提升水闸自动化监控系统本质安全水平的途径

李 胜

(安徽省淠史杭灌区管理总局横排头管理处，安徽 六安 237000)

随着自动控制技术和通信技术的发展，水闸自动化监控系统(简称闸控系统)的应用越来越广泛。近年来，新建和除险加固的水闸大都使用了自动化监控设备，对提升水闸管理信息化、智能化、现代化水平，起到了积极作用。但是，由于设计方案缺陷、硬件设备故障、软件系统不稳定及运行管理不善等原因，闸控系统还存在着一些不安全因素。分析闸控系统常见问题，通过设计等手段使该系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故，即提高该系统的本质安全，是值得深入研究的课题。

闸控系统虽具技术先进、运行高效、减轻劳动强度、可实现远程集控、自动监控、自动记录等优点，但如果可靠性不高，安全风险大，管理人员不能用、不敢用、不会用，必然会被弃用。如果我们从软硬件设计等方面进行分析研究，提高其本质安全水平，使其可靠性、安全性达到或超过传统的人工现场操作，则一定能发挥其作用，为信息化建设和数字水利发展打好基础。

1 闸控系统的常见安全问题及原因分析

1.1 数据采集不准确

闸控系统需要采集的数据主要有水位、闸位、流量、荷重、电流、电压、功率、电源状态、开关位置等，有开关量也有模拟量，有电气量也有非电气量。参与闸门控制的数据采集不准确，将严重影响操控的准确性和安全性。

造成采集不准确的主要原因有：传感器本身精度不够，选型不当；线路干扰，未做滤波设计；安装调试问题，如闸位、水位传感器变比、偏移量设置不准确，安装不规范造成重复性差，闸门动作后不能归零。

1.2 闸门失控

进行自动控制时，闸门不能按设定方式动作，如达到设定开度值不能自动停止，达到上、下限位时拒停，在闸门卡阻时不能自动停车，停车时闸门滑落，没有操作指令时自行开启或关闭等，都属于闸门失控。

造成闸门失控的主要原因有：闸门开度编码器失效，闸门启动后失去开度反馈；荷重仪损坏；上下限位移动失效；PLC程序紊乱；通信信号中断；二次系统有寄生回路造成误动；软件缺乏必要的保护设计。

1.3 通信中断

每个闸控系统都有若干个现地控制单元(LCU)，LCU一般以PLC为核心元件，PLC与传感器通信中断会使其得不到闸位、水位等重要信号的反馈，造成操作失败甚至闸门失控。远程工作站、上位机与PLC通信中断，则会使控制电脑无法获取现场的各种状况、状态、数据，也无法得到各种故障信息及现场视频，使远程控制的安全性得不到保障。

造成通信中断的主要原因有：通信方式设计不合理；没有用工业以太网的标准，使用普通商业以太网的设备组网，不能适应现场强电磁干扰和温湿度环境；线缆和连接器安装不规范，强弱电没有分开敷设；没有必要的防震动防干扰措施；监控网络与单位的办公网络没有隔离，或使用公网没有做好防火墙，广播风暴、地址冲突、病毒入侵等造成网络瘫痪。

1.4 监控软件运行不稳定

部分水闸自动化监控系统在初期安装调试时运行流畅，使用一段时间后就出现一些不稳定现象，如操作不响应或反应严重滞后，历史数据服务、实时数据服务异常，数据库不能备份或丢失，系统卡顿、崩溃、闪退等。

造成监控软件运行不稳定的主要原因有：软件设计缺陷，如控制动作没有分优先级，冲突处理机制不佳；数据记录周期过短，数据量增长过快，数据库的记录、读取、更新占用过多系统资源；使用盗版操作系统软件或组态软件，系统本身不稳定或部分功能不正常；操作人员对系统不了解，误删系统文件或修改了底层运行的参数。

2 从硬件设计方面提升闸控系统本质安全的途径

2.1 系统结构

目前，基于PLC和通信技术的闸控系统是主流。系统一般采用分布式结构(DCS)，可分为三层，即位于水闸机房内的现地控制单元、位于中控室内的上位机(操作员工作站/工程师工作站)、位于主管单位调度中心的远程工作站，满足无人值班、少人值守的需要。其中远程调度中心也可监而不控，只对现场运行状态进行检测，不发出控制指令。三层结构中，LCU是现场控制的最终执行者，硬件上要考虑降级操作，即保留手动操作回路，要合理设计手自动切换和电气闭锁功能。

视频监视系统是闸控系统的一部分，用于全方位监视和记录现场状况，如启闭机、闸门、船只、漂浮物等情况，实现远程的可视化操作监视。可以单独组网在远端显示，也可以嵌入上位机的监控程序，在水闸操作时自动调用相关画面。

2.2 电源部分

稳定可靠的供电是闸控系统安全运行的基础。主要从两个方面考虑：一是提高电源质量。有些水闸地处偏远，低压供电线路较长，压降大，供电不稳定，电机启停容易造成电压波动。设计时，控制单元供电应与动力供电分开，要求比较高的水闸可以加配直流电源，给PLC供电的开关电源使用交直流双路供电模块，可以有效提高电源质量和供电可靠性。二是做好防雷。水闸往往地处旷野和水面环境，易受雷击，室外供电线路、传感器、通信线缆常常成为雷电波入侵的通道。设计中除了设避雷针、避雷带防直击雷外，还要注意防感应雷。要做好进线保护，建好接地系统，在入侵途径安装避雷器和浪涌保护器，必要时采取多级保护。水闸动力电源的总开关可选用带分励脱扣器的断路器，在中控室设“紧急停机”按钮，在紧急情况下可以从中控室远程跳闸断电。

2.3 数据采集与控制

数据采集主要包括水情、工情和安全监测数据的采集，用以感知设备和环境状态。传感器选择要根据水闸工程现场情况，考虑防尘、防水、防晒、耐腐蚀、抗干扰等环境适应性，还要考虑精度、量程和输出方式，对直接参与水闸控制、保护的数据，尤其要注重其可靠性，必要时采取冗余设计。

水情数据主要包括上下游水位，传感器单元可用浮子水位计、超声波水位计，数据以4～20mA模拟量信号传至PLC。对某些关系安全的特征水位，比如警戒水位、保证水位、集水井上限水位等，可做冗余设计，如单独设简单可靠的浮球开关，采集开关量信号，不依赖模拟量信号通道，当水位超限时，用有线或无线方式向中控室报警。

工情数据主要包括电源状态、闸位、启闭机控制方式、电压、电流、功率、荷重、上下限位、液压启闭机油压等。闸位是重要的反馈控制信号，对重要涵闸，可做冗余设计。一般将闸位仪安装在启闭机上，通过传动变比装置把起升机构位置传给PLC，以此反映闸门位置。对于卷扬式启闭机，闸门下降过程中如遇卡阻，则不能正确反映闸位。作为冗余方案，可以再安装一套恒力拉绳闸位仪，拉绳端固定在闸门上，直接反映闸位。闸门上下限位是重要的保护措施，必要时可设置双限位，内侧限位开关用于使PLC发出停机令，外侧限位开关可直接作用于交流接触器的励磁线圈回路，达到不依赖PLC使交流断电的目的。启闭机控制回路采用两级交流接触器串联的方式，以防止触点粘连或机构卡阻造成不能停机的情况。启闭机电机是短时断续工作模式，温度监测不能灵敏反映其工作状况，可不设测温点，用智能电工仪表监视其电压、电流和功率，更利于发现电机运行异常。

安全监测数据主要包括位移、扬压力、裂缝等，可分别使用GNSS位移传感器、振弦式渗压计和测缝计进行监测。这些数据主要用于越限报警和趋势分析，不参与水闸控制。

2.4 通信方式

在水闸自动化监控系统典型的三层架构中，通信对系统稳定性和运行可靠性有重要影响。主要包括现场设备至PLC通信、PLC与上位机通信、中控室与远程监控中心通信。现场的各种传感器、智能仪表、开关信号与PLC通信，根据信号类型采用不同方式。开关量宜采用无源接点接入PLC的数字量输入模块DI；模拟量如不需现场显示，可直接接入PLC的模拟量输入模块AI，如需现场显示，则先接入显示仪表，仪表输出后再接入PLC。电压型的模拟信号易受干扰，现场宜采用电流型模拟量的输出方式。采集信号点较多时，全部采用模拟量传输会使布线过于繁杂，现在越来越多的仪表和传感器支持总线传输，总线协议有多种，可结合PLC选型来选择，要注意响应时间、阻抗匹配和站点容量。随着WiFi、Lora、ZigBee、NB-IoT等无线技术的发展，布线不方便的地方也可采用无线连接。PLC与上位机的通信采用工业以太网，为提高可靠性，采用环形网。网线采用屏蔽双绞线，如传输距离较远，为防止电气干扰，减少信号衰减，可采用光纤传输。中控室与远程监控中心的通信，可采用自建网络或VPN，或两者结合，重要节点可组成环网。广域网级的通信不稳定因素较多，设计时要从软件角度控制误传、漏传、中断、延迟等现象，并设置防火墙。

视频监视系统由于数据量大，一般应与控制系统分开组网。如不具备条件，可以设置VLAN隔离。

3 从系统软件设计方面提升闸控系统本质安全的途径

闸控系统的软件包括PLC程序和上位机程序，其中现地PLC程序是监控系统的核心，它采集现场各种设备和环境数据，响应上位机指令，执行水闸操控动作。要注意数据处理、反馈检测、逻辑控制和通信连接等环节的设计。上位机程序设计要注意权限管理、数据库管理和用户界面。

3.1 数据处理方面

闸门到达上下限位点、启闭机电机接触器吸合等信号是以开关量方式输入PLC的。这些开关在开闭时会出现抖动，随着控制器算法周期达到毫秒级，开关抖动将对控制逻辑造成巨大影响。防抖处理可以增加软件延时，躲过抖动。水位、闸位等信号是以模拟量方式输入PLC的，由于水闸工程现场有电源谐波、雷电波、电机启停等干扰因素，需要对模拟量作数字滤波处理。硬件滤波较为复杂，软件滤波则比较方便。如对水位一类变化缓慢的数据，采用多次采样中位值滤波法，可有效过滤干扰数据，提高采样准确性，大大减少越限误报率。对闸位数据，配合上述硬件冗余设计，采用二次采样限幅滤波法，确保闸位数据准确可靠。

3.2 控制逻辑方面

可通过程序设计避免不安全和违反规程的操作。如正反转互锁，禁止不经过停止流程而改变闸门运动方向；在程序上限制每次启门的最大高度，设置先中间再两边的启闭顺序；检测过闸流量与下游水位是否相适；操作前对机电设备、金属结构、上下游水位自动检测并作为开机条件；操作中实时反馈闸位、荷重、振动、限位、电流、压力等参数，判断异常状态作用于保护停机、报警等。通过合理的逻辑控制和保护，达到比现场人工眼观、耳听、鼻嗅、手触更安全、灵敏的效果。

3.3 系统通信方面

包括现地各设备与PLC之间的总线通信和PLC与上位机之间的通信。为提高现场总线通信数据传输可靠性，在编程时，可对总线状态切换作适当延时，再进行数据收发。在出现控制动作时，要区分优先级。PLC与上位机的通信以及与远程工作站的通信，往往发生数据延时或丢包，因此，一些运算尽量放在底层处理，设定值发给PLC再执行，不依赖上位机程序进行反馈检测，简化上位机操作步骤，尽量减少其通信次数与数据量。

3.4 上位机程序设计方面

使用正版组态软件。对多用户分级管理，赋予不同操作权限和优先级。界面设计力求简洁易用，对影响底层运行的参数设置界面宜单独放置，并要求更高的操作权限。由于水闸控制中一般没有高速变化的对象，可适当降低数据存储的频率，并设计好数据库备份、更新策略，以提升系统响应速度和数据安全性能。

4 反馈检测问题的处理途径

当PLC输出控制信号时，要对控制对象的状态进行检测，以跟踪反馈输出控制信号的实际效果。远程控制与传统的现场手动操作，最大的变化是操作者不能现场观察设备运行状态，也就不能人工处理各种异常和故障。PLC控制可靠性的关键是对现场真实情况的反馈，并据此自动作出判断和进行保护。

4.1 闸门卡阻的判断处理

当输出一个闸门启闭信号后，首先要检测接触器是否吸合，以反馈闸门处于升/降状态。判断闸门卡阻可有两种方式，一是读取荷重仪数据，如超过定值则判为卡阻；二是读取开度编码器数据，如在一定时间间隔内，开度变化未达到设定值，判为卡阻。凡闸门卡阻，均应输出停机信号。

4.2 闸门拒停的判断处理

操作闸门时，一般在上位机输入开度预设值，闸门动作达到此值时停止。如实际到达该位置闸门未停，则为拒停。可有以下方案避免：ⓐ检测不到开度值判为故障，输出停机信号；ⓑ发出启闭信号后，同时计时，在合理时间内(根据闸门速度和启闭高度计算)未达到预定值，判为操作超时，输出停机信号；ⓒ设上下限位开关，达到限位时停机。

4.3 机电设备运行状况检测

分为三种情况：一是闸门滑落的判断。以一定周期检测闸位，如无启闭操作而闸位变动超过定值，判为闸门滑落。自动控制系统判断比人工观察更灵敏、准确，有利于判断故障，提高安全性和调度精准性。二是闸门振动检测。闸门应避免停在产生振动的位置，此位置受闸门本身和水工建筑物、上下游水位、流量等因素影响，并不固定，人工观察不太方便。使用振动传感器可持续监测，并通过改变开闭组合来避免。三是通过智能仪表检测回路电压、电流、功率、功率因数等，可判断电源状态、电机过载、短路等故障。

5 结 语

水闸自动化监控是发展趋势，其安全性、可靠性是推广使用中的痛点。可从软、硬件设计方面及安全监测方面提升闸控系统本质安全水平，在此基础上，进一步加强系统运行管理中的建章立制，常态化开展系统维护，努力提高员工的技术水平，落实“从根本上消除事故隐患”的要求，助力数字水利、智慧水利建设取得重大成果。