杜家台分洪闸控制系统改造和远程监控设计

黄干祥

杜家台分洪闸控制系统改造和远程监控设计

黄干祥

（湖北省汉江河道管理局杜家台分洪闸管理分局 湖北仙桃 433000）

本文简介了杜家台分洪闸概况；设计了杜家台分洪闸启闭机控制系统技术改造和主体工程的远程监控。

汉江 杜家台分洪闸 控制系统 技术改造 远程监控设计

当今科学技术的飞速发展，社会进入数字化、信息化时代。而利用高新技术辅助防汛人员对上下游水域状况、启闭机工作状况以及涵闸运行环境进行监控，可以大大提高工作效率和管理的自动化水平，方便防汛指挥人员快速做出科学的调度决策。在高新技术数字化发展的今天，“多媒体、数字化、全方位”是杜家台分洪闸工程管理提升其现代化水平的必然趋势。陈旧过时的启闭控制系统严重制约了杜家台闸的工程管理，也为安全运用埋下了许多隐患。因此，杜家台分洪闸启闭机控制系统的技术改造势在必行。

1 工程概况

杜家台分洪闸是长江中下游防洪体系的重要组成部分，也是汉江下游唯一的人工控制运用工程。担负着分泄汉江下游超额洪水，减轻汉江下游的防洪压力，控制汉川和武汉河段的安全泄量，起着非常重要作用。该工程属国家大I型2等水利工程。1956年4月建成，为钢筋混凝土永久性结构，弧形钢质闸门，共30孔，每孔净宽12.1m，高4m，闸室总长411.93m。手摇电动两用式启闭，以电动为主。设计正常分洪流量4000m3/s，校核流量5300m3/s。工程自建成以来，21次安全运用，分泄汉江洪水总量196亿m3，为确保汉江下游防洪安全发挥了巨大的和不可替代的作用。在今后汉江流域的开发利用中，仍将继续发挥作用。

2 控制系统技术改造和远程监控设计

2.1技术改造的设计

2.1.1 保留原有闸门的启闭机械传动部分

根据多年来的实际运行情况，其电机驱动的减速箱及闸门开启和关闭工作机械性能基本可靠，故障率较低，该部分全部保留。

2.1.2 更换原有集控柜装置

由于原集控柜装置工作不可靠，加之线路复杂，无法恢复正常工作状态，故选用现代集中——分散式控制方式取代原来的集中控制方式。采用成熟可靠的工业控制计算机作为主控机，用远程串行方式与各分控制柜PLC进行网联运行，提高可靠性。

2.1.3 增加分控制柜内的控制器

原分控制柜于2013年进行了技术改造，故增选用现代可编程序控制器PLC以及先进的驱动元件组成体积小、动作灵敏、高可靠性的单元，同时增加报警视听指示功能。

2.1.4 改造分洪闸中心控制室

因原中心控制室设备报废，需更换新的控制设备，增加计算机控制系统，大屏幕投影装置，将中心控制计算机上的显示画面投影到大屏幕上。

2.1.5 增加摄像视频系统

原闸区没有视频装置，此次改造中增加摄像视频系统，该视频系统由七个摄像控制装置组成。其控制装置与中心控制计算机相连，能与计算机控制切换七个摄像头的画面。

2.1.6 增加远程监控系统

为使省防指能对闸区的分洪情况进行视频和控制，需将省防指的计算机与闸区中心控制室计算机通过光纤进行联网。一方面闸区的各种信息及摄像画面直接传送到省防指。另一方面，省防指发出的各种指令，闸区中心控制室直接接收，以实现省防指对闸区的指挥。

2.2杜家台分洪闸监控系统的组成及工作过程

杜家台分洪闸监控系统由省防指远程监控子系统、视频监控、闸门启闭机控制三大子系统组成，见图1。其整个系统框图为：

图1 杜家台分洪闸监控系统组成框图

当接到省防指通知后杜家台启动闸门启闭机控制系统，打开视频系统，使整个系统处于待命状态，省防指即可调阅包括各摄像画面和各分控柜参数等信息的WEB页面，直接查看现场洪灾情况和各分控柜状态。若确有分洪必要，省防指可通过WEB服务远程向闸区中心控制系统下达分洪命令和分洪量，闸区中心控制系统根据省防指命令的分洪要求，迅速确定分洪闸开启孔数和分洪闸开启高度，中心控制系统通过主PLC向各分控柜发出指令开启相应孔闸门。

启闭机控制系统接收到命令后，各闸门分控柜开启闸门，并将各闸门的开启高度数迅速反馈到闸区中心控制系统，使得中心控制室的大屏上显示各闸门的工作状态，同时将闸区当前工作状态送到省防指。此后，省防指根据分洪现场的各种情况，随时向闸区中心控制室发出命令，实现省防指对整个分洪过程实现全过程监控，直至分洪完成。

其具体工作流程图如图2所示。

图2 杜家台分洪闸监控系统工作流程图

3 三个子系统的组成及工作原理

3.1远程监控系统

该子系统的功能主要是实现对闸区的所有闸门实现集中控制和管理，同时通过网络与省防指相连接，接收上级的指挥和监控，形成一个完整的指挥控制中心。

3.1.1 硬件组成及工作原理

本系统的硬件包括一台路由器、一台交换机、两台工业控制计算机、一台WEB服务器、一台UPS电源、一台打印机、一台计算机（作监控和投影仪控制用）和一台大屏幕投影仪等。网络设备承担控制计算机与省防指计算机之间的联网；为提高工作的可靠性，由两台工业控制计算机形成主—备份控制，一旦主机出现故障，立即切换到备份机，以保证整个系统的正常运行。大屏幕投影仪是将控制主机的主要信息显示在大屏幕上，以便指挥集体观察分洪状况，进行分析、决策。

分洪进入工作状态后，主控机通过网络接收省防指下达的命令，一旦接收指令后，启动集控系统，在计算机上设置各闸门的开启高度和开启顺序，接着主控机通过接口向PLC发令，指挥闸门按程序工作，并扫描接收各分控闸门的控制柜反馈信息，并将当前的闸门状态、流量、流速以及各摄像头的切换画面投影到大屏幕上，同时将有关信息和画面通过网络传送到省防指，并随时准备接收省防指发来的新命令。为便于资料保存，随时将分洪数据打印备档。

3.1.2 软件组成及功能

整个系统的控制软件采用模块化结构，包括远程集控模块、视频监控模块、日志管理模块和备份模块。其中，远程集控模块和视频监控模块采用B/S结构，日志管理模块和备份采用C/S结构。

3.2视频子系统

视频装置主要用来观察分洪时的现场水情和工作人员情况信息。

杜家台分洪闸共30孔，根据实际情况，视频子系统的监测点设计为7个，这7个点的分布是：闸前水势监测摄像头安装在第15孔处；闸后分洪水情观测摄像头安装在第15孔处；闸门开启状态和闸室水跃监测摄像头安装在第12孔处；启闭机运行状态监测摄像头安装在15孔启闭机房内；启闭机房内整体控制状态监测摄像头分别安装在第1孔和30孔处；集控室状态监测摄像头安装在集控中心室内。

视频装置的组成如图3所示。

图3 视频装置的组成框图

3.3闸门启闭机控制系统组成及工作原理

3.3.1 系统由监控主机、现地监控单元、闸位计及通信设备组成。

系统设10台现地监控单元分别监控30孔分洪道闸门的运行，监控单元与监控主机采用RS-422或RS-485通信接口，采用总线结构。

系统为分层分布式网络结构，分三级控制，即远程计算机监控级/现地单元监控级/手动控制。监控主机为远程计算机监控级，它可由操作员键入操作指令或按编制的运行调度规则自动产生控制指令，再由监控主机将信息传送给各现地监控单元，现地监控单元则根据操作指令，按编制的操作逻辑自动完成全部操作并监控闸门的运行状态。现地监控单元配有集中控制按钮和现地闸位显示，操作员可就地操作完成该单元所辖闸门的控制。在系统出现故障时，现地监控单元可独立完成自动控制任务，个别单元故障不会引起系统故障，大大地提高了系统的可靠性和实用性。

上游水位采用闸前3组水位、闸前4组水位的算术平均值，下游水位采用闸后13组水位，闸后14组水位的算术平均值。以上四处的水位需要建造水位井，安装浮子式水位计，将水位线引进闸门启闭室，由现地监控单元采集其水位值。

闸门启动流程：首先启动润滑电机，当减速箱的齿轮完成喷油后，停止润滑电机，紧接着吸合电磁铁并启动电机，闸门开始上升，高度检测传感器测出闸门的开启高度，并记录到存储器里，以备主控机查询。当闸门升到所要求的高度后，电机停止转动，松开电磁铁，抱刹。当需要关闸门时，重复以上动作，不同的是电机反转。

3.3.2 监控系统功能

（1）监控主机功能

闸门监控主机设置在中心站室内。该主机系统采用工业控制计算机。主要承担对每处闸门的实时控制操作和数据采集，处理和传输等任务。其主要功能如下：

自动检测各扇闸门的开、上下游水位及运行状态信息；

提供直观的操作界面，操作员可方便的实施各扇闸门的启、闭操作；

具有现地控制、远程控制选择，实现自动化调度运行；

具有定闸门高度自动控制和定泄量自动控制功能；

具有故障告警和越限告警以及告警自动记录功能；

具有单扇闸门泄量统计和总泄量统计功能；

自动操作记录和单门开启时间、累计时间统计；

打印日报表、月报表、年报表；

动态图形显示闸门启闭过程和各类操作；

建立本机实时数据库，服务器实时数据库和历史数据库；

提供多级操作员安全等级设置，具有操作员自动登记功能；

具有自检和系统故障提示功能；

提供查询服务；

中文界面。

从系统可靠性考虑，系统同时配备一套相同的闸门监控主机，在网络上备份运行，一旦运行主机出故障，可以人工切换备用主机运行。

（2）现场监控单元功能

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；

根据上位机指令可进行闸门的控制功能。具有安全闭锁功能；

闸门控制高度范围为0～5m；

群控时，根据上位机给定的泄流量，现地监控单元将自动进行顺序开关各闸门至给定位置处；

单门控制时，上位机将闸门运行范围送现地监控单元，现地监控单元根据上位机指令进行单门控制操作；

配有现地操作按钮可脱网独立工作，实现对单门、多门的集中操作；

具有运行状态判别，故障多重保护功能；

对闸门运行中出现的卡滞、飞车和粘连等故障可以自动做出处理并报警；

显示实时运行参数、状态，动态的显示闸位；

具有单元自检功能；

硬件热插拔。

（3）系统可靠性指标

监控主机:MTBF≥40000h。

现地监控单元:MTBF≥40000h。

传感器：≥40000h。

闸位计:触点寿命≥10000000次。

（4）系统实时性指标

开关量巡测周期≤1s。

开关量分辨率: ≤5ms。

人机接口响应时间：调用新画面：≤2s；画面实时数据刷新：≤2s；操作员控制与调节命令发出到控制单元回复: ≤3s；报警事件产生到画面显示：≤2s。

（5）系统可维护性

监控系统主机具有自诊断功能，可自动确定故障位置。

监控现地单元具有自诊断功能，可自动确定故障位置。

通信设备具有自诊断功能，可自动确定故障位置。

PLC可热插拨。

具有试验和隔离故障断点开关。

互换性：所有同型号设备、传感器、PLC均可互换。

平均维护修复时间≤1h。

（6）安全性

电气控制设备具有硬件互锁机构。

控制操作具有软件互锁逻辑，具有闸门卡滞、失速判别与保护。

主控软件具有误操作判别、拒动和提示。

（7）可扩性

I/O模块预留15%的备用点。

CPU负载率≤50%。

4 工程管理运用

启闭机控制系统技术改造实施完成以后，由于计算机系统与分控系统技术含量高，管理要求严，所以操作与监护必须由有实际经验及电脑技术熟练的工程技术人员来担任。且岗位相对稳定，节省人力。启闭控制系统的改造既有恢复、又有保留，对原有的设施不是一概废弃，改造后的控制系统将在原有基础上有很大的改进，可靠性、耐久性大大增强，特别对环境的监测工作以及操作运行的资料收集整理，确保控制系统在良好的环境下运行有极大的提高。

TV736

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1672-2469(2014)06-0076-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.025

黄干祥（1967年—），男，工程师。