白云閘工程自動化監控系統技術研究

白云閘工程自動化監控系統技術研究

李祿

(遼寧省水利水電科學研究院， 沈陽110003)

本研究為遼寧省科技廳農業公關計劃項目：遼寧省防汛調度管理系統研究(2011216001)。

摘要：本文通過對東港市白云閘工程自動化監控系統技術研究，對系統的研究目標和建設原則進行歸納總結。以計算機網絡系統為依托，以閘門監控系統和工程觀測系統為基礎，建立白云閘運行管理自動化系統。研究表明：該成果的最大特點是可為白云閘的安全監測與自動化控制提供系統化的解決方案，為工程管理人員提供快速、準確的實時數據和決策依據。

關鍵詞：白云閘；工程監測；閘門監控

中圖分類號：TV66

Study of Automated Monitoring System Technique in Baiyun Sluice Project

LI Lu

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropowerofLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, automated monitoring system technique in Donggang Baiyun sluice project is studied, the study purpose and construction principles of the system are summarized and concluded. Operation management automated system of Baiyun sluice is established with computer network system as support and sluice gate control system and engineering observation system as basis. Studies have shown that: the outcome has the most important feature that systematic solution can be provided for safe monitoring and automated control of Baiyun sluice, thereby providing rapid and accurate real-time data as well as decision-making basis for project management personnel.

Keywords：Baiyun sluice; project monitoring; sluice gate monitoring

東港市大東溝白云閘工程位于大東溝河下游的白云大橋下194m處，距大東溝入?？?.3km，主要作用為擋潮、蓄水、調洪等。白云閘工程自動化觀測系統技術研究中，擋潮閘以及兩側橋頭堡是應配套電氣設施的主要部位，動力負荷為擋潮閘門負荷，共10孔，配套啟閉機電機為22kW/孔，根據閘門調度運行方式，閘門最多同時開啟6孔，最大功率為6×22kW，另外左、右岸橋頭堡建筑面積均為1000m2左右，兩岸橋頭堡建筑負荷各按60kW考慮，最大計算負荷為252kW。由于白云閘在汛期控制下泄流量，調節水位，故確定白云閘負荷為一級負荷。

1研究目標

在滿足工程管理與業務需求的基礎上，采用先進、成熟的技術和設備，以模塊化開放式的結構設計，形成以計算機為核心的實時信號采集、測控和數據處理過程，以計算機網絡系統為依托，以閘門監控系統和工程觀測系統為基礎，建立白云閘運行管理自動化系統，達到設計先進、設備性能穩定、系統維護方便、軟件功能實用的目的，實現現代信息化管理。

2建設原則

a. 在廣泛調研國內外同類系統特點的基礎上，緊密結合大東溝河流域氣候水文地理條件和白云閘建設工程狀況，吸取經驗，博采眾長，做好系統建設的基礎工作。

b. 系統設計具有先進性、可靠性、實用性和可擴充性。所采用的技術、設備、系統軟件等具有先進水平。

c. 采用成熟的技術和產品，采用模塊化結構模式進行設計和實現。

d. 嚴格執行國家有關技術標準要求，充分利用現有工程資源整合發展，不搞重復建設。

e. 符合國家有關技術標準和規范要求。

f. 東港市水系發達，中小型水庫眾多，系統在充分考慮先進性和實用性的同時，對各水工建筑自動化系統的連接也留有充分的冗余設計。

3工程監測系統

白云閘為3級建筑物，根據規范要求，為保證白云閘工程安全運行，水閘設置的觀測項目包括垂直位移、水平位移、揚壓力、混凝土炭化、裂縫、河床變形、水位流量，同時配備相應的觀測設施。在白云閘設置閘體表面變形觀測點32處，水平位移采用GPS觀測，豎向位移采用電子水準儀觀測，觀測方式為人工采集現場數據，輸入計算機后，通過專業分析評價系統實現計算機輔助分析；設置閘體滲流觀測點12處，測量控制單元安放于閘室?？刂茊卧c遠程操作臺采用有線方式進行通信，采用系統集中供電方式；設置水位觀測點2處，通過閘室的測量控制單元與遠程操作臺進行通信，供電方式為系統集中供電。

3.1垂直及水平位移觀測

垂直位移觀測是利用水準儀等設備，連續定期測量水閘工程上的測點在垂直方向上的變化，以分析水閘整體垂直方向的狀態變化。水平位移觀測運用儀器設備連續定期測量水閘測點在水平方向上的位置變化，規定向下游和左岸的水平位移為正，向上游和右岸的水平位移為負。

在水閘每個閘段(兩孔為一閘段)的閘墩尖端處上下游側各設2個位移觀測標點，共計5個閘段，設20個觀測標點；在上下游翼墻分縫處各布置1個觀測標點，共計12個觀測標點。為了測定觀測點的高程及水平定位，在河岸兩側40m處各埋設1個觀測基點，基點由高一級的水準點引測(見下圖)。

位移觀測點布置圖

a. 觀測基點。觀測基點采用整體鋼筋混凝土結構，地面以上立柱高度為1.2m，強制對中底盤的對中誤差小于0.1mm，設在相應的基巖上，保證兩側基點、校核基點的通視。工作基點布設符合招標文件和技術規范要求，現場確定后需征得設計和監理人員簽字同意。

b.觀測點。觀測點采用墩式結構，同時兼作豎向和橫向水平位移觀測的測點，墩頂高出閘墩頂高程0.15m，設有強制對中底盤，其對中誤差均應小于0.2mm。

c. 位移的觀測儀器及方法。垂直位移觀測選用數字水準儀，水平位移觀測選用GPS(一拖二)，觀測儀器結合觀測點共同構建位移觀測網。水平位移觀測采用視準線法，以經過光學測量儀器的視準線為軸，建立一個平行或通過閘軸線的固定垂直平面作為基準面，定期觀測各觀測標點與基準面之間偏離值的大小，即確定了該點的水平位移。

3.2揚壓力觀測

水閘底板在上下游水位差作用下產生滲透壓力，在尾水作用下產生浮托力，揚壓力即為滲透壓力和浮托力之和。向上的揚壓力相應減少了閘體的有效重量，降低了閘體的抗滑穩定性，揚壓力的大小直接關系到水閘的安全性。

a. 揚壓力觀測斷面及測點的布置。為了監測攔河閘底板揚壓力的大小，在攔河閘兩岸邊墩及第三孔、第七孔右墩布置測壓斷面，每個斷面閘墩上下游前端及中點各設置一個測壓點。共計4條測壓斷面，12個測壓點。

b.揚壓力的觀測儀器。揚壓力觀測采用SZ型差動式電阻式滲壓計，測壓管采用D50聚氯乙烯塑料管。

c. 揚壓力觀測測次。在每月最高潮位期間選測一次，觀測時間以測到潮汐周期內最高和最低潮位及潮位變化中的揚壓力過程線為準。觀測時必須同時觀測上下游水位，并應注意觀測滲透的滯后現象。測壓管管口高程應根據起算點距離按三等水準測量，要求每年必須校核一次。

3.3河床變形觀測

水閘上下游如果產生局部沖刷或淤積，將會影響水閘的泄流能力，情況嚴重的將會影響建筑物的安全。為了掌握水閘上下游河道沖淤情況和變化規律，保證水閘的安全及正常運用，必須進行水閘上下游河道的沖淤觀測。

a. 河床變形觀測斷面的布置。水閘上游河道沖淤觀測范圍為鋪蓋前端至白云大橋，共計長度150m，間隔50m布置一個觀測斷面，共4條沖淤觀測斷面；水閘下游河道沖淤觀測范圍為消力池末端至其下游200m，間隔50m布置一個觀測斷面，共5個沖淤觀測斷面，在兩岸設置固定觀測斷面樁。

b.河床變形的觀測方法。采用斷面測量法進行河床變形的觀測。斷面測量包括水面以上的水準測量和水面以下的河道斷面測量兩部分。河道斷面測量可采用全站儀按照一般斷面測量方法實施，包括水深測量、垂直測點至起點距離測量以及在測探期間的水位觀測。測量前應對斷面樁樁頂高程按四等水準要求進行復核。

c. 河床變形的觀測次數。水閘上游河道斷面建成后觀測一次，之后每三年觀測一次；水閘下游河道斷面確定后觀測一次，之后每一年觀測一次。此外，沖刷或預計較嚴重時，每年汛期、汛后各觀測一次。當放大流量或超標準運用、沖刷尚未處理而運用較多時，增加測次。

3.4水位流量觀測

為了觀測過閘流量及水位，在兩岸邊墩上下游端部預埋鋼管，在上下游各安裝一個水位計、流速儀，由水位、流速的測值推算流量。

4閘門監控系統

在白云閘設置10面PLC控制柜，每面控制1臺啟閉機，遠程控制設置在管理處控制室內，兩種控制方式通過轉換開關在現地控制箱面板上切換。在控制室內設置上位機，負責完成數據的接收存儲和閘門群的監控任務，現地PLC單元將閘門與啟閉機的狀態信息傳輸到操作站上位機，上位計算機發出的一系列閘門控制操作指令數據等下行信息也可傳輸到現場PLC單元，從而實現監控調度功能。閘門自動監控系統分兩個層次面：現地設備層和遠端運行管理層。在現地手動控制系統的基礎上增加了下位機(PLC)和計算機自動監控系統(上位機)，以確保閘門安全運行的可靠性及自動化監控水平。遠端計算機自動監控系統是在現地手動控制系統的基礎上建立的，它與遠端手動系統平行對接。

4.1現地控制系統

控制單元采用S7-300 PLC作為主控單元，以profibus工業網絡為基礎,按功能分散構成模塊，適用于操作站對啟閉設備進行自動控制、監視，將各種信號送至控制室。該系統設置10個現地控制單元， PROFIBUS-DP總線結構，設置1套CPU單元，CPU單元安裝1號PLC控制柜中，分控單元為SM321+SM322+SM331采集各種信號，并可連鎖控制啟閉機開、關、停等操作，現地單元光纜通信與操作站連接，組建控制級工業以態網，除通信光纜外還配置有1對光纖鏈路模塊以及以太網卡和連接器等構件?，F地測控內容包括閘門開度、閘門左荷載、閘門右荷載、總配電電流電壓、總配電電度、測控模擬量及脈沖信號來自各閘門配套控制柜儀表。

4.2遠端監控系統

遠端自動控制操作臺是通過與現地手動控制系統的并接，把手動控制集中在操作臺上，實現控制；自動控制遠程操作站(IPC)通過控制和檢測PLC狀態，再由PLC發出指令控制設備進行工作；視頻監視錄像計算機作為管理者對閘門管理的輔助手段，也是提高管理水平的一個標志。

遠端計算機自動監控系統是在遠端手動系統的基礎上建立的，它通過網絡與下位機(PLC)相連，PLC與現地手動控制系統連接，由遠端計算機自動監控系統(上位機)控制和檢測PLC狀態，再由PLC發出指令控制相應設備進行工作。

遠端計算機自動監控系統在前端設1臺PLC控制器，PLC與手動控制設備端相連，然后通過網絡與1臺計算機連接構成計算機自動測控系統，該部分的計算機軟件包括以下部分：

a. PLC控制軟件。用于組合邏輯編輯和控制設備編輯。

b. 系統管理軟件。用于遠端人機界面程序編輯和遠端監控軟件編輯。

5自動化觀測系統

為減輕觀測人員的勞動強度，觀測項目盡可能采用自動化。采用國內先進的自動化監測控制系統對水閘進行安全監控。對工程建筑物的性態測控數據采用分布式數據采集傳感系統，使觀測系統達到實時監控、預警監控、全方位監控、觀測傳輸迅速，數據分析處理準確可視的要求，使水閘管理水平上一個新臺階。

水閘安全自動化監測系統功能包括：?實現各觀測項目中監測儀器的自動化測量和數據的自動采集；?實現觀測數據的集中處理和用計算機對其進行處理分析。為了保證自動化監測系統的長期穩定工作，要求采用抗干擾能力強、可靠性高、故障率低、擴展方便、易于維護的分布式數據采集系統，并經過鑒定且在國內、外兩座大中型工程中實際應用的產品。

該觀測系統由三部分組成：

a. 現場測控單元?，F場測控單元(DAU)包括：建筑物性態監測裝置、預警監測裝置、數據自動采集和存儲裝置、傳感集線裝置。

b. 通信傳輸。通信傳輸部分包括光纖傳輸、局域網等。

c. 觀測監測站。觀測監測站部分包括實時監控、數據庫生成與管理、數據和圖形輸出、通信與網絡管理、遠程控制及文件傳輸、自診斷及系統維護。

6結語

白云閘是大東溝河上重要的樞紐工程，對其進行自動化設計是保證樞紐安全運行與效益發揮的必然途徑。本文重點介紹了該工程監測系統和閘門監控系統的測點布設、測量方法和功能組成等

參考文獻

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