长距离输水现地闸站监控系统总体设计及功能

周围，罗俊尧 柳斐

（南水北调中线干线工程建设管理局，北京，100038）

关键词：闸站　监控　设计　功能

1 引言

南水北调中线干线工程南起汉江下游湖北丹江口水库的陶岔引水闸，沿唐白河平原北缘、华北平原西部边缘，跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，直达北京的团城湖和天津市外环河，南水北调中线干线工程是一项跨流域、长距离的特大型调水工程，担负着北京、天津、石家庄、郑州等数十座城市供水的重大任务。中线干线工程全长1431.945km，输水干渠包括总干渠和天津干渠两部分，总干渠长1276.414km。总干渠输水形式以明渠为主，局部布置管涵。渠道运行控制采用节制闸闸前常水位控制方式，可基本自流输水。

2 系统概述

南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策支持系统闸站系统的总体结构是基于分层思想进行设计的，总体上可分为远程闸站监控系统和现地闸站监控系统两层。

现地闸站监控系统每个监控站点配置一台工控机和一套PLC，各监控站点的采集设备，通过各自电缆线连接PLC，PLC和工控机均接入通信机房交换机，构成现地闸站局域网，组成现地闸站监控子系统。现地闸站监控系统的各现地控制单元（LCU）既作为闸站监控系统的现地控制层，向远程闸站监控系统上行发送采集的各种数据和事件信息，接受远程闸站监控系统的下行命令对设备进行监控，又能脱离远程闸站监控系统独立工作。

远程闸站监控系统的各子系统及现地闸站监控系统通过双网方式的监控专网相连，保证数据传输的可靠性、实时性和安全性。

闸站监控系统总体结构如图1所示。

闸站监控系统的组成如图2所示。

图1 闸站监控系统结构

图2 闸站监控系统组成

3 系统结构

每个监控站点配置一台工控机和一套PLC，各监控站点的采集设备，通过各自电缆线连接PLC，PLC和工控机均接入通信机房交换机，构成现地站局域网，组成现地闸站监控子系统。

现地闸站监控子系统结构分为冗余PLC和非冗余PLC两类。冗余PLC结构如图3所示。

非冗余PLC结构如图4所示。

现地站PLC主机和工控机均位于现地闸站的监控室内，它们通过通信机房的交换机接入监控专网。远程I/O模块布置在启闭机室和监控室，每个闸门和降压站配置一套远程I/O模块。PLC主机和降压站远程I/O模块合并组屏。一般水位、流量、温度等公共传感器接入1号闸门的远程I/O模块，对于倒虹吸出口节制闸闸前的水位接入相应闸孔的启闭机远程I/O模块。中心开关站电力监测数据，对于冗余PLC需通过485转以太网模块，接入现地闸站监控系统，对于非冗余PLC，可以直接通过PLC的485端口，接入现地闸站监控系统。

图3 冗余PLC结构

图4 非冗余PLC结构

本系统每站配置一套PLC主控制器，每站各闸门的远程I/O和降压站远程I/O能连接到本站的PLC主控制器。PLC控制柜安装在监控室，现地远程/IO控制柜安装在启闭机室。

4 监控内容

不同类型闸，其监控内容不尽相同，能根据水量调度、生产运行的要求来确定各类闸的监控内容，现地站的监控内容只是所属闸监控内容的合集。

对于一般涵闸，至少包含以下监控内容：闸前水位、闸后水位、流量、闸门启闭状态、开启高度、电流、电压、温湿度、限位保护、荷重保护、相序故障等信息。启动回路如未配相序保护器将无偿配置。

为了保证干渠水位测量的准确、可靠，对于倒虹吸出口节制闸，在节制闸闸前按孔数配置水位计，在节制闸后布置两台水位计。对于倒虹吸出口工作闸在倒虹吸出口工作闸后布置一台水位计。退水闸只测量一个闸上水位，不测闸下水位；分水闸测量一个闸前水位和一个闸后水位；节制闸和分水闸安装流量计测量流量。

对于液压启闭机，其监控内容包括液压系统运行信息。

各类闸（阀）的主要监控内容如下：

（1）公共信息。水位、流量（节制闸和分水闸）等。

（2）液压启闭机。控制方式、油泵状态、闸门状态、油压、油位、纠偏、安全保护、电流、电压和电源故障。

（3）卷扬启闭机或阀门。控制方式、安全保护、闸门状态、电流、电压和电源故障。

（4）中心开关站。35kV部分通过中心开关站的电力监控子站采用通信方式交换信息；0.4kV部分由闸站监控PLC通过I/O接口或数据通信方式直接从设备现场采集。

（5）降压站。35kV部分的信息已通过远方终端模块上送到所属的中心开关站的电力监控子站，该部分信息现地闸站监控系统不再采集；0.4kV部分由闸站监控PLC通过I/O接口或数据通信方式直接从降压变电站设备现场采集。

5 功能设计

系统功能分为工控机监控功能、触摸屏监控功能、PLC监控功能和启闭机现地控制柜监控功能。

5.1 工控机监控功能

工控机监控主要功能包括监测、控制、查询统计、数据存储和管理维护。其功能组成如图5所示。

5.1.1 监测

监测的主要功能包括实时监测、告警、模拟、趋势。

（1）实时监测。实时监测的主要内容分为闸门开启状况、引水信息、动力及环境状况、告警信息和PLC状态五类数据。

（2）告警。告警显示限位保护、荷重保护、相序故障、欠压、过压、控制系统故障、水位超限等各种告警信息；显示闸门启闭、流量变化、温度变化等一些重要事件。

图5 工控机功能组成

显示的数据项包括告警时间、告警名称、告警值、限制值、告警注释和闸站名称。

（3）模拟。模拟主要是进行水位模拟。以闸站示意图为背景，以图形方式显示实时水位，模拟水位变化的动态过程。

（4）趋势。通过时间段的选择，显示本闸站给定时间段的水位、流量、电流、电压等数据的变化曲线。

5.1.2 控制

控制就是向PLC发送控制命令，完成闸门的启闭操作。一般情况下，由于现地站没有水量调度业务，其不会对闸门进行控制。只有在远程监控系统出现故障、网络不通或发生应急情况时，才会使用系统的控制功能。控制可以以人工交互的方式进行，也可以通过读取控制指令序列，来自动向PLC发送控制指令。

闸门控制指令分为两类，即开高限定指令和流量限定指令。

（1）开高限定指令。对所控制闸门进行强制性的闸门启闭，需直接说明要控制闸门的孔号、启/闭以及启闭高度。

（2）流量限定指令。为了满足给定的闸站引水流量，在闸门开度计算模型的支持下，计算出需要启闭的闸门及启闭高度。

5.1.3 查询统计

查询统计的主要功能包括闸站的基本情况查询、最新情况查询、历史数据查询、控制记录查询、统计。

5.1.4 数据存储

将系统采集的数据存储到本地数据库中，以满足本系统查询统计需要，并可作为远程监控系统特征数据存储的备份。系统需要存储的数据主要包括水位、流量、水量、开启孔数、闸门开高、操作用户、操作时间、存储时间、站点等。

数据存储触发机制包括定点存储、启闭变化存储、水位变化存储、流量变化存储和分水存储5种。

（1）定点存储。在规定时刻进行数据存储。

（2）启闭变化存储。当闸门发生启闭操作时进行数据存储。

（3）水位变化存储。当水位变化超过限定值时进行数据存储。

（4）流量变化存储。当流量变化超过限定值时进行数据存储。

（5）分水存储。存储一个完整的分水过程的起始水量。

5.1.5 管理维护

管理维护的主要功能包括用户管理、系统参数管理、代码管理、PLC管理等。

5.2 触摸屏监控功能

触摸屏监控主要功能包括监测和控制。

5.2.1 监测

监测的主要功能包括实时监测和告警。

（1）实时监测。

实时监测的主要内容分为闸门开启状况、引水信息、动力及环境状况、告警信息和PLC状态五类数据。

（2）告警。

显示限位保护、荷重保护、相序故障、欠压、过压、控制系统故障、水位超限等各种告警信息；显示闸门启闭、流量变化、温度变化等一些重要事件。

5.2.2 控制

控制就是向PLC发送控制命令，完成闸门的启闭操作。一般情况下，由于现地站没有水量调度业务，其不会对闸门进行控制。只有在远程监控系统出现故障、网络不通或发生应急情况时，才会使用系统的控制功能。控制以人工交互的方式进行。

5.3 PLC监控功能

PLC作为闸站测控系统的中枢，起着承上启下的作用。PLC系统具有监控数据采集与处理、闸门控制、安全保护、控制切换、网络监测等功能。其功能组成如图6所示。

图6 PLC功能组成

（1）数据采集与处理。

其主要包括水位、流量、水量、闸位、温度、电流、电压以及各种状态值的采集与处理。

（2）控制。

根据各级用户发送的控制指令，实现闸门的自动开启或关闭，并能进行自动闭锁和解锁。

在接受各级用户的控制指令时，如果发生控制冲突，能够判别用户权限高低，执行权限高的用户指令。

（3）安全保护。

其主要包括闸门启闭告警、荷重保护、限位保护、过载保护、闸门升降保护等。

（4）控制切换。

在控制柜上设置远方/现地、自动/手动切换按钮，用来实现远方/现地、自动/手动控制方式的切换。

（5）网络监测。

负责监测PLC到现地交换机之间的网络状况，当发现网络故障时，能够实现冗余PLC的自动切换。

（6）冬季在柴油发电机供电时，启闭闸门需切除节制闸（工作闸）融冰和现地站三级负荷，闸门停止启闭后再投入融冰和三级负荷。

5.4 启闭机启动回路柜与现地远程I/O控制柜集成后能实现的主要功能

以下是各类启闭机控制柜的面板上能实现的主要功能要求：卷扬启闭机、螺杆启闭机、电动蝶阀的升降和停止操作、电动蝶阀开关和停止操作、开度预置、声光报警。

液压启闭机的油泵的启停操作、闸门的升降停操作、进行闸门开度预置、闸门双缸同步纠偏、闸门沉降的自动回升复位。

6 结语

我国闸门控制的自动化技术起步较晚，但是近年来发展较快，自动化在水利行业中的应用不仅节省了人力和物力，而且提高了各管理部门的信息化程度和调度的自动化程度，保证了经济、安全运行，实现了闸门管理的科学化。本系统自动化程度较高，数据采集量大，系统可靠性要求较高，系统达到设计要求，并且运行效果较好。

参考文献

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