管理中心实现闸门的远程控制；

（2）在闸室电气控制柜上对闸门实行现场手/自动控制；

（3）通过远程连接网络，在县级中心站的计算机工作站上实现闸门的远程控制，并可通过计算机工作站上的监测控制软件，调整闸门开启度控制水库出水量。

为保障监控系统的安全性，该工程对各级工作人员设置用户名和密码，只有输入正确的用户名和密码才能进行操作；非工作人员只能观看数据，不能远程监控闸门。

2.2 县级中心站的闸门远程控制及视频核实

水库的主要出流为输水隧洞工作闸门和溢洪道弧形闸门。水库的闸门运行根据下游用水量的情况反过来对闸门开度决定的出水实施控制。

水库管理中心与县级中心站之间建立了VPN远程计算机网络连接，在县级中心站可实现与水库分中心站一样的闸门控制。上述过程依据水库当前出水量与下游用水量数据进行对比，对闸门实施远程的自动控制。同时，由于建立了枢纽区视频监控系统，闸门的运行情况还可通过设置于闸室的视频摄像机进行核实。视频图像可通过视频系统的硬盘录像机的网络功能及设置于县级中心站的远程视频监控终端软件获取闸门运行情况的图像，并可操作摄像机的云台和镜头，进行准确的远程视频核实。

2.3 闸门控制站的现场设备

闸门现场监控站主要设备：

（1）现场PLC控制器。

PLC控制器：西门子S7-1200

现场操作液晶面板：西门子SIMATIC KTP600 HMI面板

（2）现场传感器及其他主要设备。

闸门开度传感器：CELESCO（4-20ma）

闸门限位开关：P+F

压力变压器品牌：昆仑海岸

电压变送器：WB

电流变送器：WB

数字显示表：XMG5000

总开关品牌：施耐德

断路器品牌：施耐德

继电器品牌：施耐德

3 闸门监控系统软件

闸门监控系统软件由PLC组态编程软件和上位机界面软件组成，并进行系统组态和控制软件的编制。水库管理中心站采用SIMATIC TIA PORTAL V13，其具有直观、易学和易用的特点。在PORTAL组态编程软件实现了系统底层控制策略组态与数据通信后，上位软件主要是在网络系统软件与数据库系统软件的基础上，使用界面层的KINGVIEW组态编程软件或其他通用编程工具编制的系统监控软件。

（1）系统软件选型。

本系统选择Windows Server 2012网络系统软件，满足中文WEB服务要求，选择SQL Server 2012数据库系统软件。

（2）应用软件。

系统监控软件应用软件分如下几部分：

1）数据采集、处理软件；

2）控制软件；

3）通用应用软件；

4）数据库管理软件；

5）Web服务器软件；

通过应用软件的显示和操作，实现本系统的功能。

4 系统功能及系统性能指标

4.1 系统功能

本地操控：操作人员在控制柜前可以观察到各种运行状态和运行参数，并在手动档上对闸门实施本地操控。

远程操控：在控制中心，操作人员通过人机对话窗口，可设置闸门的开度。命令发出后，相应的PLC控制启闭机将闸门运行到该位置然后停下。操作人员在工控机上也可看到各种运行状态和运行参数。

调度操控：在运行洪水预报与水库调度时，水库调度提出闸门执行方案，经操作人员认可后即可自动控制闸门的运行。

网络操控：通过远程连接网络，在县中心站的计算机工作站上实现闸门的远程控制。根据水库出水量情况，通过计算机工作站上的监测控制软件，按照水库出水预设策略，对闸门实施远程的自动控制。

监控站一方面监测闸门等机电设备的工况，控制机电设备的运行；另一方面，所采集的数据被传送到中心，并按照中心发布的命令来操纵设备运转。而在水库管理中心的服务器及工作站上，系统具有以下主要功能：

（1）数据采集与处理功能；

（2）数据库管理功能；

（3）人机接口界面功能；

（4）控制操作功能；

（5）制表打印功能；

（6）应用管理功能；

（7）系统时钟管理功能；

（8）系统自诊断功能；

在运行洪水预报与水库调度时，水库调度提出闸门执行方案，经操作人员认可后即可自动控制闸门的运行。

各功能分述为：

（1）工况采集。

现场监控站采集闸门等机电设备的运行参数：采集机电设备工作电压、工作电流、启闭机油压、闸门运行状态（上限位、下限位、上升、下降、停止）、闸门开度等参数。

（2）开度显示。

通过传感器测量闸门上升、下降开度，实现中心显示。

（3）数据传输和共享。

现场监控站根据命令将采集的数据通过通信系统实时上传到水库管理机房的闸门监控中心。与此同时，闸门监控中心的控制命令将被传输至现场监控站，从而操控机电设备。

（4）报警信息。

现场监控站采集和计算的各种数据出现异常时，监控中心显示相应的报警信息。同时显示常见事故、故障处理一览表，为管理操作人员排除事故、故障提供方便。

（5）控制功能。

在闸门控制柜上可以将机电设备的操作切换为自动方式或手动方式。采用自动方式工作时，闸门由监控中心控制。

1）可单独对闸门进行启门、闭门、停机控制；

2）可设置闸门上升、下降开度；

采用手动方式工作时，操作人员在闸室电气控制柜上对闸门实行现场手动控制，监控中心只能对闸门工况进行监测。

（6）建立设备档案。

该系统可统计、记录机电设备的运行次数和小时数，以及事故和故障等。

（7）人机界面。

将实时数据以图形化的界面显示，提供友好的人机界面，运行管理人员能清晰方便的通过显示器、键盘、鼠标或打印机等人机接口工具，实现闸门远程监测、控制、参数设定与修改、打印记录等功能。

4.2 系统综合性能指标

（1）环境。

由于系统的主要元器件选用的是质量优良性能稳定的器件，因此整个系统能够在恶劣的环境下工作。

（2）系统实时性。

模拟量采集周期≤10ms；

开关量采集周期≤10ms；

控制命令响应周期≤2ms。

（3）可靠性。

全系统：MTBF＞45000H；

监控单元：MTBF＞45000H。

（4）可扩展性。

系统终端站采用的PLC为模块化配置，可在现有的配置下扩展开关量输入/输出、模拟量输入/输出等模块，具有良好的可扩展性。

5 设备选型及主要技术指标

5.1 系统PLC设备

系统PLC设备主要由PLC控制器和现场模块组成，现场模块分为I/O模块、电源模块、总线接口模块等。设备造型采用西门子控制器系列的SIMATIC S7-1200，该装置设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集[3]。

5.2 传感器及其它主要设备

（1）闸门开度传感器。

该系统采用的是专用于启闭机油缸内的GEFRAN磁致伸缩传感器，主要性能指标如下：

线性误差：≤0.05%F.S；

重复精度：≤0.000 5%F.S；

分辨率：≤0.001%；

迟滞：≤0.001%F.S；

温度稳定性：≤0.002%/°C；

工作电压：+12VDC～+24VDC；

工作电流：≤16mA。

（2）压力变送器。

压力变送器选用国内广泛使用于工业现场压力控制的工业级变送器。

（3）电量变送器

表3 压力变送器技术参数

其用于测量电压、电流。其主要技术指标为：

测量范围：0～450V；

测量精度：±0.2%满量程；

长距离传输能力：4～20mA直流，750Ω；

具有雷击波和突波的保护能力；

固定方式：符合DIN46277，可安装于35mm道轨。

6 系统应用特点

6.1 S7-1200光纤以太网通信

在本系统中，选用西门子公司的S7-1200PLC，它与监控中心上位机采用以太网通信，传输介质使用光纤。以太网通信与传统的现场总线通信相比，具有以下优点：

（1）通信速度更快，以太网通信速率达到100M，而传统总线速率最快在10M左右；

（2）以太网应用广泛，系统更开放，PLC之间以及PLC与上位机之间更容易互联交换信息；

（3）以太网十分成熟，应用成本较低，也更易使用；

（4）本系统使用光纤作传输介质，在水库这样的野外环境中，大大减少了雷击的可能，极大地提高了设备通信距离，增强了系统工作的可靠性。

6.2 闸门开度传感器

近年来，液压启闭机闸门开度开始采用磁致伸缩传感器来进行测量，本系统中也使用了安装于启闭机油缸内的磁致伸缩传感器。其主要优点是：

（1）与安装于活塞缸上的拉绳位移传感器等相比，由于安装于油缸内部，闸井内的恶劣环境对其没有影响，可靠性较高；

（2）采用非接触测量，永不磨损，全封闭，使用寿命长；

（3）分辨率达到微米级，测量精度很高。

6.3 闸门的小开度启闭

得益于S7-1200 PLC较强的控制性能和闸门开度传感器的高精度，该系统闸门控制可以实现步长5mm的启闭，解决了以往闸门的小开度启闭困难，方便了水库的运行调度。

7 结论及建议

闸门的正确启闭是水库运行管理工作中需要重点关注的问题，而闸门的启闭控制则主要利用闸门启闭机来实现。在本水库工程中，闸门采用了先进的SIMATIC S7-1200控制装置。其次，利用计算机技术对水库的闸门运行情况进行了远程的自动监视和控制。通过近两年的运行，闸门监控系统操作灵活、维护方便，实现了水库管理“现场测站无人值守、中心站少人值班”的控制模式，提高了水库的运行管理能力。