大寿水闸除险加固工程闸门监控系统设计

韦 峰

（广西玉林水利电力勘测设计研究院，广西 玉林 537000）

大寿水库位于广西壮族自治区博白县旺茂镇大寿村，所属河流为南流江支流和江河分支流凤山河上，是一座以灌溉为主，结合发电的大（2）型水库，至今已运行了30多年。由于年久失修，工程主体建筑及各类机电设备老化严重，整体运行效率及安全稳定性差，存在诸多安全隐患，需经除险加固后，才能达到正常运行要求。

1 大寿水库水闸现状

大寿水闸原闸门启闭控制为人工现地手动方式，运行人员主要是通过操作现地启闭控制箱完成闸门的关闭和启动。经过多年运行，启闭及配套控制设备、电缆老化严重，严重影响启闭设备的正常运转，存在较大的安全隐患，运行稳定性及运行效率低下，且不具备运行状态监控及故障保护功能，以至于闸门日常启闭操作均需人工现地全程监视完成，致使水闸运行管理工作难度较大，严重影响汛期泄洪调度的执行速度和水闸运行的安全，影响下游的防洪安全。其中机电设备安全性评价为“不满足”安全运行要求，需全部进行拆除和更新[1]。

2 闸门监控系统设计

闸门设计目标是，实现自动化控制，以解放值班、值守人员为顶层设计，并坚持实效性、可靠性、科学性、经济性设计原则。

2.1 系统结构设计

2.1.1 系统监控内容

闸门监控系统通过运用自动控制及计算机网络技术，实现系统自动化控制功能与收集、分析、处理闸门及其关联设备产生的最新数据资料，并建立数据信息资源库，充分发挥系统查询功能的作用。闸门监控系统的建设内容主要包括：闸位计；闸门的现地控制柜（机柜、PLC、触摸屏、继电器、端子及附件）；闸门监控主机；PLC控制软件、触摸屏软件、上位机软件；系统安装及调试[2]。

2.1.2 系统组成与结构

大寿水闸闸门监控系统由监控主机、现地控制柜、传感器、通信设备等组成。闸控系统主要是监视和控制现场闸门，主要功能见图1。

图1 大寿水闸闸门监控系统示意图

（1）监控主机

闸门监控系统的监控主机位于中控室。监控主机具有对系统运作进行全面监控的功能，它是控制计算机以及控制系统测量，实现闸门远程控制，并完成对资料的记录、查询、报表、统计等处理。监控主机采用查询/应答体制，在需要时主动查询各闸门工作情况，在实时测控时监控主机与现地控制柜数据同步，获取现场实时资料，实现对数据的处理统计工作。监控主机可以从水情自动测报系统中获取闸上下游水位，供闸门控制系统使用，可以将闸门状态与操作信息传输至综合数据库，供其它系统使用。远程控制计算机只有通过监控主机才能获取闸门状态，完成闸门控制。

（2）现地控制柜

闸门监控系统现地控制柜共有1个，布置于闸坝启闭房。通过现地控制柜，完成对各闸门控制及闸门开度实时测量。

现地工作站由触摸屏、可编程控制器（PLC）、低压电器、工业机柜等组成。

触摸屏内嵌软件，该软件发出的升、降、停指令，经RS485总线传至控制器上的PLC模块，PLC解释后执行，通过中间继电器控制动力柜中交流接触器，使螺杆或卷扬机械作升、降、停的运动。与此同时，触摸屏内嵌入式软件不断查询对应的闸位传感器，得到当前闸门开度位置，由此便可准确控制闸门开度。

可编程控制器接收来自监控主机和触摸屏的指令，控制闸门的升、降、停的运动。同时，PLC将当前闸位数据传送给监控主机和触摸屏。可编程控制器同时查询限位信号和过载信号，当出现超限或过载时，将发出报警信号，停止闸门升降。

低压电器包括中间继电器、按钮、转换开关、指示灯、断路器、电压表、电流表等，用于实现闸门升、降、停等操作，指示闸门运行状态。

工业机柜将现地主要设备全部集成起来，以体现现场级测控的整体水平。

（3）闸位计

闸位计完成对闸位（闸门开度）的实时测量，数据通过总线传到现地控制柜，供PLC使用。闸位计同时带有闸门限位开关，提供闸门限位信号。闸位计由编码器、表头、转换器、连接齿片、安装支架组成。

2.2 控制模式

（1）控制方案

一般而言，闸门控制系统基于系统运行的控制有三个层次，系统控制与设备的关联性越高，则控制程度越强。控制层次包括手动、集中与远程自动控制。远程自动控制的控制区域监控人员可以通过监控主机上的操控软件实现对闸门的远程控制；集中控制功能针对于现地控制。操作人员在现地控制设备上进行控制性操作，达到控制闸门的效果。在进行集中控制时，需要封锁远程控制功能，提高控制安全率，这不会对信息数据采集造成影响；手动控制一般置于闸门启闭机附近，在开展手动控制工作的同时，能够同时进行对设备数据信息的收集工作。

上述三种控制层级之间的转换需要应用现地控制单元中的切换开关进行。闸门不管被哪一层次控制，监控主机对闸门运行情况均能够进行实时监控。

（2）优先控制

闸门控制分二级控制，最高级为现地控制，第二级是中控室远程监控。优先级控制见图2。

图2 优先级控制图

（3）保护控制

闸门监控系统需要由自身的安全性设计来保证正常运行，闸门监控软件要实现系统自动检测闸门状况、过载、过压、越限等功能。必要时可在控制柜内增加保护设备。

2.3 系统通信

系统采用光纤作为通信媒介，监控主机和现地控制柜通过以太网进行通信。现地控制柜内PLC通过RS-232与触摸屏进行通信。闸位计通过14芯电缆与现地控制柜进行通信。

2.4 系统功能

大寿水闸闸门监控系统主要功能有：自动、实时测量水闸闸门开度；在闸室能够通过现地控制柜按钮手动启闭闸门；在闸室能够通过现地控制柜触摸屏自动启闭闸门；在水闸管理所的中控室能够自动启闭各闸门；闸门自动启闭有预置闸位和预置流量两种方式；根据库水位、闸门开度，计算闸门流量；能够对水位、闸位、流量进行查询、统计；能够绘制水位、闸位、流量历史过程线；能够在触摸屏、监控主机、远程主机上显示闸门状态[1]。

2.5 系统主要设备及软件

闸门监控系统主要提供的基本软件与应用软件有：（1）操作系统：Windows 2008 Server.（2）本地数据库及数据接口：SQL Server 2008。（3）PLC监控软件。（4）触摸屏监控软件。（5）远程监控软件。其中可编程序控制器（PLC）设备包括中央处理器（CPU）、存储器模块、总线通信模块和以太网通信模块、电源以及所需的离散输入/输出（I/O）模块、模拟量输入模块等。大寿水闸闸门监控系统共有1套PLC，对其进行设计需要确保PLC脱离主机系统后，能够对闸门进行监控，当PCL与主机相连后有能够为上位系统管控提供辅助。能够定时或者根据命令要求向主控级系统输入数据信息。当出现故障或者异常情况时，能够快速向主控级进行报告，再根据主控级指示，进行故障解决的执行操作，然后将执行情况等再传输到主控级。

3 结语

基于PLC控制技术对大寿闸门自动化监控系统设计方案的探究，针对性的解决了大寿水闸原闸门不能远程监控及实时监控等问题，有效提高水闸的运行管理效率，实现了闸门的现地及远程自动控制功能。现该系统已顺利完成调试并投入运用，投入运用以来，稳定，可靠，实时性能均有突出表现，满足该水闸安全运行以及“无人值班、少人值守”的需求，对以后类似工程的闸门控制与信息处理自动化工程建设具有重要的推广价值。