曹娥江大闸闸门计算机监控系统设计

皇甫能达

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002)

0 引言

随着技术的发展，计算机技术在水利项目中的应用范围愈来愈广泛，基本成熟，与常规设备相比，计算机应用设备在运行方面显得更为先进和可靠，操作更为简便、快速，在安全生产、经济运行方面，具有常规设备不可比拟的优越性.是企业推进减员增效，提高经济效益，建立现代化管理模式的必由之路［1］.本文主要针对大闸计算机监控系统的配置、应用、功能和特点等进行分析，为国内同类项目建设提供参考借鉴.

1 工程概况

曹娥江大闸枢纽主要由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤、鱼道以及管理区等组成.挡潮泄洪闸总净宽560 m，共设28孔，闸孔净宽为20.0 m.整个大闸共分为六厢，分别有5孔、5孔、4孔、4孔、5孔、5孔闸门.挡潮闸每孔闸设一扇工作闸门，闸门孔口尺寸为20.0 m×4.5 m(宽×高)，闸门采用液压启闭机启闭，启闭机型号QPPYⅡ-2×1 600 kN-5.0 m，启闭速度0.6 m/min.采用活塞式机型，悬挂布置.长约500 m的两条鱼道分别布置在大闸左侧堤防和右侧导流堤上.鱼道为开敞式矩形槽结构，净宽2.0 m，在鱼道下游设控制闸门，利用闸门和胸墙挡钱塘江潮水，闸门为钢结构，通过液压式启闭机启闭，启闭机型号QPPYⅡ-400/50 kN-4.5 m，共配置两台，其中一台备用1)皇甫能达.曹娥江大闸枢纽工程计算机监控系统专题报告［R］.杭州:浙江省水利水电勘测设计院，2005..

为防止淤泥和干燥对启门的不利影响，保证闸门的正常开启，设置冲淤设备和水润滑系统，以便在启门前清除闸下淤泥和润滑闸门两边1).

2 大闸计算机监控系统设计原则

(1)大闸监控系统采用计算机监控为主，简易常规设备控制为辅的监控方式.通过计算机监控系统与各设备的协调配合，整个监控系统建成后大闸实行“无人值班、少人值守”［2］.

(2)系统高度可靠，系统的平均故障间隔时间(MTBF)、平均维修时间(MTTR)及各项可用性指标均达到相关的规定.

(3)在保证整个系统可靠性、实用性和实时性的前提下，体现先进性，系统配置和设备选型符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，系统达到目前国内先进水平.

(4)开放性好，采用全分布开放式系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护用户的投资.软件模块化，结构化的设计，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充.

(5)实时性好，抗干扰能力强.系统采取有效的抗干扰措施，具有较强的抗雷击、电磁、静电感应等各种干扰的能力，能确保系统在现场环境下安全、可靠、正确地运行.

(6)维护、操作方便，使用成本低，人机界面好.

(7)系统标准化好，硬件软件均按标准设计、开发.

(8)大闸计算机系统与调度中心之间，可实现数据交换功能.并具有与大闸图像监视系统联网进行视频联动的功能.

3 大闸计算机监控系统结构及配置

大闸计算机监控系统监控对象包括:28孔挡潮泄洪工作闸门(含液压泵站)、2孔鱼道工作闸门(含液压泵站)、7座冲淤泵站、56只冲淤闸阀、7座润滑水泵、2台套泥浆泵、10kV开关站、闸站配电设备、直流系统设备及其附属设备等.

大闸计算机监控系统采用全分布开放式系统，系统从结构上可分为主控制级和大闸现地控制单元级.

主控站设备主要包括:2台套主计算机(兼操作员工作站)、1台套通信工作站、1台套多媒体计算机、2台激光打印机、1套卫星同步时钟系统、网络设备、1台套电子公告系统LED及2套交直流双供不间断电源等设备;大闸现地控制单元级主要包括:28套挡潮泄洪闸门LCU、2套鱼道工作闸门LCU、1套左侧公用LCU和1套右侧公用LCU.大闸控制室主计算机与大闸现场各LCU通过工业级以太网交换机，组成具有自愈功能的光纤冗余环网，通讯介质采用光缆，通讯速率为100 Mbps.大闸计算机监控系统结构见图1.

图1 大闸闸门计算机监控系统结构图

3.1 主控站硬件配置

由于大闸处在特殊地理位置以及其重要地位，监控系统的可靠性和实时性要求高，需选择性能高、运行速度快的计算机.主计算机(兼操作员工作站)，选用美国 Nematron生产的 AE-4UMJ/AEM865-01/AC300工控机;通信工作站，选用美国HP公司XW6200工控机;多媒体计算机选用美国HP公司XW6200;激光打印机选用EPLN2500;卫星同步时钟系统选用北京大恒DH2000e标准卫星时钟同步装置.电子公告系统LED1套，显示尺寸:4 096 mm×2 048 mm;交直流双供不间断电源2套等设备.

3.2 网络设备

网络设备选用德国Hirschmann工业模块化以太网交换机.大闸控制室主计算机与大闸现场各LCU通过工业级以太网交换机，组成具有自愈功能的光纤冗余环网，通讯介质采用光缆，通讯速率为100 Mbps.大闸控制室的主交换机与梯调中心构成1 000 M主干通信网.使用Hirschmann的HIPER-Ring技术和耦合Coupling技术.大闸控制室设1套Hirschmann工业模块化交换机，现地控制单元共设6套Hirschmann工业模块化交换机(每厢LCU柜共用1套).

3.3 现地控制单元(LCU)硬件配置

由于大闸现地LCU台数较多，且使用环境恶劣，故选用的PLC要符合技术先进、安全可靠、经久耐用、经济合理的选型原则.选用的MODICON Tsx系列PLC符合上述要求.同时该PLC系统单元采用小型化紧凑标准模块，所有的I/O模块可以带电热插拔，采用背板总线技术，保证一块模块损坏拔下后PLC总线不中断，整个生产过程不中断工作.当现地LCU与主机系统脱离时，现地LCU柜具有对所控制设备进行必要的监视和控制功能.

28套挡潮泄洪闸门LCU每套共有3块柜组成，其中1块为PLC柜、2块为液压电机启动柜.PLC柜主要配置PLC、触摸显示屏、多功能仪表、防雷系统和交直流双供不间断电源等;液压电机启动柜主要有电机软启动器ATS 48D88Q、电机管理控制器MMC Power交流接触器、热继电器、空气开关、按钮、切换开关和中间继电器等元器件.挡潮泄洪闸LCU结构框图，见图2.挡潮泄洪闸LCU具有必要的监视和控制功能外，还具有特殊的闸门同步功能.

2套鱼道工作闸门LCU每套共由2块柜组成，其中1块为PLC柜、1块为液压电机启动柜.PLC柜主要配置PLC、触摸显示屏、多功能仪表、防雷系统和交直流双供不间断电源等;液压电机启动柜主要有电机管理控制器MMC Power交流接触器、热继电器、空气开关、按钮、切换开关和中间继电器等元器件.

图2 现地控制结构框图(1LCU)

左右公用LCU各由1块柜组成，柜内主要配置PLC、触摸显示屏、多功能仪表、防雷系统和交直流双供不间断电源等，主要用于配电公用设备及直流系统等监控.

4 大闸计算机监控系统功能

(1)数据采集与处理;(2)运行和安全监视;(3)控制与调节;(4)统计与制表;(5)人机接口;(6)画面显示;(7)音响报警及语音提示功能;(8)LED电子公告系统;(9)系统自检和自动重启动;(10)通信功能.

5 大闸计算机监控系统几个特色

5.1 网络配置

网络采用自愈功能的光纤单环网，本系统的设计方案既考虑到整体方案的经济性和实用性，采用4～5个闸门现地控制站点用双绞线连接至一个交换机，又结合自控领域的最新产品和控制理念，选用交换机采用赫斯曼工业以太网交换机系列中的模块化系列MICE2000系列和MICE3000.该系列交换机具有按照需求配置所需端口，采用模块化，能支持热插拔，一个模块的故障不影响到其他模块等优点.从而充分考虑系统标准化、先进性和开放性，同时保障系统的易操作、易维护性.

5.2 闸门同步纠偏功能

挡潮泄洪闸门宽度为20 m，保证双缸同步提升是闸门现地控制系统核心问题，为确保可靠运行在软硬件上提出如下要求:①信号采集装置闸门高度仪设置三套(2用1备)，2套为集成于陶瓷涂层的测量系统，另1套为带SSI接口的绝对式编码器开度仪.②执行装置设置2套，正常运行为比例控制阀，应急运行为单向调速阀和电磁换向阀.③有一个好的控制算法和优化的控制程序.

5.3 防雷接地系统

根据曹娥江大闸所处的地理位置情况，雷电过电压及电磁干扰非常严重，针对闸门监控系统设计了一套完整的防雷保护.主要针对以下四个方面:电源系统引入;信号传输通道引入;地电位反击及因机房屏蔽不良而造成的雷电电磁脉冲的直接影响等［3-4］.

6 结语

闸门控制系统建成投运后，通过了各层次技术和综合验收;从实际运行整体情况来看开放性好、运行稳定、应用简单、易于理解和操作，表现出良好的安全性和可操作性.同时提高了信息的可靠性和科学性.快速方便的信息传递为上级部门正确决策提供了保证，同时也提高了大闸现代化管理水平，提高了工作效率，为水利信息化建设打下了基础.项目获得了2011年全国优秀水利水电工程勘测设计金质奖和2010-2011年度中国建设工程鲁班奖(国家优质工程).

［1］方辉钦，施 冲.现代水电厂计算机监控技术与试验［M］.北京:中国电力出版社.2004.

［2］温 柳，谢亚平，袁文波.黄壁庄水库闸门计算机监控系统［J］.水电厂自动化，2004.

［3］中国机械工业勘察设计协会.GB 50057-2010建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［4］陆宋杰.水电厂闸门现地控制单元防雷设计［C］.全国水电厂自动化技术2011学术交流研讨会论文集.南京:水电厂自动化，2011.