自动化测控系统在菏泽水闸工程中的运用

周卫国

（菏泽市水利工程管理站 274000）

水闸自动化测控程度是衡量水利工程管理水平的重要标志。目前，菏泽市大中型节制闸都靠人工现场操作，运行维护劳动强度大、人为干扰因素多；数据采集周期长，受人为因素影响误差大，难以全面、及时地了解节制闸运行工况。为解决上述问题，市水利局进行了专题研究，决定立为年度项目研究课题，组建项目研究组，并从2009年6月开始，陆续在市管河道上的杨店、马庄、张衙门、徐寨、于楼、毛张庄6座节制闸上进行了系统安装调试，总投资180余万元。通过实施水闸远程自动化测控可使各级领导和水利工程管理部门随时掌握水闸运行工况，及时了解水情数据，提高水闸运行调度的科学性、合理性，显著提高水利工程管理水平。

1 国内外研究现状

美国以及其他工业发达国家很早就有了水库和电站的大、中型闸门组的自动监测和控制系统，实现了库水位、泵站、电站和引排水枢纽的计算机控制。我国在20世纪80年代初已开始这方面课题的探索和努力，引进并消化吸收了多种运行设备，经过10多年的研制和系统组建、运行，目前技术日臻成熟，初步达到工程实用化，但有些环节与功能需要进一步完善和改进。该系统技术与国内同类技术比较情况见右表。

2 测控系统的技术原理

2.1 应用领域

主要用于灌区、水库、水电厂、河道、供水渠等的闸门控制及其他水利工程设施控制。

2.2 技术原理

利用遥测、遥控、数据通讯、微型电子计算机等技术手段来共同完成对目标系统的监测与控制，实现由中心控制站对下属各子站闸门的运行管理（见图1）。被控制的闸门可以是平板门、弧形门或快速门，运动方式可以是卷扬机方式、液压方式或螺杆方式。该系统主要包括：菏泽市水利局水闸测控信息管理系统，杨店、马庄、张衙门等节制闸闸管所水闸自动化测控系统，闸门控制室PLC测控终端，各种传感器、测控模块、无线数据传输设备，以及配套的自动化测控软件等。

菏泽市水闸自动化测控系统与国内同类技术比较表

a.在市水利局建立水闸自动化测控信息管理系统。以现有的水利综合信息化硬件平台为基础，建立水闸自动化测控运行管理信息化软件平台，实现对闸门工况、水情、启闭、故障等的全过程、全状态监测；依靠计算机图形显示功能和数据综合分析功能，建立闸门工况、水情、启闭、故障、管理信息等的图形显示模型和数学模型，实现水闸远程自动化监测及运行管理调度的智能化、自动化、直观化和多媒体化；利用互联网络，使经授权的网上用户自由浏览水闸动、静态图形及数据等信息，显示内容全面、清晰、美观，信息更新周期短。

图1 菏泽市水闸自动化测控系统技术原理

b.在各闸管所建立水闸自动化测控系统，实现对闸门工况、水位、流量、管理信息水情、启闭的全过程、全状态测控，同时通过GPRS网络建立与水利局信息管理中心的“封闭”通讯系统，将闸管所数据上传至水利局信息管理中心，闸管所水闸测控工作站具有清晰、完整的人机界面，并具有历史数据存储分析、语音报警、防盗监控、24h自备电源等功能。闸门控制室设置PLC测控终端，通过光缆与闸管所计算机进行数据通讯，实现计算机数据的采集和计算机的远程控制（见图2）。另外，通过控制柜对闸门进行自动操作，自动操作时通过计算机或显示屏设置控制参数，自动完成闸门启闭的全过程控制。

c.在每孔闸门上安装旋转编码器，实现对闸门开度的实时监测；在卷扬式启闭机钢丝绳上安装旁压式荷重变送器，在螺杆式启闭机底座上安装拉压式荷重传感器，实时监测闸门荷重，避免因闸门卡住造成工程及设备损坏。

图2 菏泽市水闸自动化测控系统功能界面

d.在闸门前后安装超声波液位计，实现对闸前、闸后水位的实时监测。

e.通过PLC数字量输入模块，采集启闭机控制柜内的继电器信号，实现对闸门启闭机运行、停止、故障等状态的实时监测。

f.通过PLC数字量输出模块，控制启闭机的启停回路，实现对闸门启闭机的上升、下降、停止的远程控制。

g.通过计算机通讯网络远程设定闸门的开度值，闸门启闭运行时，到达设定值后自动停止运行。

h.建立闸门前后水位差及开度与过闸流量之间的数学模型，并根据检测到的水位、开度数据计算出闸门的过闸流量。

i.通过实时检测，综合分析闸门启闭过程中闸门荷重、闸门开度、电机电流等信息，智能操作闸门启闭，对故障及时作出准确判断，适时采用必要保护措施并给予报警提示，保证闸门设备的运行安全。

3 测控系统的先进性

该系统建成后，提高了工情数据采集的精度，提高了管理水平和工作效率，改善了运行人员的工作环境。通过信息共享和数据的计算机处理，提高了工情参数的利用深度，降低了供水管理成本，促进了菏泽农村供水管理的现代化，为防洪决策提供了有力的信息支持。既可以实现上下游水位的有线无线遥测，又可以通过以计算机为主体的控制系统实现水闸运行优化调度，保证水利工程安全有效运行，发挥最大效益。

a.该系统采用分散控制、集中管理的控制方式，调度中心设在闸管所的中控室，下层设有PLC测控单元，底层设有闸门开度、荷重、水位、流量等检测仪表，在其生命周期内应能与其主流技术相兼容，测控软件与互联网完全兼容，为网络化远程分布式测控，兼容性、开放性较强。

b.市水利局信息管理中心与闸管所计算机自动化监控系统通过GPRS通讯网络实现数据双向传输，闸管所计算机自动化监控系统与闸门现场测控PLC通过高速工业以太网进行数据双向传输，成功实现信息传输的保密、防干扰、防病毒、防黑客等功能。

c.对过闸流量、下游水位、水闸运行、河道水情等数据进行自动监测、分析、计算、存储、备份并将数据送入数据库，经过处理后输出各种报表和图形曲线，可显示水闸运行的各种实时数据、历史数据、运行动态、操作记录、故障记录、数据资料分析等，计算机屏幕动态模拟显示及水闸状态监控，工情参数、水闸水情、工况信息等在局域网上发布，信息共享。

d.科学应用传感器、电机等检测与执行装置，监测控制精度高。

e.信息收集及时，闸门调度稳定可靠，闸控保护与配电保护设施完善，设计了多等级安全防护措施，对于不同部门的数据管理，设置不同的权限，以避免对数据的非法操作。系统各部件具有自检和联机诊断校验的能力，提供完善的检测维护手段，能准确快速地进行故障检测和维护。故障自动诊断、检测、报警，实现了节制闸螺杆启闭机控制中闸门非正常制动、闸门启闭过程故障自动诊断、闸门意外故障自动保护。为解决螺杆启闭机在启闭过程中，可能因闸门非正常制动造成的螺杆顶弯、机架桥梁顶断等问题，在国内首次采用了螺杆受力自动检测计量设备、启闭机电机电流自动检测设备和综合智能分析技术等，大大提高了水闸控制的安全性、可靠性。

f.系统反应时间短，反应速度快，管理人员能及时准确了解工情、水情、闸情，并迅速作出决策和控制，工作效率高，达到闸门“无人值班（少人值守）”目标。

g.有良好的可操作性，人机交互简明直观，功能实用，操作方便。

4 结语

该系统主要应用于闸门自动控制及用水计量管理，可供各级各地水利工程管理站点、水利工程公司的基层管理人员使用。该成果已非常成熟，拥有充足的技术推广应用人员和完备的技术材料，应用成本较低。近年来国内电力、油气、电信、水处理、公用设施、现代农业等基础能源和新兴产业迅速发展，其规模大、地域分布广，使如何对这些零散分布的设备和设施进行现场数据采集、监督控制、设备联网、数据通讯和资产管理成为一项重要的产业需求。随着传感技术、计算机技术，以及遥测、遥控技术的不断发展，该闸门自动监控系统的应用会更加广泛，为灌区、水库的调水、防汛产生的社会效益和经济效益会更加明显。

螺杆启闭机在关闭过程中，极易造成螺杆压弯，甚至机架桥梁顶裂等严重事故，是自动控制的难点和禁区。杨店、马庄闸自动化改造的成功，标志着水闸自动化控制技术提高到了一个新的高度，不仅为菏泽市水闸改造节省了大量资金，也将为国内外同类水闸自动化改造做出重要贡献。根据设计要求，目前闸门的启、闭控制只限于各闸闸管所，其他没有授予控制权限。如今后有这方面要求，可以打开有关功能。■