民生渠首工程自动化监测及控制系统

晏峻峰

（喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什 844000）

1 概述

民生渠首是叶尔羌河流域重要的控制性枢纽工程，是实现引、排目标的重要控制建筑物。该工程具有规模大、重要设施繁多、管理涉及面广等特点。民生渠首工程共设闸门14孔，其中，泄洪闸门10孔，每孔净宽10 m，进水闸门共4孔，每孔净宽5 m。闸门型式均为平板钢闸门。闸室上布置有工作桥、启闭机闸房、交通桥和检修桥。

2 监控系统功能设计

根据该渠首的性质和作用，本设计系统具有以下功能：

1）数据采集：渠首闸门上、下游水位实时采集;闸门具备监控和常规数据处理功能。

2）闸门启闭机电机正、反转和停机控制。

3）系统具备故障自检功能和水位及闸门超限告警功能。

4）系统具有防雷避雷措施以及系统设备具备一定的抗外部干扰能力。

5）对14孔闸门拉杆和启闭机工作现场进行监视。

6）渠首上、下游1 km范围内实现远方遥控监视。

3 监控系统方案设计

民生渠首闸门监测控制系统中心控制室紧靠进水闸闸房。控制中心完成系统数据采集、处理，集中监视，统一控制调度功能。内设大调度屏，模拟显示系统工程的布局和监视点的工况及实时数据，增加系统调控运行的直观性。

3.1 渠首闸门上、下游水位、流量实时采集

本方案将闸上、下游实时采集设计为独立子系统;采用连续工作方式。在渠首闸门上、下游100～200 m范围内分别安装两台WSH型气介式超声遥测水位计，并在3处进水闸渠道200～300 m范围内分别安装1台LBX-7型浑水流量计。该数据用485通信方式（最大传输距离1 200 m）送系统控制中心水位、流量监测前置机。系统控制中心显示屏实时反映上、下游水位和水位差数据及进水闸流量情况。

3.2 闸门监控子系统

采用1台工业控制计算机加4个现场PLC（可编程控制器）控制单元组成。4个现场PLC控制单元分设在进水闸及泄洪闸闸室内。分别对4孔进水闸门，10孔泄洪闸门进行测量和控制。监测采集的量包括：闸门开度、监控反馈信号、电压监视。

3.3 工业监视

每孔闸门的闸室内装设1台定焦彩色摄像机，监视闸门拉杆和启闭机的工作。另在闸房上层建4个了望台，分别安装1台全方位遥控变焦彩色摄像机，用以监视闸上、下游1 000 m范围及闸区内的情况。配备集彩色摄像、全方位云台、防尘防潮保护罩为一体的可变焦一体化彩色摄像机。通过如上的设备配置，控制室监控中心就能够通过监视器有效的对闸站、及周边地区进行有效的实时监视，了解闸站及周边地区监视范围内动态情况，真正实现集中监控和管理。

所有的视频信号通过国产优质同轴电缆传输至控制中心室。在控制中心室设置：

1）2台8画面分割器。每台画面分割器可同时监视8画面，也可选单幅画面放大显示。用于显示来自前端14路监控点图像的画面，实现14孔闸门现场监视画面一同实时显示。

2）配置一台视频矩阵切换系统。主要用于视频图像的切换和管理。

3）1台长延时录象机即能够对重要的情景进行自动录像。使重要的场景能够进行回放，便于浏览和观看。

4）1台网络交换机使所有与该机连接的计算机均能互相显示，以使整个系统易于管理和控制。

5）数据库服务器;图像控制主机;水位、流量监测前置机;闸门、水情工作站;闸门控制前置机。主要用于对控制信号和视频信号进行显示、管理和控制等，同时内插RS-485卡，使相关的具有RS-485接口的设备都能够连接同一条总线上运行，专门用于图像处理。每台机均内置网卡，使任意1台计算机所显示、控制及管理的信息，在其它计算机上都能显示，以便控制和管理。

6）图像处理卡。内插在图像控制主机内，进行视频信号的处理，既能够视频压缩，又能够解压缩，同时也能够将压缩的视频信号通过WAN/LAN、ISDN、DDN电话线等方式进行传输。

7）大屏幕。主要用来显示渠首上下游水情数据、闸门监控的数据和由摄像头传回的闸门开闭的图像。

8）监视器。专门用来显示摄像头传回的闸门开闭的图像。

9）不间断电源。在停电情况下仍能给比较重要的设备供电。

10）控制台。根据中心设备尺寸和形状定制1台控制台，将监控中心的所有相关设备都安装在控制台里且颜色与所有设备搭配协调，这样监控中心就显得整洁、美观以及具有较高的实用性和较高的可维护性等特点。

4 系统传输

本体统中心站与4个现场监控单元的通信距离在300 m以上，最大通信距离为700 m。而现场施工条件不具备，本系统用485通信方式。每个MODICON TSX COMPACT控制器通过RS-232/485转换器进行数据指令传输。

系统的传输分布于各个摄像点、报警点和监控中心之间，主要完成视频信号、控制信号的传送。

5 系统可靠性设计

5.1 本系统的设备平均无故障工作时间

中心站控制机MTBF＞20 000 h;

现场控制设备MTBF＞40 000 h;

视频监视设备MTBF＞20 000 h。

5.2 可靠性设计

为使系统的可靠性达到设计要求，在系统设计、设备选型、安装、使用维护等方面采取了很多措施。本系统设备绝大多数使用工业级产品。系统主要设备设有备份，发生故障时其修复时间都不会超过2 h。

5.3 防雷安全措施

中心站电源上设置电源避雷器，其接地端与避雷地网良好连接。电源设备具有很强的抗干扰能力。

5.4 除控制软件保障措施外，在闸门运行执行机构中设置完善的闸门继保措施

1）电动机起动装置上安装过流继电器、过压继电器、过热继电器。

2）闸门安装上限行程开关，防止闸门越位造成损坏。

5.5 应急突发事件

为了处置突发事件，在控制中心设置人动急停按钮，可紧急切断闸门的工作电源，防止故障的扩大。

6 软件可靠性设计

6.1 软件可靠性设计

软件分为中心站监控软件和PLC控制软件，PLC控制软件用梯形逻辑图编写，可根据实际情况进行多种连锁，当出现控制闸门不同步、卡滞、自动下落、越速等故障时，均能发出故障告警并立即停机。中心站监控软件当发出闸门启闭命令时，PLC采用多数表决法和数据的合理性判决数据的正确性，并返回中心站得到认可后方可进行闸门的启闭操作。

闸位计的采样采用数字滤波的方式以消除编码器的误码。

系统的操作方式多样，以保证系统的可靠运行。系统具有两种运行方式—手动及自动。操作既可在中心站监控站操作，也可在现场手动操作，当在检修或意外情况下，就可在现场手动操作。

由于控制软件采用可编程序控制器提供的专用梯形逻辑图编写，监控软件用专用组态软件编程，使软件只可能出现容易发现的逻辑错误，不会出现不宜发现的编程错误。由于系统软件用的是专用工具软件编程，不但软件的开发周期大大缩短，而且工具软件各种的可靠性措施能有效地防止由于程序飞掉而造成的死机现象的出现，大大地提高了系统软件的可靠性。

人机界面中文化。人机联系原则，是充分利用了具有被控对象的显示画面、键盘、鼠标及画面对话区提示三者相结合的方式。操作过程有必要的可靠校核及闭锁，对不同的操作管理人员提供不同的安全操作等级和权限。

具有软件、硬件的监控定时器（看门狗）功能。

现场监控单元的控制软件用组态软件编写。现场监控软件按人工指令与自动判断互校的方法设计。电机正反转控制互锁。上电、断电和电机正反转切换均设延时保护;在整个控制过程中对闸门卡滞的监视始终跟随，一旦故障发生就自动停机。

6.2 人机对话

调水人员通过主控计算机的各类画面，监视设备的运行状态，用鼠标或键盘下达控制操作命令，完成闸门监控任务。画面显示清晰，调用速度快。

6.3 系统的可扩性

系统的配制上充分考虑今后的站点扩充、功能增加，便于今后与渠首内其他自动化联网，实现数据共享。

软件设计上充分考虑各类记录报表、显示画面的增减。

6.4 现地监控单元

1）接收上位机调度运行命令，发送现场采集的各类设备运行实时参数与状态信号。

2）根据上位机指令可进行14孔闸门中几孔闸门的群控和单孔闸门控制功能。

6.5 工业监视

本视频监控系统中的应用软件主要用于对系统中的所有监控点摄像机的三可变镜头、云台、8画面分割器、长延时录像机等设备状态实施检测和控制。中文显示，为用户提供了一个方便、友好的操作界面。系统操作和控制主界面就会出现各种图像操作和控制信息，操作用户即可根据自己被设定的权限对图像进行各种操作，包括图像可根据系统预定的时间在设置好的显示终端设备上显示并能进行自动切换，显示不同监控点的图像，同时计算机可对监控点三可变镜头的变焦、聚焦、光圈，全方位云台的上、下、左、右进行远距离控制和操作，且每个全方位摄像点的摄像机可以设定为自动扫描方式，即摄像机通过全方位云台进行上下左右来回扫描，及时掌握各监控点区域范围内的运行情况、图像记录、检索和处理、多画面分割、图像存储与回放等多功能。

7 结束语

闸门控制监测控制系统综合应用传感器技术、通信技术、计算机技术及控制技术，要求系统设备的管理人员应具有一定的专业技术知识。因此建设方为系统管理最少配备以下专业人员：电子专业1名，计算机专业1名，维护操作人员1名。并对系统管理人员进行必要的培训，使他们了解系统的基本原理、设备使用方法和必要的维护技能。系统运行中还须建立科学管理的规章制度。这些措施对保证系统可靠运行是不可缺少的。

[1]王东，潘洪健.节水灌溉自动监控系统在江东灌区的建设及应用[J]. 黑龙江水利科技，2005，33（6）：131.