察尔森水库闸门自动化监控系统升级改造及功能

2013-03-23李春红郭海云赵广民

东北水利水电 2013年5期

李春红，郭海云，赵广民

（松辽委察尔森水库管理局，内蒙古乌兰浩特 137400）

察尔森水库闸门自动化监控系统始建于2000年，监控系统建成以来一直运行稳定，实现了闸门控制自动化，实时信息自动采集、传输、处理入库、动态监测监控、远程数据传输等功能，提高了察尔森水库水利设施的运行管理水平。建成后的闸门基本达到了少人值守、现场无人值班的要求。

由于闸门计算机监控系统已运行多年，部分设备已经老化或损坏，无法正常使用。为了不影响汛期闸门的正常防洪使用，察尔森水库于2010年对闸门自动化监控系统进行升级改造。此次改造的原则是对原闸门自动化监控系统中仍然能正常使用的设备继续保留，避免浪费，改造过程中大量使用当今先进实用的计算机网络技术、自动化监控监测技术等先进技术，实现了对察尔森水库闸门工况的实时监控、监测和管理，提高了察尔森水库水利设施的运行管理水平。

1 系统改造范围

1.1 系统总体设计

察尔森水库闸门自动化监控系统主要是针对4孔泄洪闸及其相关设备进行自动控制，并对这四孔泄洪闸及附属相关设备实施监测，实现闸门的自动化管理。根据工程范围及系统达到的目标，察尔森水库闸门自动化监控系统可分为以下两个部分：

1）闸门监控系统：监控对象包括四孔泄洪闸启闭机、闸门润滑水泵等设备。系统远程集中自动控制由一套工控机和一套集控LCU组成，现地级控制由4孔泄洪闸的四套现地手动箱和现场的闸位传感器、限位开关等设备组成；集中控制级由集中LCU机柜内的PLC模块、触摸屏、继电器等设备组成；中心控制级由中心控制室的监控主机、服务器等设备组成。

2）计算机网络系统：察尔森水库闸门自动化监控系统网络部分以设置在中心控制室的以太网交换机为中心，将整个系统联成一个综合的局域网，并在中心配置了服务器，使得闸门自动化监控系统的信息能被及时地发布和访问，并应充分考虑以后的扩展能力。

1.2 系统结构设计

察尔森水库闸门自动化监控系统采用三层开放分布式系统结构。系统由中心控制层、集中控制层、现地控制层以及网络设备等四部分组成。

1.2.1 中心控制层

中心控制层设备布置于察尔森水库监控系统控制中心机房。为了提高察尔森水库闸门自动化监控系统集中监控的高可靠性，在集中控制层设置了一台工业级监控主机，承担对察尔森水库闸门自动化监控系统4孔闸门启闭机现地设备的集中监控。同时，在中心控制层还配置了服务器、网络光端机、以及其它相关设备等。

1.2.2 集中控制层

集中控制层设置在水库值班室内，在集中控制层布置一台集控LCU机柜，LCU机柜内安装有PLC模块、触摸屏、继电器等设备，LCU机柜上设有“现地／远方”的控制方式选择，可以实现在中心控制室、集控LCU机柜和现地等多种方式启闭四孔泄洪闸门及其相关设备。

1.2.3 现地控制层

现地控制层设置在启闭机房内，由4套闸门现地控制箱构成。4套闸门现地监控箱分别布置在每台启闭机旁。因为之前4套闸门现地控制箱均能正常使用，所以此次升级改造并未改造。

1.2.4 网络设备及连接

集中控制层和中心控制层之间的网络采用光纤通信方式，由于之前建的光缆仍然可用，因此，此次升级改造并未增加光缆的敷设，而是用原有的光缆做通信通道。原有的光缆是从水库值班室的LCU机柜铺设到原中心控制室的，现在的中心控制室设置在新建办公楼三楼，将原有的光缆线路作了调整，铺设至新建办公楼三楼的中心控制室内。

网络设备主要有：监控主机的以太网卡、光端机、集中控制层的PLC内部的以太网通信模块，以及光纤、超五类双绞线、辅件等设备。系统服务器也接入系统控制中心的以太网交换机。实现了察尔森水库闸门自动化监控系统的闸门实时数据与数据库的通信。

2 系统功能简介

2.1 系统功能

在监控中心设一套监控主机，安装的监控软件选用的是在水利电力行业广泛应用的美国Wonderware公司的INTOUCH 10.5工业组态软件。监控主机主要对闸门自动化监控系统进行管理、数据计算和处理及各种报表曲线、故障信号的分析处理等。具有画面显示、数据打印、闸门运行状态监视和控制功能、发送操作控制命令、定值切换、设定及变更工作方式、报警等功能。具体功能如下：

1）自动检测各孔闸门的开度及运行状态信息；2）提供直观、友好的人机操作界面；3）具有定高度自动控制和定流量自动调节控制功能；4）具有定高度单孔门和四孔门群控功能；5）具有对闸门润滑水泵等辅助设备控制的功能；6）具有故障告警和越限告警以及告警自动记录功能；7）具有通信故障指示功能，提醒操作人员及时查看监控主机与现地监控单元；8）PLC的通讯状态，便于操作；9）自动操作记录单门开启时间、累计时间；10）能够输出日报表、月报表、年报表；11）能够动态图形显示闸门启闭过程和各类操作；12）能够建立当地实时数据库、历史数据库；13）具有安全等级设置功能，确保操作控制更加安全；14）具有自检和系统故障提示功能；15）能够在服务器建立综合数据库，包含闸站自动控制实时信息与历史数据，闸站检测及水雨情实时信息与历史数据；16）在服务器安装WEB综合信息发布与查询软件，可以在服务器数据库为数据源进行调试；17）WEB服务器能够以主页的方式向用户提供信息，采用动态网页编程技术，局域网内用户可以通过IE浏览器实现灵活的交互。

2.2 集中控制单元功能

1）与上位机通讯，接收上级开、停机，工况调节等命令；2）根据上级控制命令，实施闸门自动上升、下降、停止等操作；3）具有对闸门润滑水泵等辅助设备控制的功能；4）向上位机发送实时运行信息；5）数据采集、处理和系统诊断；6）在触摸屏上可以人工键入指令，实施自动开停、调节等操作，并显示闸门运行状态各类参数；7）具有运行状态识别，故障多重保护功能；8）支持硬件热插拔，具有自检功能等；9）根据本系统的特殊性，集中控制单元的PLC在程序编写上含有保护功能，使得在监控主机与PLC发生通讯故障时，现地监控单元也不会发生误动作，严格避免事故的发生；10）集中控制单元上设“现地／远程”转换开关，实现现场手动和远程自动控制的相互闭锁两种控制方式之间有严格闭锁措施，现地手动控制权最高；11）在PLC发生故障时，将集中控制单元转换开关置于“现地”位置可通过现场手动控制箱，控制闸门的启闭。

2.3 系统性能

该系统提供的设备及系统完全满足可靠性、实时性、可维护性、安全性、可扩性、集成性等要求。

1）可靠性。所有电磁型传感器和自动化元器件平均无故障工作时间不低于40 000 h，最低无故障工作时间不低于18 000 h，检修及更换简便；所有与水相接触的传感器和自动化元件平均无故障工作时间不低于20 000 h，最低无故障工作时间不低于8 000 h，检修及更换方便；监控主机及其部件的平均无故障工作时间不低于25 000 h；现地监控单元：MTBF不小于40 000 h。

2）实时性。随机信息采样周期及响应时间：电气模拟量不大于3 s；开关量分辨率不大于5 ms；控制命令回答响应时间不大于3 s；调节命令回答响应时间不大于5 s；事故信号及报警事件产生到画面显示不大于2 s；参数越限及复限报警的响应时间不大于5 s。

3）可维护性。监控系统主机具有自动诊断功能，可方便确定故障位置；具有试验和隔离故障的断点开关；互换件及不可互换件的识别标记：平均维护修复时间不大于4 h；留有一定的易损件、备件、备品，以及必须的检测工具；用户在运行现场对系统中各点参数可设置和改动，结构上也可通过增加PLC数量或功能模块进行改动，只须在主机上作相应的连接即可完成系统的增容和新功能的添加。

4）安全性。对监控系统的每个功能和动作提供检查和校核，当动作有误时，能自动终止动作并报警；保证闸门运行的安全性，在监控主机上能实时、方便地查看闸门的运行状态和工况；程序中设计了自锁和互锁功能，监控系统中出现任何故障时，不会造成设备误动作；系统中的功能模块具有相对的独立性，一个功能模块的故障不影响其它功能模块的功能。

5）可扩性。I/0模块预留15%以上的备用点；CPU负载率不大于50%；通道利用率不大于50%。

6）集成性。系统中的功能模块具有相对的独立性，一个功能模块的故障不影响其它功能模块的功能，但各个功能模块的设计均服从系统整体的设计，保证均有协调、畅通的连接接口，使整个系统具有足够的集成性。