闸门远程自动化监控系统的设计探讨

2014-08-28林昭生

科技与创新 2014年12期

林昭生

摘要：闸门远程自动化监控系统是水利工程的重要组成部分，也是确保水库安全运行的基础。结合工作经验，重点围绕系统结构、系统硬件和系统软件等方面探讨闸门远程自动化监控系统的设计工作，以供实践参考。

关键词：闸门；远程监控；系统结构；硬件设施

中图分类号：TV664；TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0008-02

闸门远程自动化监控系统具有功能完整、监测精度高、维护方便、设备简单和性能优越等特点，它改变了传统的单一、集中的监控方式，操作人员只需要通过视频实时监控就能准确掌握现场的水位情况，极大地方便了闸门的日常控制和管理工作。本文从闸门远程自动化监控系统的各个环节进行深入分析，希望进一步提高该系统的可靠性。

1 系统结构

闸门远程控制主要采用PLC集中控制，其主要功能是控制闸门启闭和采集相关的水文信息，以管理单位共同组成的分布式结构的工作方式建立以太网或总线的监控终端，其监控结构如图1所示。

从图1中可以看出，现地控制单元作为最直接的操作控制者，需要采用降级操作。需要保留原有手动操作的是改造项目，

闸门的设计需要结合手动操控，并且针对电气互锁要进行相关的手动或自动操作设计。

2 系统硬件设计的可靠性分析

2.1 供电线路

对于整个控制系统而言，提供安全、稳定的供电线路是整个系统正常运行的基础，由于雷击可能对控制系统造成致命的损伤，所以在对控制系统进行设计时，要对感应雷予以重视，建立接地系统，安装防雷装置，对能进行人工控制的供电系统要进行人工控制，对室外水文数据的通信、采集线路采取保护，而且需要根据实际情况进行多级保护。

为了能够提高供电线路的稳定性，提高电源质量变成了重点项目。在闸门现场的供电中，由于大功率电机工作时会造成电压波动，导致供电不稳定，而且在系统控制中，常有PLC监控直接引用电机电源，或者直接在PLC监控中添加开关进行电源控制的情况，这样会对电网设备用电产生一定影响，并且不能对PLC监控单位的用电起到保障作用。因此，为了能使PLC监控系统的用电与其他用电设备进行用电分离，所以要针对PLC监控运行的具体情况添加稳压滤波装置，为其提供不间断的电源。

2.2 现场环境

现场控制柜的工作环境主要包括机械的运行、温度与湿度、布线等情况。但对不同的设备有不同的要求，对中低压设备和弱电装置要有一定的防护要求，尤其是对设备的温度要有极高

的要求。同时，在闸门的工作环境中，需要针对湿度、温度和季节变化等因素做好防潮、防高温、防低温等措施。

对闸门元件进行安装时，必须要符合闸门设备的安装要求，还要注意安装过程中低压器控制柜元件的安装要求和操作规范，要注意中低压器件、感性元件的消弧、信号线与功率线的隔离、屏蔽以及柜体接地等安装要求。同时，在闸门的现场控制中要采取楼板结构，将控制柜中的元件安装牢固，避免出现因电机振动造成的机械干扰，还必须采取增加减振弹簧、铺设橡胶垫脚等安全措施。控制柜的安全安装能使设备维护、更换变得更有效率，且便于线路的标识、更改。

2.3 采集与控制

通过采用前端模拟采集方法对闸门进行监控，要针对闸门的动力状况、电参数、闸门开合度、周边环境和水位、流量等因素进行监控。然而，针对一般的闸门控制传感器和水位、流量的情况，在采集数据时会产生影响。同时，在对传感器的安装位置选择上除了要考虑防尘、防震、防腐蚀等环境适应能力外，还必须考虑测量精度、量程和输出方式。在对设备进行精度和量度的测量时，还要与传动变比装置结合起来，其一般由轴承和变比齿轮组成，在安装设计时要注意对正机械轴向，安装弹性连轴器，并且结合弹簧的耐疲劳性，选择弹簧的正常工作状态，不断加强传感器的自收功能。

传感器的输送主要是通过电压、电流和总线等方式传输。电压型输出的电压一般在0～5 V，在进行电源的输送过程中容易出现传感器端变送电路的现象，且主要出现在距离电机较远的传感器，这样信号会受到干扰，所以在传感器的电流输出时应采用4～20 mA或0～20 mA的电流模拟电量输出。对于拥有多个闸门、传感器，并且传感器分布较远的水库，全部采用电压或电流输出的方式会造成布线繁杂的问题，换作用总线或远程FO的传输方式为佳。

开关量主要采用按钮进行启闭操作，用于回路工作的控制和电源系统的防护。同时，在开关量中电流的输入主要采取直流的输入方式，并且采用统一的电源，使用外部电源时必须要安装隔离继电器。另外，为了防止部分系统触点抖动，应替换部分机械类开关为非接触式限位开关，而且为了增加保护作用，非接触类开关不能直接进行人工控制回路。

闸门启闭电机的输出来源主要是开关量的输出，并且控制回路的设计简单、便捷，但在设计过程中要注意以下几点：①在PLC输出电器中可分为晶体管、可控硅、继电器等3种，晶体管和可控硅主要用来进行直流和交流负载，但为了减少管理人员的维护难度，可选用继电器的电器PLC输出；②正反转接触器须互锁，为了避免触点粘连导致不能及时进行回路切断，在控制整个回路时应采用两级串联接触器；③接入控制回路必须要起到保护作用，对PLC发出的信号能起到反应和保护作用。

2.4 通信方式

监控系统中的通信方式是运程监控的关键，通信方式的选择不仅会对系统的架构产生影响，还会对系统的稳定性产生影响，在通信方式的选择上有3种比较典型的架构，分别是闸控现场、管理所工作站、远程工作站。为了能够避免雷电等外部因素干扰信号，在传输方式上主要采用有线输送方式，闸控与管理所工作站可同时采用光缆作为传输介质的有线传输方式，可增强通信的可靠性。管理所工作站与远程工作站通信方式有多种，例如无线专网、VPN等，偏僻地区可采用卫星通信。但在广域的通信网络中存在着众多不稳定因素，为了避免因不稳定因素的干扰而出现网络误传、漏传、延迟等现象，在设计过程中要对软件进行多方面的安全防护考虑。

3 可靠性系统软件设计分析

系统软件主要包括现地PLC与上位机程序，现地系统是实现系统监控的关键，要求PLC不仅有很好的监控能力，还可以对相关的数据进行处理，并且在控制的程序逻辑、通信水平上和反馈检测中有很好的控制管理能力。工作人员还应了解和关注上位机程序的等级管理、数据处理和界面设计等。

输入开关量的防抖处理主要通过现地PLC的数据处理来实现，对开关量信号在进行硬件滤波后再进行软件的增加，并且通过现地PLC对模拟量的数字进行过滤。为了防止信号抖动，对模拟量信号进行处理时，可采用连续多次采样取均值的方式。

反馈检测是通过作用于监测对象，对输出信号进行监控的一种实时反映检测。而且通过远程控制能够掌握和控制现地的实际情况。为了更好地对系统进行控制和了解，必须要对输出控制效果进行跟踪、反馈，在闸门开启后，可对接触器、闸门等部件进行检测、判断和保护。

在控制逻辑上，可以设计相关的程序避免出现冲突现象，例如，在反转的互锁、限位，手、自动操作切换，多级闸门的启动顺序等程序上。同时，结合闸门的实际情况和水库的相关要求进行改进，规范启闭动作的规定操作范围。

系统通信主要包括现地总线通信和现地与上位机之间的远程通信，在对现地总线进行设计时可根据现地总线的实际情况适当延长工作站的运行时间，并且对控制动作分优先级，对同一控制对象采用站点集中采集的方式。为了减少通信的次数和数据量，简化上位机的操作步骤，应对系统底层的运算量进行处理，现地与上位机之间的通信往往会产生数据延时与丢失。

在对上位机程序进行设计时，要对监控系统进行分级管理，同时还要明确监控系统的操作权限和优先等级，对日常工作中的数据进行记录，有利于直接反映系统中存在的异常情况，并帮助管理人员判断系统异常的原因。另外，为了保证操作界面的清洁、简便，避免在操作过程中出现操作错误，在对系统操作完成后，退出界面的同时指令会对系统数据进行自动清除，对影响系统运行的界面参数进行单独的放置和处理，并且予以权限管理的方式。

4 结论

在水利工程中，闸门远程自动化监控系统的广泛应用给操作人员的控制和管理带来了便利，提高了工作效率。因此，进一步优化闸门远程自动化监控的工作环节，加强系统的可靠性和稳定性，对我国水利事业的发展具有重要的意义。

参考文献

[1]王力，王兴坡，关林.闸门自动化监控系统在板桥水库中的应用[J].河南水利与南水北调，2012（10）.