自動化控制系統在防洪泵站水閘中的應用研究

朱 寧 孫 衍 楊興麗

水閘是防洪泵站的主要設備，具有調度、防洪等作用。在信息時代下，自動化、智能化的水閘調度運行是當前水利工程研究的一個熱點方向?？茖W合理的水閘自動化控制系統不僅可以提高水閘調度運行效率，還能降低設備運行成本和管理費用，有較大的應用價值。以某防洪泵站工程為例，對水閘自動化控制系統應用進行了具體分析，僅供參考借鑒。

一、某防洪泵站工程概況

某防洪泵站工程位于城市郊區，中心包圍圈面積14.43km2，堤線總長17.21km，其中15.32km為路堤，1.89km為防洪堤，沿防洪提河口修建節制閥17座，泵站7座，其中泵站與閘結合。該工程設計為III級工程，主要建筑物為3級，次要建筑建筑物為4級，臨時建筑物為5級。按照50年一遇洪水設計防洪標準，20年一遇、24h暴雨24h排出設計排澇標準，排澇流量為69.5m3/s。參照黃海高程設計內河水位，具體為2.21m，洪水位2.63m。

二、防洪泵站水閘自動化系統構成、功能及自動化流程、控制模式

（一）系統構成及功能

該工程規模巨大、作用突出，這就決定了水閘調度運行的重要性，需采用自動化控制系統。水閘自動化控制系統包括調度監控中心、遠程控制系統、圖像監視系統、網絡系統、照明控制系統、安全防范系統、交通指揮系統等。各部分相互聯系，互為依靠，構成了一個功能齊全、性能優良的水閘自動化控制系統。

1.調度監控中心

調度控制中心是水閘自動化控制系統的核心部分，主要設備有計算機、傳輸設備、UPS電源、存儲設備、背投大屏幕、電視墻等?？刂浦行耐ㄟ^電視墻監督查看所有水閘設施的運行狀態、內外河水位等，同時計算機遠程控制對這些設施進行操作控制，記錄相關數據，包括運行數據、設備參數、視頻圖像等，方便事后調查。調度控制中心的所有數據都可以傳輸至背投大屏幕上，為防洪組織安排提供支持。

2.遠程控制系統

遠程控制系統設備包括控制屏、傳感器、執行元件等。其中，執行元件的命令來自調度控制中心。通過調度控制中心的命令實現遠程控制系統的各項功能，包括閘門啟動、閘門的鎖定機構投入和解鎖、閘門止水橡皮潤滑水的投入和切除、水泵潤滑水投入和切除、水泵的運行和停止等。

3.圖像監視系統

圖像監視系統主要包括攝像頭、光端機、存儲設備、視頻顯示器等。在各水閘現場安裝攝像頭和光端機，24h不間斷工作。系統主要功能：一是對水閘本體、水位、水泵機組、鎖定機構、鎖定機構等進行動態實時監控，掌握各個方面的動態變化情況。二是對整個閘區范圍進行巡視。

4.網絡系統

該網絡系統采用光電網絡裸光纖模式，為獨立網絡，每一個點與控制中心的連接都采用獨立的專用光纖，不與外網相聯。這樣的設計不僅保證了網絡信號傳輸的安全性，也提高了圖像傳輸的穩定性。

5.照明控制系統

照明控制系統設備有照明燈、照明控制箱等。夜間操作時，通過控制中心遠程啟動室內外照明設施，保證光源充足，使視頻攝像頭有工作的條件。

6.安全防范系統

安全防范系統設備主要有紅外線報警器、示警喇叭、安防探頭及控制中心的安防主機等。在無人值守模式下，開啟安防系統，當人或動物進入時，一旦觸發水閘上的紅外線報警器，信號立即傳至控制中心，由控制中心向示警喇叭發出執行命令，示警喇叭立即響應，鳴叫示警。此時，值班人員視頻監視系統查看閘區內的安全狀況，結合實際情況做出具體的工作安排。

7.交通指揮系統

交通指揮系統設備有語言廣播、紅綠燈等。主要功能是指揮調度過往船只，確保船只、閘門等安全。

圖1 系統自動化流程圖

（二）自動化流程

該水閘自動化運行流程如圖1所示，其最大的一個特點就是可以按照操作者設定參數進行開機、自檢等。在全自動模式下，當水位達到操作者設定的啟動限制時，系統按照事先設定啟動對應的機組。如啟動1#機組后水位沒有下降，而是持續上升，此時要繼續檢測，直到開啟4#機組限值。反復重復這樣的操作，直至水位停止上漲，方可終止運行。在系統自動化運行過程中，值得注意的是：當某一設備發生故障時，可能造成整個機組啟動異常，甚至無法正常啟動。為了避免影響水閘系統的正常啟動，可針對以上問題設定提示功能，方便人員及時處理。在機組正常運行狀態下，如果系統自動檢測后發現符合操作者設定的關機條件，則按照設定依次關機，先關閉電機，再關閉其他設備。

（三）控制模式

該水閘控制系統設定了五種控制模式，分別為現場遙控操作、全自動控制、半自動控制、手動控制、遠程監視控制?，F場遙控控制：操作人員直接在上位機上手動控制閘門或設備，通過人工方式控制實現對閘門、設備的控制；全自動控制：根據操作者設定參數進行開關機、檢測、閘門啟動等；半自動控制：操作者自行選擇機組號以實現閘門、設備的自動啟動或關閉；手段控制：操作者直接在現場測控屏上進行操作，對閘門、設備進行現場控制；遠程監視控制：根據現場實地實物模擬顯示機組的開機、關機與運行，同時可顯示實時運行中的參數。

三、自動化控制系統的應用效果

（一）縮短操作時間，提高反應速度

如果不采用閘門自動化控制系統，現場實地操作一般需要三人一組，逐一開啟各水閘門、水泵，待全部閘門、水泵投入運行，至少需要4h。采用自動化控制系統后，只需一人值班，水閘門基本實現無人值守。接到控制中心運行指令后，值班人員通過控制中心的遠程監控系統控制水閘、設備的啟動，2h內可以完成全部設備的啟動操作，既節省了操作時間，也提高了反應速度，極大提升防洪泵站運行效率。

（二）優化管理模式，降低運行成本

該防洪泵站初期設計預計采用傳統的工作模式，若按照傳統方式，需要40名管理人員，無論是管理成本還是人工成本都很大。經研究決定采用自動化閘門控制系統，實行無人值守模式，僅僅需要6個人就可以確保所有工作正常運行，人工成本、管理成本極大的減少。經過計算與對比，這種無人值守的操作管理模式比現場實地操作模式節省費用90萬元以上。

（三）強化設備監控，規范臺賬記錄

在現場實地操作模式下，操作人員每間隔一段時間就要對設備運行記錄進行一次記錄。由于采用人工方式，臺賬記錄工作量不僅大，還可能出現數據記錄不規范、錯誤等問題。由于臺賬記錄工作不當，無法實現對每一臺設備的跟蹤監控，不能及時發現設備異常情況，故障率較高。采用自動化控制系統后，通過監控系統對設備進行全過程的跟蹤監控，自動記錄設備運行數據，可及時發現設備運行過程中的安全隱患并盡早排查，將設備隱患消滅在萌芽中。

（四）加強安全管理，提高生產安全水平

防洪泵站工程一般都在城鄉結合部，交通條件不佳，對水閘工作時基本都是風大雨大的時候。在這種極端天氣環境下，如果需要人到現場進行操作控制，工作危險性大，易發生安全事故。而且，工程規模龐大，設備類型多，若無人監管可能出現設備丟失等情況，若派人監督，又會增加人工成本。采用自動化控制系統后，現場設備的操作由操作人員在上位機直接遠程操控，發現危險后立即發出警告。即使無人在現場，也可以控制水閘啟閉，既保證設備安全，也保護人員安全。

四、結論

綜上所述，防洪泵站水閘應用自動化控制系統是水利工程調度運行的主要趨勢，其應用效果十分顯著。不僅能提高工作效率、優化管理模式，還能明顯加強監控、控制，降低運行成本，值得應用推廣