浅析黔中水利枢纽工程闸门控制系统设计及应用

何锴君 余位权

(1.贵州省黔中水利枢纽工程建设管理局，贵州 贵阳 550002；2.贵州省水利投资集团有限责任公司黔中分公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概述

黔中水利枢纽一期工程位于贵州省中部，是以灌溉和城市供水为主，兼顾发电等综合利用的大型跨地区、跨流域长距离调水工程[1]。工程从六枝三岔河引水至安顺、贵阳，工程分为两期建设，总投资约73亿元。水源工程平寨水库为大(1)型水库，正常蓄水位1331.00m，总库容10.84亿m3。坝后平寨电站装机为136MW，发电量约为3.4亿kW·h。输水干渠总长148.6km，其中总干渠长63.9km，桂松干渠长84.7km。工程拟解决贵阳和安顺的城市供水，以及黔中地区的六枝北部和东部、普定南部、镇宁北部、关岭中部、西秀南部和东部、平坝南部、长顺东北部7个县49个乡镇65.14万亩耕地灌溉、5个县36个乡镇供水、41.8万人和36.4万头大牲畜饮水安全问题，并为改善区域生态环境创造有利条件[2]。

2 系统概况

工程信息化系统主要由视频监视系统、闸门控制系统、光纤传输系统、水力量测系统、水资源调度管理系统、输水干渠输配电系统和信息化集成系统等组成。其中闸门控制系统(以下简称系统)作为工程信息化系统建设的重要组成部分，旨在充分利用现代化计算机控制技术和无线网络通信技术，实现工程沿线中各个站点闸门、阀门的远程控制，管理人员可通过远程系统进行各类闸门的远程监测、远程通信以及远程控制，及时了解现场设备运行状态和实时数据，提高工程运行的安全性和可靠性，提升工程的工程效益和管理水平。

3 设计原则

3.1 实用性和先进性原则

根据工程的闸阀、配电设备运行和管理的工作流程，设置调度中心、分控中心、闸阀及配电设备的用户权限和优先级；充分考虑用户的使用频率和应用程度，设置系统控制流程，合理设计存储和服务体系[3]。

3.2 可靠性和安全性原则

可靠性是系统长期稳定运行的基石，闸阀和配电设备安全可靠运行是系统必须首先考虑的重要原则。系统从系统构架的设计、设备选型、调试、安装等环节均应严格执行国家及行业有关标准的要求，贯彻质量条例，保证恶劣环境和突发事故情况下系统的可靠、稳定运行。综合考虑设备、网络、数据安全，在闸阀站采用完善的安全措施保障闸阀站设备的物理安全和应用安全，闸阀站与监控中心之间的通信安全，并采取可靠手段杜绝对闸阀站设备的非法访问、入侵或攻击行为[4]。如设备应具有自检、自诊断功能和自动报警功能，能及时发现设备故障，避免事故发生。现地监控层采用冗余配置。

3.3 整体性和扩充性原则

系统应预留相关接口，与总调中心的水资源调度管理系统、视频监视系统等其他信息化子系统融为一体。系统以面向黔中水利枢纽工程为主，同时服务于各层级管理单位，系统平台应具有扩展性，能优先满足工程建设需求，并预留二期工程现场控制单元、设备和系统通信的接口，需要增加的前端设备，均可直接接入管理平台。

3.4 标准化和规范化原则

系统设计应遵循国家及有关行业部门规程规范，并按照工程建设与运行管理需要，制定系统的标准化管理体系。

3.5 共享性和经济性原则

充分利用现有资源，节省投资，避免重复建设，实现资源共享。按需选择系统相关设备，做到科学合理、先进实用，尽可能降低系统建设成本。

4 闸门控制系统总体设计

4.1 系统网络结构设计

系统主要是基于自动化监控系统的基础上，对工程沿线闸阀进行远程监控，因此自动化监控系统的设计就显得尤为重要。自动化监控系统主要采用分层分布式结构，共分三层：第一层为调度中心，该系统建设不在本闸门控制系统标段内；第二层为分控中心，在水源分控中心、桂家湖分控中心、革寨分控中心都设有闸门控制系统管理平台，各分控中心都通过计算机网络系统(不在本工程范围内)连接在同一网段上；第三层为现地站节制闸及放空阀、闸站、阀站，直接通过计算机网连接最终汇聚在各分控中心，通过现场配置的PLC与触摸屏实现在分控中心查看站点闸门数据与远程控制(见图1)。

图1 网络结构

4.2 系统总体结构设计

整个系统控制点分布在整个黔中水利枢纽一期工程各节制闸、闸站、阀站通过光纤连接到交换机，然后接入计算机网络系统(不在本系统中)，由计算机网络系统传输至分控中心闸控管理平台，在分控中心采用网络存储设备进行数据存储，同时配置客户端，实现远程操控、查看阀门数据、管理等，并可通过计算机网络系统将数据上传至综合信息化管理平台，进行级联和分级控制与管理。

远程控制系统主要由分控中心控制系统和现场控制装置两部分组成。分控中心控制系统由服务器、客户端、系统控制软件平台、计算机网络平台及应用软件组成。现场控制装置由闸门现地控制单元、现场监测仪表、信息传输通道等部分组成。

在管理服务器的授权下，控制人员可通过iFIX软件对前端设备控制、存储设置、连接设备上的报警输入输出进行配置。通过iFIX软件上控制按钮可以对前端的设备进行控制。分控中心可以管理其所辖区域内所有的设备信息。

总体结构见图2。

图2 总体结构

4.3 分控中心系统结构

分控中心是控制系统的集成平台，它将站点控制设备实时反馈的数据进行分析和处理，并对现场站点设备实行远程控制；分控中心系统是由控制平台、数据采集、数据存储、管理平台和网络传输五部分组成(见图3)。

图3 系统构架

a.控制平台。闸门或阀门的控制方式，可分为手动控制和自动控制两种。手动控制下，只能在闸阀室，通过每个启闭机的手动控制箱，进行闸门或阀门控制。自动控制下，通过PLC进行闸门或阀门控制。自动控制又分为远方控制和现地控制。远方控制主要是由总调中心或分控中心根据水调工作控制权限的高低对闸门或阀门进行控制操作。现地控制主要是通过闸阀室PLC的触摸屏对闸门或阀门进行控制操作。远方控制下，闸管所配置的工控机安装有组态软件直接与PLC通信，构成现地的闸管所系统，与现地触摸屏属于一个层级的两种控制方式。闸门或阀门正常运行时，一般选择自动控制，仅在PLC出现故障及启闭机检修时才采用手动控制。如闸门或阀门在正常运行中选择自动控制，还应根据日常管理工作规程选择现地控制还是远程控制，即选择触摸屏控制还是上层自动化监控平台的管理单位监控终端控制。

b.数据采集。该功能通过网络与闸阀站PLC进行通信，正常通信时能实时采集PLC反馈数据来判断闸门或阀门的开度情况。软件能够自动检查实时数据是否满足规则要求，并及时进行处理。

c.数据存储。由上位机管理软件完成对各种实时数据的处理、筛选、汇总、分析，把筛选后的重要数据存储到对应的数据库，系统会自动生成各种历史数据报表、数据报警信息、系统日志等。

d.管理平台。控制前经过统一的权限判别，系统可以进行用户管理及权限划分，以满足系统正常运行的要求。

e.网络传输。现地站节制闸及放空阀、闸站、阀站以及分控中心均配置有交换机，前端设备通过网线或光纤传输方式，将前端信号接入交换机，再统一接入计算机网络系统，并通过计算机网络系统实现控制信号的传输。

4.4 分控中心功能

分控中心控制系统的功能主要包括数据采集和处理、设备控制与调节、实时报警、数据库及其管理和数据通信及交换。

a.数据采集和处理。实时采集各现地站上传的监测数据、运行报警信息、操作信息等，格式化处理后写入实时数据库[1]，并进行分析、处理，以及误码分析和数据传输的差错控制，形成调度所需的各种监控管理、分析和指导数据[5]。报警信号随机优先传递，其中事故信号等中断量最优先。

b.设备控制与调节。当运行操作方式选择为分控中心时，由分控中心值班人员通过配置的闸阀管理平台下达控制、调节命令，如闸门、阀门的启闭、开关分、合闸控制等。实现对各闸门、阀门的控制与调节，结合调度方案，进一步实现统一的安全运行监视、自动化控制及优化调度运行，以保证输水沿线闸门、阀门的安全、稳定、可靠及经济运行。

c.实时报警。实时在线监视系统各种动态数据、应用软件、各个节点和网络情况，根据预先设定好的报警项目、报警限值、报警级别和报警方式，发现异常即自动报警[1]。

d.数据库及其管理。历史数据库的定义、生成和维护；实时数据运行、管理；历史数据存储、运行、管理；数据备份。

e.数据通信及交换。接收现地站的数据；向现地站转发控制命令和数据；实现与信息化综合平台的数据交换。

4.5 现场系统结构设计

为了使系统结构清晰，方便调试，闸门PLC控制程序结构设计采用子程序式编程思路，将闸门的控制功能划分成设备控制、系统状态检测、系统故障报警、以太网通信等，将每一个子功能编写成一个子程序，在主程序中按照控制逻辑顺序进行各子程序的调用[5](见图4)。

图4 闸门控制程序流程

4.6 闸门现地控制的功能

现地站控制箱上有手动/自动开关和远程/现地开关两种选择方式，可由控制箱中的切换开关进行选择。

4.6.1 手动/自动开关

a.手动。当开关置于“手动”时，操作人员可在现地手动操作，控制闸门或闸阀的开启和关闭。此时通过触摸屏或工作站不能控制闸门或闸阀的开启和关闭。

b.自动。当开关置于“自动”时，操作人员可在现地或远程通过触摸屏或工作站控制闸门或闸阀的开启和关闭。

4.6.2 远程/现地开关

a.远程。当开关置于“远程”时，控制为远方上位机集控方式，由工作站实现对每个闸门或阀门进行运行控制。

b.现地。当开关置于“现地”时，现地控制由设在现地的触摸屏控制实现。根据要求分析，闸门控制系统设计了实现远程控制的PLC控制回路和现场手动控制回路。PLC控制回路主要由GE VersaMax-MicroPLC控制模块、模拟量输入模块、GE操作屏及电路等构成，实现闸门的远程控制和监控数据的采集。手动控制回路主要由交流接触器、中间继电器、过载保护继电器、操作按钮等构成，实现闸门现场控制。本站的通信设计是由以太网通信模块将现场测量控制站集成到系统的以太网中，再通过交换机将数据传输到分控中心[6]。

5 结 语

黔中水利枢纽工程渠系长，闸阀设备多，涉及面广，系统利用渠道测流原理和传感测量技术，借助光纤传输实现闸阀的计量、远程控制，对加强长距离调水的管理工作，提升工程信息化、自动化水平起着关键作用。目前，系统已建成投运，对工程水源工程闸门站点、总干渠节制闸及放空阀站点、斗门站点、支渠站点，桂松干渠节制闸及放空阀站点、斗门站点、支渠站点等重要工程进行了实时监控，系统的主要设备、辅助设备及系统运行性能和参数稳定、可靠，满足设计和规范要求，为工程运行安全提供了有力保障，发挥了应有效益。