察爾森水庫閘門自動化監控系統升級改造及功能

李春紅，郭海云，趙廣民

（松遼委察爾森水庫管理局，內蒙古烏蘭浩特 137400）

察爾森水庫閘門自動化監控系統始建于2000年，監控系統建成以來一直運行穩定，實現了閘門控制自動化，實時信息自動采集、傳輸、處理入庫、動態監測監控、遠程數據傳輸等功能，提高了察爾森水庫水利設施的運行管理水平。建成后的閘門基本達到了少人值守、現場無人值班的要求。

由于閘門計算機監控系統已運行多年，部分設備已經老化或損壞，無法正常使用。為了不影響汛期閘門的正常防洪使用，察爾森水庫于2010年對閘門自動化監控系統進行升級改造。此次改造的原則是對原閘門自動化監控系統中仍然能正常使用的設備繼續保留，避免浪費，改造過程中大量使用當今先進實用的計算機網絡技術、自動化監控監測技術等先進技術，實現了對察爾森水庫閘門工況的實時監控、監測和管理，提高了察爾森水庫水利設施的運行管理水平。

1 系統改造范圍

1.1 系統總體設計

察爾森水庫閘門自動化監控系統主要是針對4孔泄洪閘及其相關設備進行自動控制，并對這四孔泄洪閘及附屬相關設備實施監測，實現閘門的自動化管理。根據工程范圍及系統達到的目標，察爾森水庫閘門自動化監控系統可分為以下兩個部分：

1）閘門監控系統：監控對象包括四孔泄洪閘啟閉機、閘門潤滑水泵等設備。系統遠程集中自動控制由一套工控機和一套集控LCU組成，現地級控制由4孔泄洪閘的四套現地手動箱和現場的閘位傳感器、限位開關等設備組成；集中控制級由集中LCU機柜內的PLC模塊、觸摸屏、繼電器等設備組成；中心控制級由中心控制室的監控主機、服務器等設備組成。

2）計算機網絡系統：察爾森水庫閘門自動化監控系統網絡部分以設置在中心控制室的以太網交換機為中心，將整個系統聯成一個綜合的局域網，并在中心配置了服務器，使得閘門自動化監控系統的信息能被及時地發布和訪問，并應充分考慮以后的擴展能力。

1.2 系統結構設計

察爾森水庫閘門自動化監控系統采用三層開放分布式系統結構。系統由中心控制層、集中控制層、現地控制層以及網絡設備等四部分組成。

1.2.1 中心控制層

中心控制層設備布置于察爾森水庫監控系統控制中心機房。為了提高察爾森水庫閘門自動化監控系統集中監控的高可靠性，在集中控制層設置了一臺工業級監控主機，承擔對察爾森水庫閘門自動化監控系統4孔閘門啟閉機現地設備的集中監控。同時，在中心控制層還配置了服務器、網絡光端機、以及其它相關設備等。

1.2.2 集中控制層

集中控制層設置在水庫值班室內，在集中控制層布置一臺集控LCU機柜，LCU機柜內安裝有PLC模塊、觸摸屏、繼電器等設備，LCU機柜上設有“現地／遠方”的控制方式選擇，可以實現在中心控制室、集控LCU機柜和現地等多種方式啟閉四孔泄洪閘門及其相關設備。

1.2.3 現地控制層

現地控制層設置在啟閉機房內，由4套閘門現地控制箱構成。4套閘門現地監控箱分別布置在每臺啟閉機旁。因為之前4套閘門現地控制箱均能正常使用，所以此次升級改造并未改造。

1.2.4 網絡設備及連接

集中控制層和中心控制層之間的網絡采用光纖通信方式，由于之前建的光纜仍然可用，因此，此次升級改造并未增加光纜的敷設，而是用原有的光纜做通信通道。原有的光纜是從水庫值班室的LCU機柜鋪設到原中心控制室的，現在的中心控制室設置在新建辦公樓三樓，將原有的光纜線路作了調整，鋪設至新建辦公樓三樓的中心控制室內。

網絡設備主要有：監控主機的以太網卡、光端機、集中控制層的PLC內部的以太網通信模塊，以及光纖、超五類雙絞線、輔件等設備。系統服務器也接入系統控制中心的以太網交換機。實現了察爾森水庫閘門自動化監控系統的閘門實時數據與數據庫的通信。

2 系統功能簡介

2.1 系統功能

在監控中心設一套監控主機，安裝的監控軟件選用的是在水利電力行業廣泛應用的美國Wonderware公司的INTOUCH 10.5工業組態軟件。監控主機主要對閘門自動化監控系統進行管理、數據計算和處理及各種報表曲線、故障信號的分析處理等。具有畫面顯示、數據打印、閘門運行狀態監視和控制功能、發送操作控制命令、定值切換、設定及變更工作方式、報警等功能。具體功能如下：

1）自動檢測各孔閘門的開度及運行狀態信息；2）提供直觀、友好的人機操作界面；3）具有定高度自動控制和定流量自動調節控制功能；4）具有定高度單孔門和四孔門群控功能；5）具有對閘門潤滑水泵等輔助設備控制的功能；6）具有故障告警和越限告警以及告警自動記錄功能；7）具有通信故障指示功能，提醒操作人員及時查看監控主機與現地監控單元；8）PLC的通訊狀態，便于操作；9）自動操作記錄單門開啟時間、累計時間；10）能夠輸出日報表、月報表、年報表；11）能夠動態圖形顯示閘門啟閉過程和各類操作；12）能夠建立當地實時數據庫、歷史數據庫；13）具有安全等級設置功能，確保操作控制更加安全；14）具有自檢和系統故障提示功能；15）能夠在服務器建立綜合數據庫，包含閘站自動控制實時信息與歷史數據，閘站檢測及水雨情實時信息與歷史數據；16）在服務器安裝WEB綜合信息發布與查詢軟件，可以在服務器數據庫為數據源進行調試；17）WEB服務器能夠以主頁的方式向用戶提供信息，采用動態網頁編程技術，局域網內用戶可以通過IE瀏覽器實現靈活的交互。

2.2 集中控制單元功能

1）與上位機通訊，接收上級開、停機，工況調節等命令；2）根據上級控制命令，實施閘門自動上升、下降、停止等操作；3）具有對閘門潤滑水泵等輔助設備控制的功能；4）向上位機發送實時運行信息；5）數據采集、處理和系統診斷；6）在觸摸屏上可以人工鍵入指令，實施自動開停、調節等操作，并顯示閘門運行狀態各類參數；7）具有運行狀態識別，故障多重保護功能；8）支持硬件熱插拔，具有自檢功能等；9）根據本系統的特殊性，集中控制單元的PLC在程序編寫上含有保護功能，使得在監控主機與PLC發生通訊故障時，現地監控單元也不會發生誤動作，嚴格避免事故的發生；10）集中控制單元上設“現地／遠程”轉換開關，實現現場手動和遠程自動控制的相互閉鎖兩種控制方式之間有嚴格閉鎖措施，現地手動控制權最高；11）在PLC發生故障時，將集中控制單元轉換開關置于“現地”位置可通過現場手動控制箱，控制閘門的啟閉。

2.3 系統性能

該系統提供的設備及系統完全滿足可靠性、實時性、可維護性、安全性、可擴性、集成性等要求。

1）可靠性。所有電磁型傳感器和自動化元器件平均無故障工作時間不低于40 000 h，最低無故障工作時間不低于18 000 h，檢修及更換簡便；所有與水相接觸的傳感器和自動化元件平均無故障工作時間不低于20 000 h，最低無故障工作時間不低于8 000 h，檢修及更換方便；監控主機及其部件的平均無故障工作時間不低于25 000 h；現地監控單元：MTBF不小于40 000 h。

2）實時性。隨機信息采樣周期及響應時間：電氣模擬量不大于3 s；開關量分辨率不大于5 ms；控制命令回答響應時間不大于3 s；調節命令回答響應時間不大于5 s；事故信號及報警事件產生到畫面顯示不大于2 s；參數越限及復限報警的響應時間不大于5 s。

3）可維護性。監控系統主機具有自動診斷功能，可方便確定故障位置；具有試驗和隔離故障的斷點開關；互換件及不可互換件的識別標記：平均維護修復時間不大于4 h；留有一定的易損件、備件、備品，以及必須的檢測工具；用戶在運行現場對系統中各點參數可設置和改動，結構上也可通過增加PLC數量或功能模塊進行改動，只須在主機上作相應的連接即可完成系統的增容和新功能的添加。

4）安全性。對監控系統的每個功能和動作提供檢查和校核，當動作有誤時，能自動終止動作并報警；保證閘門運行的安全性，在監控主機上能實時、方便地查看閘門的運行狀態和工況；程序中設計了自鎖和互鎖功能，監控系統中出現任何故障時，不會造成設備誤動作；系統中的功能模塊具有相對的獨立性，一個功能模塊的故障不影響其它功能模塊的功能。

5）可擴性。I/0模塊預留15%以上的備用點；CPU負載率不大于50%；通道利用率不大于50%。

6）集成性。系統中的功能模塊具有相對的獨立性，一個功能模塊的故障不影響其它功能模塊的功能，但各個功能模塊的設計均服從系統整體的設計，保證均有協調、暢通的連接接口，使整個系統具有足夠的集成性。

3 結語

改造后的自動化監控系統主要由閘門監控子系統和計算機網絡構成，整個系統采用“開放式分層分布”的星形以太網結構模式。該系統建成后將達到了如下要求：

1）能實時完整地完成對察爾森水庫四孔泄洪閘門及其輔助設備的信息采集、處理和存儲，建立完整的數據庫。

2）在現地集控LCU機柜上設有“現地／遠方”的控制方式選擇，實現了在中心控制室、集控LCU機柜和現地等多種方式啟閉4孔泄洪閘門及其相關設備。

3）在現地集控LCU機柜上設有觸摸屏，可以在中心控制室監控主機和集控LCU機柜上查看四孔泄洪閘門及其輔助設備的狀態、信息等。

4）實現水閘流量的智能化調度，包括根據水位、閘門開度、流量公式等進行實時調度管理。

5）實現泄洪閘門所有數據的遠傳及遠程調度等。