深圳市铁岗•石岩水库管理处 广东.深圳 518000
摘要：进入二十一世纪以来，在水库工程闸门控制领域中，经过多年发展，传统的开关式的控制系统已经不能满足于社会的发展需要，传统的开关式的控制系统无论在操作的安全性还是操作的便捷性上都不能很好的保证。新的闸门监控系统融入了科学技术的元素，与计算机操作平台相配合，实现了闸门监控系统远程操做，大大提高了水利工作者工作的安全型，同时也将我国的水利工程向现代化的方向推进了一步。
关键词：水库；闸门；自动化控制
一、概况
随着水利科技事业迅速发展，现代化的先进设备与技术被广泛用于水利工程运行和管理。目前，计算机监控技术已广泛应用于泵站监控、闸门监控、船闸监控、变电站监控及水库运行管理等水利工程方面。
在闸门监控自动化方面，经历了早期对单片机、单板机的开发应用，后来发 展到应用 STD 总线工控机直至近代应用的 PLC（可编程控制器）技术，闸门监控系统也逐渐趋于完善，该技术具有可靠性高，开发简单，操作方便，现已被广泛应用于各个领域。
二、系统控制范围及组成
铁岗水库闸门监控系统在溢洪道工作闸门、隧洞进口检修闸门处各配置了一套 PLC 测控柜，具有闸门开度数据采集、闸门现地/远方保护控制、闸门动作状态指示、闸门开度显示等功能，上位机与 PLC 以以太网方式进行通讯，采用光纤和超 6类方式进行连接，其中可采集电气参数、上下游水位。
监控系统自动控制权设现地、中心控制室和远程三级，可以进行无扰动切换。自动控制权顺序为：现地→→中心控制室→→远程；另外，还设置现地手动控制级，现地手动控制级控制权最高。
铁岗水库闸门监控系统主要由下列部分组成：闸门监控工作站2 套
WEB、数据库/服务器1 套（与其他系统共用）
1、系统数据采集内容及控制对象
（１）主要采集内容（输入信号）：
上游水位，通过与水情主机通讯采集；
闸门开度开关量，现地显示，PLC通过通讯采集；
闸门开关回讯开关量；
闸门上下限位开关信号；
电气参数；
控制级切换开关信号；
控制回路进线开关状态。
（２）主要控制对象（输出信号）：闸门上升、下降、停止控制；控制回路进线开关控制；供配电开关的控制。
2、系统组成
铁岗水库闸门监控系统监控中心拟建在水库管理所监控中心的控制室内。系统由 5 套现场操作结构、5 套现地控制单元（LCU）、通讯单元及监控中心监控主机组成。闸位计及限位开关安装于闸门上；
现地控制单元的主控设备采用可编程控制器（PLC），分别安装于各闸门启闭机室内，通过光缆及数字光端机与监控主机实现通讯及控制功能（光端机与其他系统共用）。
系统分为四级控制：
上级远程调度级（预留接口）
管理所控制级（计算机集控）；
现地控制级（常规集控和计算机集控并存）；
现地手动控制级。
本系统设计为分层分布式控制网络结构，系统设远程调度级（预留接口）、所控制级（闸管所控制中心）、现地控制级与手动控制级四层控制级。远程调度级设于远程的调度中心，通过计算机网络、通信线路与管理所控制中心联接，实现信息采集与调度指令的下发，以实现对现场信息的实时采集与监控（在必要时）。管理所控制级设于管理所控制中心，它负责现场的计算机集中监控。该控制级通过监控网的通信线路与现地控制级（现地监控单元）建立通信，通过主控机的监 测监控界面，显示现场设备的运行参数与状态，同时下发控制命令，监督现地监控 单元对监测监控命令的执行。
现地控制级（现地监控单元）设在附近设备端，本方案是布设在启闭机室，由可编程控制器和输出继电器等设备组成，它下接各类传感器与执行机构的输入输出信 息点，采集设备运行参数和状态信号；上接上位控制主机的监测监控命令，并上传 现场的实时信息，实施对现场执行机构的逻辑控制。
根据分层分布的原则，在溢洪道工作闸门、老隧洞进口闸门、新建隧洞进口闸门以及下游排洪河 1# 闸门、下游排洪河 2# 闸门现场处各设一套现地监控单元（LCU），保证了系统的抗干扰和可靠性。同时在每个现地单元上设置了闸位开度显示仪，它可以在当地显示闸门的开高，同时可利用按钮在当地实施该单元闸门的集 中控制，大大方便了现场的操作与维护工作。实现了真正意义上的分层分布的特点与性能。
现地监控单元的手动控制设备，是系统最后一级也是最可靠的一级控制。在每 台现地控制柜前面板增加手动按钮，并设置就地/远方、手动/自动切换开关，以保证 在现地控制单元出故障时能够实现闸门的手动控制，从而提高系统的可靠性与可控性。
系统的控制权限以越接近设备，控制权限越高。控制权顺序为：手动级、现地 级、所控级、远程调度级。
3、系统工作原理
（1）现场传感部件
现场闸门位置传感部件采用 WFH-2 型闸门开度传感器。闸门开度仪工作原理如下：由传动部件，传感器等组成。编码器通过传动齿轮与闸门启闭机轴相联接。当电机工作、闸门上下运动时，传动齿轮装置带动闸位计 的传动轮运动，传动轮的转动将使编码器的数据作相应变化，通过数据接口将闸位计的 SSI 信号数据经信号电缆传送给开度显示仪，每孔闸门的开度显示仪通过RS-485 与相应 PLC 的 CPU 模块进行通讯采集闸位信号，完成闸门开度的数据采集工作。
监控中心上位机通过以太网交换机及光端机与 PLC 进行数据交换。上位机采集现场各种信息，发出闸门启闭指令，传送到现地监控单元，然后由现地监控单元的 PLC 根据控制逻辑，向现场控制部件发出控制信号，由控制部件指挥执行机构作相 应动作，达到闸门控制之目的。
（2）现地控制层（LCU）
现地监控单元的主要部件是 PLC（可编程控制器），而 PLC 由 CPU 模块、电 源模块、光电隔离输入模块、输出混合模块、现场中间继电器板等组成。采用 Premium 处理器，带 Ethernet、RS-485 接口及 10.4“触摸屏幕”等。
现地监控单元经光电隔离输入模块采集现场传感器及闸门状态的信号，根据控制逻辑，经输出模块发出闸门的启闭信号，经继电器板将信号送执行机构执行。控制回路具有多级联锁保护，由梯形逻辑进行控制。
（3）现地控制单元设备
现地控制单元以PLC为基础，并具有过程输入/输出，数据处理和外部通信功能。PLC在脱离主控级及网络后，可能对所控制的闸门进行正确、无误的操作。PLC具有自诊断功能，检出的错误信息能在就地LCU屏的LCD上显示出来。PLC在完成所要求的功能外，有20%的硬件裕量，包括过程信号输入/输出容量、内存容量等。PLC的外部供电电源取自本闸门启闭机的供电电源。PLC具有高可靠性，能在无空调、无净化设施，无专门屏蔽措施的启闭机房正常工作。PLC的模板应便于更换、维护。通讯口要有过电压保护措施。
现地控制单元应设有输出闭锁的功能。在维修、调试时，可将输出全部闭锁，而不作用于外部设备。当处于输出闭锁状态时，应有相应信息上送集控层，以反映现地控制单元的工作状态。
现地控制单元等的输入、输出过程接口设备的数量应留有20%备用裕量（应有插件并配线）。I/O硬件应分组制成标准单元插件式，同类插件应有互换性。现地控制单元支架上应留有20%以上的I/O插件的备用位置，以便将来的扩展，所有I/O接口（包括备用）端都应接到端子排上，接口的绝缘耐压和冲击耐压能力应满足有关规定要求。
4、数据库
数据库的结构和组织能满足应用程序直接存储，易于修改和扩展的要求。数据库的修改分别以静态数据和动态数据两种形式由相应的编辑程序及其它程序来实现。
人机接口软件的设计满足系统功能要求和操作要求，有交互式图编译程序、交互式数据库编译程序、交互式报告编译程序、键盘或命令解释程序等支持。
人机接口软件允许操作员在不尽了解系统知识的下情况下，增加或修改操作员命令，显示形式和记录形式。
本工程计算机监控系统（SCADA）的采用MicroSoft SQL数据库管理系统，用于数据库管理。SQL-Server数据库是近几年发展起来的数据库系统，该数据库性能也较高，处理数据的性能也较强。特别是随着SQL-Server 7.0的推出，该数据库系统的功能进一步增强，可以作为企业级的数据库系统。由于其制造商就是美国微软公司，所以这种数据库可以很好地与Windows NT以及基于Windows上的应用软件配合使用，充分发挥WindowsNT操作系统和SQL Server数据库的功能。而且与其它大型数据库软件如Oracle，Sysbase相比，性能价格比较高，兼容和开放性强，商业化程度高，界面友好，易学易用，升级换代容易。系统应用软件流程示意图如下：
5、整体方案设计合理
方案设计和功能设置上，做到从技术上、设备配置上、功能设置上满足未来的需求，确保工程安全低成本高效运行。
（1）铁岗水库闸门监控整体方案
铁岗水库闸门监控系统在溢洪道工作闸门、隧洞进口检修闸门处各配置了一套 PLC 测控柜，具有闸门开度数据采集、闸门现地/远方保护控制、闸门动作状态指示、闸门开度显示等功能，上位机与 PLC 以以太网方式进行通讯，采用光纤和超 6类方式进行连接，其中可采集电气参数、上下游水位。
监控系统自动控制权设现地、中心控制室和远程三级，可以进行无扰动切换。自动控制权顺序为：现地→→中心控制室→→远程；另外，还设置现地手动控制级，现地手动控制级控制权最高。
铁岗水库闸门监控系统监控中心拟建在水库管理所监控中心的控制室内。系统由 5 套现场操作结构、5 套现地控制单元（LCU）、通讯单元及监控中心监控主机组 成。闸位计及限位开关安装于闸门上；
现地控制单元的主控设备采用可编程控制器（PLC），分别安装于各闸门启闭机 室内，通过光缆及数字光端机与监控主机实现通讯及控制功能（光端机与其他系统 共用）。
（2）老闸门自动化改造方案
老闸门自动化配套改造包括：溢洪道弧形闸门1座；老隧洞平板闸门1座；下游排洪河平板闸门2座。
根据分层分布的原则，在溢洪道工作闸门、老隧洞进口闸门以及下游排洪河 1# 闸门、下游排洪河 2# 闸门现场处各设一套现地监控单元（LCU），保证了系统的抗干扰和可靠性。同时在每个现地单元上设置了闸位开度显 示仪，它可以在当地显示闸门的开高，同时可利用按钮在当地实施该单元闸门的集 中控制，大大方便了现场的操作与维护工作。实现了真正意义上的分层分布的特点与性能。
现地监控单元的手动控制设备，是系统最后一级也是最可靠的一级控制。在每台现地控制柜前面板增加手动按钮，并设置就地/远方、手动/自动切换开关，以保证 在现地控制单元出故障时能够实现闸门的手动控制，从而提高系统的可靠性与可控 性。
（3）系统方案质量优点
设备的可靠性指标高，对于核心设备更为重要，即使其价格相对昂贵；系统所使用硬件设备尽可能为商品化的产品，不会为某一厂家所垄断；系统所使用硬件设备具有完善的当地服务支持网络，具有良好的可替代性；系统的数据处理及对象控制以在现地控制层来完成为首选。在设备选择上多用智能化的产品（如选用品牌控制单元、具通讯功能的多功能电量测量表计等等）；对负责数据采集的关键自动化元器件慎重选择，在不同使用环境采用不同的自动化元器件，达到使用可靠和最佳的性能价格比目标。由于系统内大量使用电子元器件，对环境要求会相对较高，设备选择充分考虑其运行环境同时努力改善其运行的环境保护（如过热通风、过潮湿加热、雷区防雷等）；
设备选择的好坏会直接影响水利工程信息化自动化系统的可靠性、后期维护的工作量及成本，我方能真正实现上述设备及元器件选用原则，确保系统的稳定性、可维护性大大提高。
1）、系统重要部件采用可靠性高的冗余结构
本工程计算机监控系统主机采用双机热备；计算机监控系统服务器采用双机冗余热备；监控系统对工程中重要设备都设有三级控制：远程控制、集中控制和现地控制；PLC直接通过以太网与网络进行通讯，确保当现地LCU操作开关出现故障时，监控系统仍能从远方监控所控设备（包括开、停机控制）。
2）、网络结构先进，实时性好
计算机自动控制系统为分层分布开放式结构，采用环形冗余光纤快速以太网拓朴结构，分为三级，即远控级、主控级与现地级，获得高速可靠的通讯和资源共享的性能。交换机为工业级以太网交换机。
3）、设备配置以进口产品为主，要求可靠性高、性能好
4）、系统开放性好，能方便地与第三方设备通讯
监控软件采用原有国际流行的工控组态软件，支持多个厂家的PLC、微机保护装置、现地仪表等产品联网，系统扩充升级方便。通用流行的软件SQL关系型数据库和EXECL/PB报表工具，方便用户掌握和二次开发。
5）、系统管理维护方便
系统管理员通过以太网直接远程对各PLC进行参数、程序的修改、调试和诊断，极大地方便系统维护管理。
6）、采用运行成熟、可靠的高级管理软件
7）、具有良好的性能价格比
8）、系统通讯方式采用最流行的以太网通讯方式，使运行速度加快。
9）、系统更加稳定可靠。
10）、整个系统采用GPS对时，使服务器，操作员工作站、PLC等主要设备的时间一致，准确记录时间，方便了系统管理以及事故分析。
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论文作者:张德平
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/13
标签：闸门论文; 现地论文; 单元论文; 系统论文; 监控系统论文; 设备论文; 水库论文; 《基层建设》2017年第23期论文;