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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。