一种大中型水闸智能监控装置的研究及应用

谈 震 ，施 翔 ，王 荣 ，莫兆祥 ，魏 伟

（1. 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏 南京 210029；

2. 江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800；3. 江苏省防汛防旱抢险中心，江苏 南京 210029；

4. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210029）

0 引言

随着计算机技术的快速发展，SCADA、工业以太网、高精度传感器等工业技术的日趋成熟，采用计算机、PLC、网络、智能闸门测控仪（开度仪）、旋转编码器、闸位传感器、水位计、上位机监控软件等多种现代技术，实现闸门智能监控已经成为可能[1]。目前，传统大中型水闸监控方式普遍采用组态软件及 PLC 进行闸门升、降、停的点对点控制，或利用组态软件进行简单的多个闸门联合控制。但这种监控方式存在以下一些问题：

1）由于组态软件及 PLC 种类多，不同类型的软硬件编程方式不同，对管理人员的自动化技术水平要求较高，造成设备运维管理难度加大。

2）水闸的远程控制多依赖于组态软件。当上位机设备出现故障时，水闸的远程控制便无法实现，需运行人员进行现场控制。

3）当工程调度指令下达后，需人工计算闸门开高并校核，闸门需结合计算开高一个个进行升、降、停操作，时间周期较长，运行效率低，未能实现闸门智能控制。

针对这些问题，介绍大中型水闸智能监控装置（以下简称智能监控装置）的开发及优化控制执行闸门自动启闭功能的实现，以达到水闸脱离上位机独立运行的目的。

1 智能监控装置设计

智能监控装置是对传统水闸监控方式的提升，能在水闸总体调度目标要求下，实现多孔闸门的自动化调度控制，提高水闸的调度效率和运用便捷性。

1.1 设计原则

智能监控装置应在水闸工程的总体调度目标要求下遵从“两条曲线”（始流时闸下安全水位-流量和闸门开高-水位-流量2条关系曲线）控制调度原则，确保开闸时的过闸水流和关闸时的水位降落都平稳，避免发生集中、折冲水流，以及回流、漩涡等不良流态，冲毁消力池、底板、海曼等水工设施，及闸门开启高度在发生振动的位置。

1.2 设计方向

智能监控装置力求达到脱离上位机独立运行，实现水闸智能化群控。智能监控装置要能与现场1个或多个闸门现地控制单元（LCU）实现通信，进行数据监测、采集、判断、分析，并通过内置的智能群控调度算法，最终达到根据给定泄水流量，自动计算启闭孔数、单孔流量、开高，完全实现闭环控制的功能，从而减少运行人员参与，实现水闸的“无人值班、少人值守、智能管理”。

1.3 硬件设计

考虑到智能监控装置需暴露在高低温、潮湿、振动、电磁干扰等恶劣工作环境下长时间及不间断地稳定运行，智能监控装置采用坚固的结构设计，适应机架安装，存储采用非机械式的 DOM 电子硬盘，减少机械旋转部件；内部采用无风扇设计，配备 Intel x86 处理器，VGA 接口，4 个千兆以太网口，多个 RS-232/422/485 串口，2 个 PCI 插槽，1 个CF 卡插槽和4个 USB 接口。智能监控装置所有串口具备2kV 光电隔离保护，可以保证在苛刻的工作环境下实现稳定可靠的通信。

1.4 软件设计

智能监控装置软件设计主要从3个技术要求出发：具有成熟的嵌入式软件平台；具有闸门群控的调度控制算法；具有与上位机后台系统及各闸门自动化控制装置之间的多种通信数据接入方式。

基于3个技术要求，智能监控装置采用嵌入式XPE 操作系统作为软件平台，各软件模块基于该平台进行开发。在调度控制算法方面，考虑开高-水位-流量曲线、过闸流量计算公式等多种控制模式，使智能监控装置具有组态配置功能，方便适用不同枢纽场合；在智能监控装置与外部数据交换方面，采用通用 OPC（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control）技术，解决设备驱动程序开发中的异构及现场总线系统中异构网段之间数据交换和不同数据的集成等问题。智能监控装置工作原理图如图1所示。

图1 智能监控装置工作原理图

软件功能主要由以下3组模块实现：1）数据采集和控制模块。负责闸门数据的采集和控制指令下发，采用 OPC 技术，支持各类常用通信协议。2）闸门群控调度模块。负责控制策略的计算和实现，支持配置修改，在不同的项目应用场景中灵活配置闸门的数量、基础参数及群控调度方案。3）人机接口和告警模块。主要实现人机界面显示、操作和告警等功能，支持触摸屏及上位机等多种人机模式。智能监控装置软件设计原理图如图2所示。

图2 智能监控装置软件设计原理图

2 智能监控装置关键技术

在闸门控制领域中，控制系统由分散的子系统构成，并且各子系统往往采用不同厂家的设备和方案。因此，控制系统需要解决分散子系统间的数据共享和统一协调相应控制指令的问题，如考虑到监控系统的升级和调整，各子系统还应具备统一的开放接口。

智能控制装置的软件开发遵循 OPC 规范，OPC是工业控制和生产自动化领域中的硬件和软件之间的标准接口[2]，因显著改善了工业控制多种异构数据源的数据访问性能，现已成为工业界系统互联的缺省方案，为工业监控编程带来便利。OPC 的出现为基于 Windows 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁[3]。OPC 标准以 OLE 技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的 OLE/COM（Component Object Model） 接口完成的，在 OPC 技术中使用的是 OLE2技术，OLE 标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

COM 是所有 OLE 机制的基础。COM 是一种为实现与编程语言无关的对象而制定的标准，将Windows 下的对象定义为独立单元，可不受程序限制地访问这些单元。这种标准可以使2个应用程序通过对象化接口通讯，而不需要知道对方是如何创建的。例如，用户可以使用 C++ 语言创建一个 Windows 对象，支持一个接口，通过该接口，用户可以访问该对象提供的各种功能，用户可以使用Visual Basic，C，Pascal，Smalltalk 或其它语言编写对象访问程序。在 Windows NT4.0 操作系统下，COM 规范扩展到可访问本机以外的其它对象，一个应用程序所使用的对象可分布在网络上，COM 的这个扩展被称为 DCOM（Distributed COM）。

通过 DCOM 技术和 OPC 标准，可以创建一个开放的、可互操作的控制软件。OPC 采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产或第三方厂家，以 OPC 服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性[4]。

OPC 服务器通常支持自定义和自动化2种类型的访问接口，分别为不同的编程语言环境提供访问机制。自定义接口是专门为 C++ 等高级编程语言制定的标准接口；自动化接口通常是为基于脚本编程语言而定义的标准接口，可以使用 Visual Basic，Delphi，PowerBuilder 等编程语言开发 OPC 服务器的客户应用。

3 智能监控装置工程应用

3.1 沙集节制闸工程概况

江苏省沙集闸站位于江苏省睢宁县沙集镇南约2 km 的徐洪河上，下游距洪泽湖 72 km，1993 年竣工投运[5]，为南水北调东线第五梯级抽水站，江水北调徐洪河线第一级抽水站。该工程整体结构采用闸站合一的形式，中间是设计抽水流量为 50 m3/s 的抽水站，两侧布置设计流量为 200 m3/s，校核流量为 400 m3/s 的节制闸，全部工程按1级水工建筑物设计，抗震标准按 9 度地震烈度设防。节制闸共6 孔，每孔净宽 6 m，平面直升钢闸门，采用 2×160 kN 卷扬式启闭机控制。闸站设计水位组合为上游 21.50 m，下游 12.00 m[6]。

沙集节制闸现已安装水闸监控系统。水闸监控系统采用点对点控制方式，不具备群控功能；闸门开高仍需人工计算执行，无法实现智能控制。将设计开发的智能监控装置应用于该工程，为做好新旧系统的衔接，充分考虑与已建闸门计算机监控系统结合，智能监控装置通过配合触摸屏实现脱离上位机独立运行。沙集节制闸闸门监控拓扑结构如图 3所示。

3.2 沙集节制闸控制运用原则

沙集节制闸闸门开启首先要遵守以下2个原则：

1）闸门从中间向两边对称开启，减少水流对两岸的冲刷；

图3 沙集节制闸闸门监控拓扑结构图

2）闸门开高一般 ≥ 0.5 m，防止悬浮状的树枝等杂物卡在闸门板底部，损害闸门门板底部止水橡胶。

在遵守节制闸2个调度原则条件下，结合水闸实际情况，采用表1所示的控制运用顺序调度启闭六孔闸门。

表1 沙集节制闸闸孔开启控制运用顺序表

3.3 沙集节制闸控制曲线

3.3.1 始流时闸下安全水位-流量关系曲线

如果节制闸泄流流量较大，闸门不能一步开启到位，要考虑节制闸的泄流安全，应采取分步开启的办法，参照水闸始流时闸下安全水位-流量关系曲线进行控制。对应上游水位为 20.00 和 21.00 m 的沙集节制闸的安全始流曲线如图4和 5 所示。

3.3.2 闸门开高-水位-流量关系曲线

为避免出闸水流出现不利流态，通过长期测流观察，采用逐步图解法率定出2个流量计算公式。

1）淹没式孔流。计算公式为

图4 沙集节制闸安全始流曲线（上游水位为 20.00 m）

图5 沙集节制闸安全始流曲线（上游水位为 21.00 m）

式中：q为过闸流量；B为闸门开宽（单孔净宽 6 m）；e为闸门开高；ΔZ为上游水位ZU和下游水位ZL之差。淹没式孔流曲线如图 6 所示。

图6 沙集节制闸闸门开高-水位-流量关系曲线（淹没式孔流）

2）自由式孔流。计算公式为式中：Hu 为上游水头，是上游水位ZU和闸底板高程H0（本站为 15.0 m）之差。自由式孔流曲线如图7所示。

图7 沙集节制闸闸门开高-水位-流量关系曲线（自由式孔流）

3.4 智能监控装置的开高计算

首先根据E/Hu和HL/Hu的值利用流态判别曲线判断流态，流态判别曲线选取的临界值对照表如表2 所示，E是开高的估算值，估算如下：

式中：n为开启孔数；HL为下游水头。

表2 E/Hu 和 HL/Hu 流态判别曲线选取的临界值对照表

然后根据流态选用流量计算公式。

1）淹没式孔流。流量计算公式为

公式两边取对数：

根据流量的值和本站的调度方式，指定闸门开宽B的值，观察上下游水位计算出水位差 ΔZ，代入式（6），可以计算出 lge的值，再通过幂函数运算求出闸门开高e的值为 10 lge。

2）自由式孔流。流量计算公式为

公式两边取对数：

根据流量的值和本站的调度方式，指定闸门开宽B的值，观察上下游水位计算出水位差 ΔZ，代入式（9），可以计算出 lge的值，再通过幂函数运算可以求出闸门开高e的值为 10 lge。

3.5 智能监控装置的工作过程

智能监控装置通过网络接口从触摸屏等现地测控单元读取各闸门的开度、上下游水位等实时数据，同时接收人机交互设备下达的目标流量调节指令并开始执行控制流程，达到最终控制目标后，控制流程结束。工作过程如下：

1）确定节制闸泄洪流量。首先根据当前上下游水位查算安全泄洪流量，如果指令流量小于安全流量，按照指令流量开启；如果指令流量大于安全流量，按照安全流量开启。

2）根据泄洪流量计算开高、开宽，交运行人员实时调度。根据泄洪流量按照预先设定的工作经验估算开高，流量 ＜ 100 m3/s，开高为 0.1 m 时， 流量为 4.0 m3/s；流量 ＞ 100 m3/s，开高为 0.1 m 时，流量为 3.5 m3/s。

根据上下游水位和估算开高，按照平底闸流态判别曲线判断流态，根据流态选用公式（1）或（2），用开高计算方法计算出精确的开高、开宽。

3）30 min 后，再次读取上下游水位，查看预先设定的水位变化阈值，如在合理的阈值范围内，根据当前上、下游水位，查算安全流量，重新确定闸门泄洪流量，重新计算、调度；如果水位波动不在阈值范围，继续等待下一个执行周期。如此反复直到闸门泄洪流量达到上级要求为止。

智能监控装置在参与群控调节时也考虑了单个闸门选取、现场设备故障等情况。在参与群控调节前，提供单个闸门是否参与群控的切换软开关；在群控过程中发现异常或故障时，智能监控装置自动判断每次调节是否达到预期阶段目标，在识别到异常后自动终止控制流程并告警，人工确认告警信号后，才能再次进行控制。

4 结语

大中型水闸智能监控装置在沙集节制闸中得到了成功应用，每次启闭均可按照水闸的“两条曲线”控制调度原则完成闸门启闭控制工作，实现了闸门的独立远程智能群控，操作简便，工作效率高，纠错功能强，较以往传统的闸门测控方式更趋于集成化、智能化。

目前，对于有“两条曲线”控制调度原则的水闸工程，无论被控闸门是平板、弧型或升卧式闸门，启闭方式是卷扬式、液压式或螺杆式，都可以参考借鉴智能监控装置实现远程智能监控，进而用于水电厂、水库、河道、供水渠等多种工程环境的闸门控制。同时，智能监控装置正常运行还有利于提高现场传感器的硬件质量和可靠性，如闸位计、旋转编码器、限位开关、通讯线路等。

[1] 王尚宏，张倩. 闸门远程监控技术在工程应用中的研究与探讨[J]. 电子设计工程，2012，20 (7): 94-96.

[2] 日本 OPC 协会. OPC 应用程序入门[M/OL]. 郑立，译.[2017-11-28]. http://ishare.iask.sina.com.cn/f/22419798.html.

[3] 黄会勇，黄伟峰，王汉东，等. OPC 技术及其在南水北调中线工程自动化调度系统中的应用[J]. 南水北调与水利科技，2013，11 (4): 114-118.

[4] 黄茜. 网络通信技术在监控数据采集系统中的应用研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005.

[5] 刘斌，韩英才，魏伟，等. 基于 PLC 的沙集闸自动化远程监控系统设计[J]. 水电与抽水蓄能，2011，35 (1): 76-79.

[6] 王丽，莫兆祥. 沙集泵站增效扩容改造技术方案探讨[J].中国水利，2014 (10): 45-46.