水闸自动化监控系统的实施不仅有利于对闸门、泵站等工程准确、可靠地进行监测和控制, 继而将水情、闸门工况和运行状态等信息共享, 建立实时和历史数据库供流域机构及有关部门监督和分析统计而且能够对防治水害、加强水资源统一管理、降低运行成本、保障水利持续发展具有十分深远的意义。因此, 论文结合上海奉贤区水闸的自动化监控管理为例探讨这一领域的研究现状及关键技术。
现有的水闸监控系统一般采取分布式控制系统 (DCS) 结构, 在一定程度上提高了系统的自动化程度和设备的可靠性, 但是由于水闸所处的工作环境普遍比较恶劣, 其液压系统、传感设备装置等元器件老化较快, 经常出现误动、拒动现象, 信息一般没有数字化, 更没有进行存储, 因此, 集控系统平台上缺乏设备及系统健康状态信息, 从设备的检修维护方面看, 现有的水闸监控系统基本上还是采取事后维修, 或者定期检修这样较为传统的检修维护策略, 而在技术管理领域基本上还处于空白阶段, 没有进行系统的设计、规划、实施, 因此, 将控制、维护和技术管理集成系统应用于水利自动化系统, 形成水利枢纽集成自动化系统, 可以在很大程度上提高系统的可靠性和稳定性, 保证控制命令的正确执行。为了提高水利工程效益和管理水平, 精简管理人员, 适应现代化水利的要求, 必须利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监控技术形成水利闸门控制、维护和技术管理综合集成自动化系统。通过对水利枢纽闸门系统的运行状态和健康状态实施实时监控, 可以提高调度运行响应速度和能力, 实现在线优化调度, 充分发挥水利枢纽工程信息在国民经济建设和社会发展中的作用。
上海奉贤区水闸自动化控制系统可按以下方案设置:区水闸管理所作为远程控制的总站 (区防汛办可作为总监视站) , 金北水闸、白庙水闸、南横泾水闸、南竹港水闸、南沙港水闸、巨潮水闸、千步泾水闸、浦南运河西闸、南竹港出海闸、金南水闸、南门港水闸、中港水闸这12座水闸作为下设的12个站, 每个分站可设中央控制室、中央控制室下又可设几个现场工作站。若小型节制闸可只设现场工作站, 不设中央控制室。水闸管理调度自动化系统是先进的各种实时数据采集和监控系统, 它是利用遥测遥控技术, 各种媒体数据通讯技术、计算机技术和专业的系统软件编程来实现对水闸运行的监视和控制, 能自动采集系统内各项参数, 同时根据实时闸门运行状况和水情变化, 按照水利工程调度运行方案, 实时做出调度方案, 并监控闸门予以执行, 实行水闸调度与监控自动化。各分站的闸门监控管理自动化系统由二大部分组成:计算机监控系统和图像监控系统。
计算机监控系统又分为二部分: (1) 中央控制室。通过网络接口和网络线由现场工作站的可编程序控制器PLC传输实时显示各种参数变化情况和设备运行状态。 (2) 现场工作站, 由可编程序控制器和上位计算机及现场检测仪表以及机械设备故障报警器等组成。 (1) 可编程序控制器P L C主要负责现场闸门运行参数的采集和设备的控制。如电流、电压、闸前后的水位和闸门状态以及设备完好情况的检测和闸门开、关的控制等。 (2) PLC上位计算机通过RS232或RS485串行口与PLC进行通信收集PLC最新采集的数据, 包括电压、电流, 闸前后的水位和油压, 闸门开关状态以及设备完好情况等, 并把以上的这些数据显示在计算机监示器上供工作人员控制时参考和决策。 (3) 机械设备故障报警。可以分钢丝绳松懈报警、闸门撑死报警、闸门冲顶报警、闸门上下限位超越报警、闸门关不到位报警、启闭机刹车失灵报警、搁门器位置不正常报警、电源缺相 (欠压、过压) 报警、闸门关闭过程中有船只报警、高水位或低水位报警、超高船只限制进闸报警等等。
为了监视闸群内外的现场状况, 便于及时掌握了解水闸闸室内外船只情况和闸门运行时的运行轨迹以及水闸区域内的各种实时情况, 完成对闸区的覆盖式监控。各分站的图像监控系统由摄像机、监视器、视频切换器、汉字字符发生器、数字硬盘机、高速球摄像机、解码器等组成。具体分为中央控制室和前置摄像机二部份。中央控制室由控制设备 (控制机和视频切换器组成) 、记录设备 (由一台数字硬盘录像机来完成, 具体位数根据实际所需来布置) 和显示设备 (具体彩色监视器根据实际需要来选择多少台) 组成。前置摄像机部份是由摄像机把摄入的图像变换成视频信号, 把水面来往船只情况及时传送给中控室视频切换器, 由视频切换器的输出通道传送至监视器图像监控系统, 主控制器图像的视频信号通过汉字字符发生器把图像视频信号叠加了汉字, 然后通过视频分配器传送给数字硬盘录像机。硬盘录像机根据功能大小可录制多路图像, 可同时显示多路或单路实时图像, 在回放图像的同时, 可录制现场摄入的图像, 只要输入日期就可显示历史图像资料, 便于随时查询。通过网卡, 可在网上传输图像。
一是船闸智能全自动控制的实施。由PLC监控系统和图像监控系统根据各闸以往积累的实际经验来编制运行控制程序所有运行参数, 开关闸采用定时方式和点动方式二种: (1) 计算机控制方式为全自动, 由PLC检测闸室内外水位、机电设备完好状况, PLC不断检测各种即将运行的设备完好情况, 等关闸条件具备时PLC再次检察闸门内外的水位, 提前数分钟用语音音响等设备告诉闸室内外的船员“水闸马上要关闸, 请船员注意安全”连续发3~5次, 并在工作室或中控室同步发出声音, 提示岗位操作人员在图像监控系统的画面上观察河面上船只过闸情况, 同时PLC进一步检测设备完好状况, 供电正常, PLC启动程序开始关闸, 关闸时PLC再次检测起闭机的电流、电压, 如异常, 则取消程序, 如一切正常, 闸门则徐徐落下, 直到关到底时发出关足信号, PLC立即停止起闭机工作, 关闭过程结束。如果在关闸过程中, 摄像机检测到闸前发现船只, 摄像机立即进行报警, PLC收到报警信号后立即停止启闭机工作, 闸门停止, 待船只避开危险区后关闸进一步进行。开闸时, PLC根据经验值设定的允许范围开闸。 (内外水位允许值内可一次开闸到位, 内外水位差超过允许值时, 根据设定值分几次提升, 提升次数与水位差成正比, 水位差越大, 提升次数越多。 (2) 点动方式是现场操作人员手动控制, 即用鼠标在计算机正面图形上点控, 完成开关闸的人工控制。
二是节制闸智能全自动控制的实施。控制按设定日期 (阴历) 和设定内河水位参数控制值进行自动引排水。即根据每月的引排表水日期表, 自动根据闸外水位, 涨潮时自动引水3h~4h或者至闸外水位落潮前自动停止引水, 当内河水位低于参数值时, 自动引水, 高于参数值时自动排水。开启闸门时, 由PLC检测当前设备完好情况, 再检查供电电源, 由图像监控系统检查河面上船只情况和有无大的漂浮物, 发现问题及时报警进行紧急处理关小或关闭闸门等事件处理后再开闸引水或排涝。节制闸门开启高度的控制值由流量、流速仪器根据设定参数通过P L C自动控制闸门开启高度值, 优先保证水工建筑物的安全性。
最后是辅助手动控制:控制室安置PLC和上位机, 启闭机房作为分路安置就地控制箱 (与RTU柜合二为一) , 通过分站的电脑操作屏手动控制, 便于在调试或维修时操作。
系统信息的收集是由可编程序控制器PLC负责现场闸门运行参数的采集。即PLC通过模拟量和开关量输入模块与水位变送器, 电流电压变送器以及闸门开关状态和机械设备完好情况等信号进行联接, 不断采集这些信号, 并存入内存数据库, PLC通过RS232或RS485通信接口上位计算机进行联接, 通过以太网通信口与中控室主机的通信口进行联接, 接受上位计算机数据采集的命令, 并把PLC最新采集的数据发送给上位机, PLC接收上位机的命令, 通过开关量输出模块来控制闸门的开关动作。
目前各分站可采用宽带网的通讯方式进行联络, 各分站把收集的各种数据信息通过宽带网传输到总站区水闸管理所的中央控制室, 这样总站既能监控到各分站所在水闸的调度运行情况, 又能传输入命令直接调度运行, 区防汛办可进行实时监控。
(1) 防雷保护。本系统采取了以下防雷保护措施:环境防雷:配设避雷针、避雷带以及地网系统, 防止直击雷的破坏;动力电源防雷:在电源总入口处的三相动力线上, 安装大电流“电源防浪涌保护器”, 防止直击雷或感应雷经动力电源线串入监控系统;数据网络防雷:在数据线接口处加装“数据网络避雷器”, 裸露于室外的设备外壳加屏蔽罩并可靠接地。
(2) 接地保护。控制系统接地防干扰。良好的接地可以减少由控制柜和大地之间的电位差引起的干扰电流, 减少混入电源和输入信号的干扰, 可以防止由漏电流产生的感应电压。闸门控制系统接地应遵守的原则是:采用一点接地、信号地线和功率地线分开 (图1) 。
总之, 随着“无人值班, 少人值守”这一运行模式在水电站的提出, 水电站、水利枢纽的自动控制也迫切要求设计并生产出可靠性高、性价比好的闸门监控系统。本文根据上海奉贤区水闸自动化控制系统的现状, 制定了的闸门监控系统控制方案, 重点探讨了其关键设计, 希望对业内人士提供理论依据。
摘要：利用先进的计算机网络技术及自动控制技术、通信技术和传感器技术建立水闸监控系统, 对实现水闸的高效的集中控制和管理有重要影响。论文首先分析了水闸监控系统的发展概况, 指出了实施水闸自动化监控的必要性, 并分析了系统的组成, 最后探讨了水闸自动化监控的关键设计。
关键词：水闸自动化,监控系统,关键设计
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