浅谈远程控制系统在三汊河河口闸运行管理中的运用

2018-04-17

水利建设与管理 2018年3期

(1.南京市三汊河河口闸管理处，江苏南京　210036；2.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏洪泽　223100)

1　水闸概况

三汊河河口闸位于江苏省南京市外秦淮河入长江口处，是南京市秦淮河环境综合整治工程的重要组成部分，主要功能是非汛期关闸蓄水，抬高武定门至三汊河入江口河段水位，改善城市河道景观；汛期开闸行洪。闸门形式为双孔护镜门，闸门单孔宽40.0m，共2孔。每扇护镜门为半圆拱形，拱内圆半径为21.2m，拱外圆半径为22.8m，半圆形的门叶通过两侧拱脚支撑在中墩和侧墩上。闸门在水平状态时挡水、小门顶过流形成瀑布景观。每扇护镜门的顶部设有6扇可垂直升降的活动小门，用于调节水位。闸门开启时，护镜门以铰轴为圆心向上转动，到达60°时停止并锁定。

每扇护镜门操作采用2台固定卷扬式启闭机，单机功率30kW、电压380V，启闭机分别布置在闸门两侧的排架上，排架上设机房。门顶12扇活动小门的操作采用液压启闭机，单机功率6kW、电压400V，每扇活动小门设2只液压缸和1个油泵站，24只液压缸和12个油泵站分别均匀布置在2扇护镜门圆周上。

工程配备了先进的计算机监控系统，通过计算机控制2扇护镜门和12扇活动小门的操作，同时监视上下游的水位和闸门开度，确保挡水、泄洪功用，并可按预定或按值班人员要求控制河道景观照明，采集、监视电气设备各项参数。整个系统运行安全、稳定、便捷，节省了人力、财力，作为一个创新的工程，为水闸的现代化控制与运行管理提供了较好的参考价值。

2　远程控制系统构架

三汊河河口闸计算机远程控制系统采用分层分布式结构，由主控级和现地单元控制级组成,整个系统的框架结构如下图所示。

三汊河河口闸计算机监控系统架构图

主控级包括互为冗余热备的监控主机、视频监视主机、网络核心交换机、打印机和UPS。监控主机是用来对水闸运行数据的采集查看和对闸门的远程控制，是人机交互的重要组成部分。视频监视主机主要用来对水闸工程现场的视频监视，同时兼具管理处办公区域的安防作用。网络核心交换机用来与现场交换机进行通信，是信号传输的中枢。UPS为控制系统主要组成部件提供后备电源。

现地单元控制级包括PLC柜(含触摸屏)、变频器柜、开度编码器、能耗制动电阻箱、配电柜和光纤以太网交换机等。其中两套PLC协同变频器、开度编码器和能耗制动电阻箱分别控制两台卷扬式启闭机，卷扬式启闭机通过钢丝绳拉动半圆形护镜门两侧的拱脚，实现两扇护镜门的开启和关闭，另外两套PLC分别控制两扇护镜门上的活动小门；最后1套PLC用于景观照明系统的控制及配电系统的重要参数采集监视。现场每个启闭机室内设有一台配电柜，主要用来给现场机电设备供电。变频器主要用来调节卷扬式启闭机电机的转速。开度编码器负责将护镜门的开度数据传输给现地PLC。现地各PLC实现对闸门开度、水位、限位开关、油温、油压、电磁阀位置等数据的采集和处理，接受主控级或现地命令，进行闸门启闭控制、同步调节，以及对所控设备进行故障监测，同时将有关信息实时上送主控级。

3　远程控制系统工作原理

由于每扇护镜门采用两台固定卷扬式启闭机进行启闭，每扇门两台启闭机之间无机械连接，吊点间可能不同步，会产生行程差，容易对闸门结构造成扭曲等危害，因此每扇门两台启闭机需要进行同步控制，从而引入变频器。护镜门PLC的输出端子与变频器多功能端子相连，变频器的多功能端子设置为多道速功能，并设置相应频率。PLC通过输出端子闭合和断开的组合，控制变频器输出不同的频率，根据交流同步电机的转速与频率的关系公式：n=60f/p(n为电机转速；f为电源频率；p为电源磁极对数)[1]可以看出，频率的变化会使电机的转速跟着变化，从而精确控制电机的转速，使两吊点间达到同步。

实际运行控制过程中，管理人员在中央控制室对主控级的监控主机进行操作，监控主机发出的指令通过交换机和光纤通道下达现地PLC柜。现地PLC在接收到指令后，首先会采集开度编码器的即时开度数据，并通过输出端子向变频器传达动作指令，变频器调节电流频率从而控制卷扬式启闭机的转速，使行程差控制在合理范围内(一般不超过2cm)。同时为保障控制系统的安全可靠，在PLC柜上还设有一套现地控制，可以在远程控制失灵的情况下对护镜闸门进行启闭控制。另外，在启闭过程中，为控制电机的平稳运行，避免出现电机加速对工程带来的危害，为每台卷扬式启闭机设置一台能耗制动电阻箱，用于抵消电机多余的动能，在电机同步后尽量保持匀速运转和平稳启停。当护镜门开启到指定角度后，此时门体悬空，为更加安全地保障闸门固定，每台启闭机还设置一套机械锁定装置，通过锁定装置卡住卷扬式启闭机的大齿轮，可以将护镜门非常牢固地锁定在指定角度，也为计算机远程控制的故障检修预留条件。

控制液压启闭机小门的控制原理与上述护镜大闸门控制类似，因为该工程不存在液压启闭机吊点同步的问题，所以略微简单一点。管理人员在中央控制室对主控级监控主机进行操作，监控主机发出的指令通过交换机和光纤通道下达现地小门PLC柜，小门PLC采集液压启闭机传感器的开度等数据，然后经过运算处理后通过输出端给液压启闭机传达动作指令以达到升降的目的。由于液压启闭机是液压升降，中间是活塞杆，不像卷扬式启闭机有齿轮，所以没有机械锁定装置，而是由电磁阀等元器件来固定小门高度，属于全远程控制。

4　远程控制系统应用中的优缺点及建议

三汊河河口闸的远程控制系统已经运行多年，总体上非常可靠，重要的功能基本都能实现。在实际运行过程中，有如下几个优点：ⓐ运行稳定可靠，能在中央控制室精确控制闸门的启闭，并使闸门保持在设定的合理开度上，省去了现场操作的麻烦；ⓑ计算机组态软件上显示的数据准确有效，能实时监测闸门和各电气设备的运行工况，同时历史数据存储也比较完备，方便运行人员的查询和管理；ⓒ视频监控能及时掌握闸门上下游的安全情况，消除了影响闸门正常启闭的安全隐患；ⓓ远程控制与现地控制相结合，有效避免了在远程控制系统故障时无法对闸门进行控制的状况出现，起到双保险的作用。

同时也发现了一些不足之处：ⓐ每次系统断电并恢复供电后，组态软件界面数据有部分显示全部为“*”号，需要点动护镜大闸门才能恢复正常显示,虽不影响大闸门正常启闭，但毕竟还是存在一个小的故障，而液压启闭机小闸门并不存在显示“*”号的问题；ⓑ随着系统的不断扩充，UPS负载过重，导致断电后续航不足半小时，若处理不及时容易造成服务器等设备的损害；ⓒ水位数据在冬天容易出现不正常显示的现象，对液压启闭机小门的调节造成一定影响；ⓓ部分设备老化，动作时出现过失灵。

针对以上几点不足，建议在后期的更新改造中注意以下几点：ⓐ对组态软件和PLC进行升级，解决断电后显示“*”的问题；ⓑ对UPS扩容，受管理处原UPS柜内空间和房间场地的限制，可以在另一个设备间增设UPS柜，从而分流一部分负载、提高续航能力，减少停电对系统的损伤；ⓒ对水位计进行更新，换成更先进的品牌型号，解决低温下显示不正常的问题；ⓓ对老化的设备进行更新换代，保障系统的稳定可靠。