北引扩建工程乌北0～11 km自动化设计方案

2013-11-08王越宇

黑龙江水利科技 2013年2期

王越宇，葛新

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163316)

1 北引自动化系统工程现状

北部引嫩工程供水自动监测控制系统经过近10 a的运行，设备老化严重，部分设备已经无法运行。考虑到遥测传感器的使用寿命，本次设计所有遥测传感器全部重新配置。原有的遥测站与分中心采用超短波(VHF)通信方式，由于带宽限制无法在其基础上进行现代水利信息化改造，通信方式需重新设计，采用光纤通信方案［1］。

2 建设目标

建设目标包括5个方面:

1)建设糖厂压力涵监控站。

2)实现糖厂压力涵监控站的视频监视。

3)建设0～11 km光纤通信网。

4)建设糖厂压力涵输电线路。

5)建设渠首站大屏幕系统。

3 建设内容

建设内容包括闸站监控系统、视频监视系统、通信系统、糖厂压力涵输电线路和渠首大屏幕系统。

3.1 闸站监控系统

1)通过网络及PLC控制技术实现对工程范围内2孔闸门的远程监控。

2)实时采集2处重要水位观测点数据。

3.2 视频监控系统

视频监控系统采用先进的第三代视频安防监控技术，将工程监测及安全监测统一设置，利用光缆线路进行数据传输，工程共布置视频监测1点、报警探测器1点、硬盘录像机1个。视频信息采用分散存储策略，存储于总控中心、分控中心的硬盘阵列内，存储时间＞180 d。

3.3 通信系统

1)设置26部IP电话，满足工程范围内管理站的调度及行政电话需求。

2)光缆线路，通信光缆全部采用48芯单模铠装直埋式光缆，光纤型号为G.652。室外光缆敷设的方式为沿渠道的一侧直埋敷设。

3.4 糖厂压力涵输电线路系统

糖厂压力涵从五星管理站的引嫩专用10 kV输电线路T接点至闸上电动机起动开关柜内，总开关进线端为综合自动化系统设备(闸站自动化、视频、通信等)用电设施提供电源。

3.5 渠首站大屏幕系统

设计采用4块独立的55寸液晶拼接单元拼接而成，组合方式为2×2(行列)。为运行人员提供所有监控、监测项目的集中显示、集中控制、调度的环境。

4 设计方案

4.1 闸站监控系统

常用的水位自动测量设备主要有电子水尺、浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计等。在干渠末端、跌水建筑物、较小渠道以及倒虹吸等处设置雷达式水位计，闸站监控系统示意图见图1。

图1 闸站监控系统示意图

4.1.1 闸站控制节点

为达到对闸位站自动监控的功能，布设1处2孔闸门的闸门控制点。监测项目包括:闸门启闭状态、闸门开度、电流、电压、温湿度、限位保护、荷重保护、相序故障等。

4.1.2 系统构成

闸站监控系统采用分层设计，主要有现地控制层(包括:底层、现地智能控制单元)、主控制级层(总控中心)、辅助控制层(分控中心、控制所)组成。底层设备为闸门控制箱、继电器、闸位计、限位开关、荷重保护器等电气元件，布置于各个闸站闸室内或闸门启闭平台上。根据设计原则，底层设备可以实现手动控制闸门的操作。现地智能控制单元的核心部件为可编程序逻辑控制器(PLC)，对所管辖的闸门、传感器等设备运行过程进行测量、控制和保护。

4.1.3 系统功能

闸站监控站功能要求如下:

1)实现实时监视功能，即自动采集闸门开启高度、闸门上下水位和闸门运行状态，通过远程数据通信网发送到控制中心。

2)实现现地控制操作及控制功能，即现场闸门测控站操作员能够通过闸门操作集中控制台上相应按钮或开关，直接通过闸门电气箱控制闸门启闭机运行，并通过人工观测或通过经现场控制单元采集并显示的信息，控制闸门到达所需位置。具有闸门现地控制、远程监控功能。

3)实现数据查询功能，即根据时间、闸门号、操作员等查询历史操作，根据时间、故障内容等查询故障情况，根据时间、闸门号查询该门历史开度、上下游水位。

4)实现报警和紧急处理功能，即在闸门运行过程中通过现场控制单元实时监测设备运行状态，一旦系统发生故障，立即报警并能够及时处理。

4.1.4 设备配置

闸站现地控制单元(LCU)由可编程控制器PLC、触摸屏等组成，完成状态监视、数据采集(闸门开度、闸上闸下水位、流量等)、故障报警、远方控制操作等工作。每个闸门启闭机配置1个现地控制箱，主要由进线断路器、交流接触器、热继电器、多功能电量表、防雷保护器、按钮、指示灯等组成，完成闸门的现地手动操作。

监控站现地设置PLC控制柜1个，内置可编程控制器(CPU冗余)、光端机、避雷器、电源、蓄电池、继电器等元件。PLC控制柜布置于闸门控制室或闸站附近的管理站房内。PLC的CPU模块冗余配置，热备用。PLC通信模块配置双网卡，分别与对应的分控中心闸控交换机(主)和控制所闸控交换机(备)连接，可以实现在主通信通道故障时自动切换到备用通道上。

4.1.4.1 可编程控制器PLC

系统配置1套可编程控制器，布置于涵洞启闭机室、并设置1处PLC远程接口设置于中心站，完成各个闸门的数据采集及设备的控制与调节。

PLC需配置网络远程通讯模块，并配备触摸屏进行显示、控制。

本系统采用CPU单机可编程控制器模块，具体I/O数量配置如下:

涵洞出口PLC远程I/O

开关量输入DI96点配置 128点开关量输出DO 4点配置 8点

4.1.4.2 液晶触摸屏

PLC控制柜配置1台彩色液晶触摸屏作为人机界面。PLC通过液晶触摸屏与控制主机等通过串行通信进行数据交换。在液晶触摸屏上可以完成闸门的各种控制和调节，并显示开度、流量、水位等信息。

液晶触摸屏采用进口的高清晰15液晶显示器，运行人员可以方便地在触摸屏上轻按功能键，完成设备的各种控制操作以及相关数据的显示，监视闸门的运行状态。它应具有高亮度彩色LCD，分辨率高，结构紧凑，安装方便，适合现场环境。

4.1.4.3 电源装置

每个PLC控制柜内配置1套所选PLC所需的供电电源装置，安装在PLC控制柜上。

4.1.4.4 箱体

注:压力涵洞PLC控制柜——机柜同时作为压力涵洞枢纽—中心站光纤数据通道的终端设备，安装一台交换机。

主要性能指标:

配备电源220 V-240 V，50 Hz

工作温度-5℃～+40℃

相对湿度≤85%+30℃时，

大气压力70～106 kPa

柜体尺寸800×600×2 200

4.1.4.5 防雷装置

PLC控制柜内除安装可编程控制器(PLC)及电源装置外，屏内还装有一套防雷装置(电源防雷、室外信号线防雷、室外仪表引入防雷等)。

4.1.4.6 中间继电器

型式为小型电磁继电器，额定参数为:

1)额定工作电压 DC:28 V

2)吸动电压:DC:≤75%

3)释放电压:DC:≥10%

4)功耗:DC:≤0.9 W

5)触电最大容量:5 A 250 VAC

6)电寿命:105

7)机械寿命:107

8)介质耐压:≥1 200 V

9)绝缘电阻:≥100 MΩ，

10)温度范围:-25℃ ～ +55℃

11)装置方式:PC板端子、插座式。

12)PLC控制柜配置12只，其中2只备用。

13)PLC远程I/O配置8只，其中1只备用。

4.1.4.7 控制切换开关

控制切换开关为:PLC远程I/O配置1只。

4.1.4.8 压力涵洞出口PLC远程接口箱技术要求

外形尺寸:高1 600 mm宽600 mm，深500 mm

安装方式:底座式

箱体采用1.5～2.0 mm钢板或敷铝锌板制作，并具有加热及保温装置。

箱体表面采用静电喷涂或烤漆处理。

闸站现地控制单元(闸门监控站)组成结构示意图见图2。

图2 闸站现地控制单元(闸门监控站)组成结构示意图

4.2 视频监控系统

4.2.1 系统简述

视频监视系统主要监视闸门启闭过程、水流状况、渠道水位变化、闸站周围环境以及配电自动化设施安全状况等，适时录像、报警。

本视频监视系统是采用最新的数字视频技术、现场总线技术、网络通信技术建立的一套软硬件相结合、完整的第三代视频安防监控系统，与二代监控系统相比提高了整体性能和反应速度，并能向用户提供全面的增值服务。视频监控原理图见图3。

图3 视频监控原理图

4.2.2 现地闸站

在现地闸站处根据需要设置摄像机及网络硬盘录像机，监视闸门启闭过程、水流状况、渠道水位变化、闸站周围环境以及配电自动化设施安全状况等，适时录像、报警。

4.2.3 管理站

配置有网络硬盘录像机、视频监视器，实现对管理区域内的实时监控。

4.2.4 需求分析

根据工程特性及管理要求，在北引干渠基本实现枢纽工程少人执守、闸站无人值守以及对工程管理设施的安全监控，系统应具备以下功能:

1)设备间安全防卫工作，门禁触发报警、录像。2)闸门自控站视频监控、录像、报警。

3)工程设施的防范，实时监视闸门、倒虹吸等工程设施的工作状况并录像。

4)渠道的实时监视。

5)远端控制中心与闸站现场的语音通讯，遇到情况时能够做到远距离的指挥工作。

6)视频信息要求保存180 d，并具备多种检索、播放条件。

4.2.5 系统构成

系统根据组网方式可分为监控前端、通讯网络、视频工作站(控制所、管理站)3个主要部分。

1)监控前端。摄像机、报警传感器、网络硬盘录像机及监控点其它配套设备为该系统的监控前端。

2)通讯网络。基于光纤网络的图像传输方式，给用户提供高速稳定的网络系统，并方便有效的把各个监控点集合起来。

3)视频工作站。

4.2.6 视频监视系统设备配置

视频监控系统主要包括摄像头、网络硬盘录像机、存储转发服务器、管理服务器、显示器、视频光端机等，见表1。

表1 视频监视系统设备配置表

5 通信系统设计

通信系统的服务具体对象主要有视频监视系统、闸门监控系统以及为管理机构和各闸站提供的行政电话业务及语音调度服务。

5.1 通信方式选择

鉴于本工程业务网络对传输带宽需求较大，因此本工程通信传输系统优先采用光纤通信方式组网。

5.2 调度及行政电话系统

日常工作电话、对外电话等。在企业内网的基础上，采用可以在IP网络上免费传送语音、传真、视频和数据等业务的VoIP技术，实现网内免费通话。本设计在渠首分控中心站设置1台32口语音网关和25部IP电话、在糖厂压力涵设置1台8口语音网关和1部IP电话。

5.3 通信电路建设

光纤是光信号的物理传输媒质，其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离，目前已开发出不同特性的光纤以适应不同的应用。多模光纤传输距离近，单模光纤传输距离远。根据本工程传输距离远的实际情况，选用单模光纤。通信光缆全部采用单模铠装直埋式光缆，以满足规范对防雷的要求。光纤型号为G.652，光缆芯数为48芯。

5.4 光纤通道建设

本工程中信息点均沿渠道成直线型分布，建设光缆数量1条，沿渠道一侧直埋敷设，埋深1.2 m。光缆依次连接各个站点，光缆成端均采用全成端方式。

5.5 通信电源配置

工程所有通信设备全部采用DC—48 V电源供电。1个通信站点设置1套通信用高频开关电源和1个蓄电池组，通信用高频开关电源容量DC48 V/75 A，蓄电池组容量为DC48 V/100 Ah。通信用高频开关电源系统由交流配电单元、直流配电单元、整流模块及监控模块组成。具有双路交流输入，能自动切换，平时经整流模块整流后给直流通信设备供电，同时对蓄电池组浮充电，当交流电源消失后，由蓄电池组直接给直流通信设备供电。