南盘江上游河道闸门远程控制系统设计

李 蓉

(曲靖市水务局，云南 曲靖 655000)

农业灌溉用水在我国水资源利用中占有很大的比例，因此，在水资源日益短缺的今天，提高农业用水的利用率是非常重要的。随着计算机技术、数字控制技术、网络通讯技术的发展，工业自动化控制系统已进入一个全新的时代。采用新技术、新设备对水利水闸设备进行现代化改造和智能化建设是历史发展的必须趋势。水利现代化和智能化建设是实现资源共享、消除了信息孤岛、减少了数据冗余，提高信息的可靠性和科学性。为正确决策提供了保证，同时也提高了水闸现化化管理水平，提高了水闸的工作效率。

1 基本情况

根据SL 171—96《堤防工程管理设计规范》、SLJ 703—81《水利工程管理单位编制定员试行标准》以及2004年9月8日曲靖市人民政府第26次常务会议通过的《曲靖市南盘江管理办法》，南盘江沾曲段设置有4道节制闸，功能为挡水灌溉、防洪及泄流为主，调节流域内各水库的联合灌溉调度。沾益区、麒麟区河段分别设置河闸管理所，从上游依次为即东风闸、丰收闸、恭家坝闸，下桥闸。工程规模均为中型。具体见表1。

表1 南盘江上游各闸室基本情况

东风闸位于沾益区，控制迳流面积699km2，设计标准为30年一遇，Q设=277m3/s；校核标准为Q校=307m3/s。工程为桥闸结合，水闸3孔，闸底高程1858.00m，安装3道8m×4.7m平板钢闸门(闸底板每孔一块，分为三块)，安装3台型号为QPQ2×40T固定卷扬式启闭机，一机一闸，配套安装3台型号为YZ225m-8，功率各为22kW电动机，总功率66kW；配电设施为单台控制，电源为380V低压电；该闸设计灌溉面积1.12万亩。 丰收闸：丰收闸控制迳流面积1016.8km2，设计标准为20年一遇，Q设=271m3/s；校核标准为50年一遇，Q校=391m3/s。工程规模为中型，闸室为桥闸结合的钢筋砼结构，设闸3孔，安装10.0×3.8m露顶式弧形钢闸门3道，安装3台QPJ- 2×16T手电两用卷扬式启闭机，设计流量294.0 m3/s，工程受益18个村委会、灌溉农田4.51万亩。里程42+763.)

恭家坝闸：控制径流面积1477.3km2，设计灌溉面积2.41万亩，设计标准为20年一遇，Q设=348m3/s;设计流量454m3/s，30年一遇水深6.74m，河底高程1852.32m，护砌高度5.1m设计堤高7.5m.里程53+273。安装有三道12×5.5米的弧形门节制闸，以，安装3台型号为PQP2×25T固定双吊点卷扬式启闭机，一机一闸，配套3台型号为JZ242- 8，功率各为16kW电动机，配电设施为单台控制，总功率48kW；电源为10kV，安装一台50KVA变压器；桥3孔，孔口尺寸同水闸，桥长43.4m，宽7.7m，汽10级荷载设计。闸桥结合。

下桥闸：位于麒麟区越州镇控制径流面积为2238.5km2，设计灌溉面积1.72万亩，设计流量595m3/s，30年一遇水深6.26m，河底高程1850.46m，校核标准为50年一遇，Q校=654m3/s。护砌高度4.4m设计堤高7.25m.里程68+550.;工程为桥闸结合，水闸7孔，闸底高程1850.46m，桥2座共7孔，孔口尺寸同对应水闸。其中：大桥共5孔，桥总长48m，宽8m；小桥共2孔，桥总长13m，宽5m。设计荷载均为汽15级。

安装3道8m×5.2m弧形钢闸门，3台固定卷扬式启闭机，启闭机型号无，一机一闸，配套3台型号为JZ21- 6，功率各为5.5kW的电动机，总功率16.5kW；电源为10kV，安装一台50KVA变压器；

2 建设现状及问题

2.1 现状分析

根据南盘江上游段治理保护工作需求，闸门自动控制系统需要实现远程控制南盘江上游东风闸、丰收闸、恭家坝闸、下桥闸升降，功能包括定时升降、手动控制升降、闸门升降量控制等。系统应具有通用性，被控闸门包括平板门、弧型门、液压门或快速门等。远程河道闸门自动控制系统应以安全、稳定、可靠为原则，符合“无人值班，少人值守”的管理理念。满足闸门管理人员及水利部门领导无需亲临现场，在个人工作站上即可查看各闸门及辅助设备状态，全面快速地掌握整个系统的运行工况，以及操控闸门运行，及时有效地做出决策，指导现场工作。

2.2 必要性分析

作为重要的水利工程设施，闸门系统在水资源的合理调度和管理中起着不可代替的作用。闸门承担着区域性的防洪、灌溉、调水、和抗旱减灾，以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用，但同时也加重了闸门的日常管理任务。特别是汛期暴雨期间，道路泥泞，电线中断等事故，此时更是防洪的关键时期，必须保证闸门的合理控制，才能有效的控制洪水。将计算机自动控制系统引入闸门管理工作中，用GPRS网络来实现远程的通讯，不仅能够减轻劳动强度，还能为水闸的稳定可靠运行提供保障，全面提高了水闸的管理效益和管理水平。

远程河道闸门自动控制系统主要用于河道、供水渠的闸门控制，以分散控制与集中控制相结合，采用分层、分布式网络架构，通过数据接口的方式，将现场视频监控、河道数据采集单元、现场地控制单元组成稳定、可靠的实时控制系统，同时集成水位、流量、视频监控数据、闸控数据等，在监控大屏上实时展示。闸门管理人员及水利部门领导在中控室或远程指挥室内，配合河道、视频监控及实时闸门升降等相关数据即可完成对现场所有闸门的控制。此外，除了闸门实时控制外，系统具有定时控制功能，可对闸门进行智能化定时控制。使系统最终达到“无人值守、统一调度”的目标。

3 闸门远程控制系统设计

3.1 系统原理

本文论述的闸门远程控制系统是在嵌入式系统的基础上，利用先进的自动化检测技术、计算机技术以及网络通信技术，对远程闸门群进行准确、可靠的集中测量和控制。通过网络的便利，在中心监控站建立现场闸控站设备、水情等情况的实时和历史数据库，以供水利部门、流域机构等相关部门进行水情监督和数据统计分析，为水资源的管理、水利工程的实施和防汛抗旱等工作提供实用可靠的信息。功能模块化，网络互联化是新一代闸门远程监控系统的特征和趋势。通过对自动化技术、嵌入式技术和网络通信技术的综合使用，可以达到：

(1)提高设备运行的安全性、可靠性和稳定性，对闸门系统的运行状态和现场设备的工作状态进行实时监测，在异常情况发生时能够及时处理;

(2)系统在硬件设计时留有一定的余地，使系统具有良好的可扩展性;

(3)能够实现数据信 息的自动采集和传输，并将采集到的数据和信息存储到中心监控站的数据库中，以便于进行数据分析;

(4)通过 GPRS无线通信网络，实现闸门控制系统的远程监控。

整个闸门控制系统的包括3个部分:现场仪表设备、现地测控单元RTU和GPRS数据传输。各个部分分工明确，现场仪表设备主要包括各智能传感器、电源、电机等，主要负责现场控制和数据的采集，并将采集的数据输入至RTU，RTU则存储当前数据信息，在接收中心站命令之后，根据命令信息，控制现场设备或者传输现场信息至中心站。在整个系统的实现过程中，RTU起着关键性作用，其承载着现场仪表和中心站之间的数据通信，因此，RTU的正常运行是整个系统良好运转的基础。同时，GPRS数据传输保证数据以及指令的准确传达，也是系统实现的重要保障。现场闸控站原理图如图1所示。

图1 闸控站原理图

3.2 功能特点

(1)闸门远程控制

基于现地控制设备的通信协议，采用数据接口的形式对河道闸门进行远程控制。同时，集成各类实时监测数据和视频监控，实现对闸门启闭的可视化操控。

(2)闸门运行监测

利用各类金属结构监测传感器以及远程数据通信接口，实现闸门数据的实时采集，包括应力、开合度、启闭高度等。

(3)河道监测

通过布设在河道中的各类监测仪器采集河道水位、流速、流量等数据，并实时展示，帮助闸门操控人员对闸门运行进行决策判断。

(4)视频监控

集成现场闸门监控视频画面，实时掌握闸门运行及河道情况。

3.3 闸门远程控制系统组成

闸门远程控制系统主要由现地控制层、数据传输层和远程监控层三部分组成。现地控制层主要包括:现场测控单元RTU、传感器(水位计、闸位计)、LCD显示;数据传输层则由GPRS通信网络实现，主要完成RTU与中心站的数据交换;远程监控层主要包括:中心监测站监控主机以及监管手机等，负责接收发送数据和指令。后，通过采集闸位计、水位计、按钮信号等当前信息，再按命令目标，发出控制信号或数据传送信号，实现实时监视、远程控制、现地控制、手动操作以及报警等功能。

RTU 功能:RTU接收到由分中心站发来的远程命令或现场操作命令后，通过采集闸位计、水位计、按钮信号等当前信息，再按命令目标，发出控制信号或数据传送信号，实现实时监视、远程控制、现地控制、手动操作以及报警等功能。

数据远程传输系统:主要用于现地RTU与中心监控站之间的数据通信。在本系统设计中，现地RTU将采集到的数据通过GPRS方式发送到中心监控站，同时将中心监控站发出的控制指令发送到现地RTU，达到远程测控目的。管理人员可在通过现场的LCD显示以及中心站的界面显示来观察现场数据情况。

中心监控站负责接收数据以及发送指令。

基于ARM处理器的RTU的软硬件设计，以及GPRS数据传输的实现。根据系统应用需求，完成现地数据采集和控制任务，并实现故障诊断和控制保护等功能;利用GPRS 无线通信网络，通过GPRS与中心监控站联系，实现中心监控站的远程控制以及中心站与RTU的数据交换;软硬件低功耗的研究。

3.4 业务架构

南盘江上游河道闸门远程控制系统总体架构分数据采集、数据管理与分析、应用服务三个层次，最终达到闸门数据的自动化采集、闸门所处水道数据采集、闸门数据的统一管理与分析、闸门远程控制及监控，如图2所示。最终为曲靖市“数字水利”顺利运行提供相关水资源调度和监测支撑。

图2 业务框架图

其中，数据采集包含仪器采集和人工采集，涵盖水位数据、流量数据、闸门监测数据、视频数据等，依托于“数字水利”平台的水利大数据体系完成；数据管理与分析分为依托于“数字水利”平台的水利大数据体系对系统所收集数据进行管理，同时在“水利大脑”智慧应用支撑体系的基础上完成相关数据的分析运算；应用服务包括闸门远程控制、闸门运行监测、闸门所处水道水资源监测等。

3.5 系统架构

基于数字黄登的库坝管控系统分为基础设施层(数据采集)、数据库、应用支撑层和应用层，如图3所示。

图3 系统架构图

4 功能实现

4.1 综合信息监控展示

综合信息展示是为把握全局的决策者与管理者服务的[3]。前期的数据采集、存储、分析运算等工作，都是看不见摸不着的，而大屏幕可视化是决策者与数据直接对话、完成决策的载体。具有超大画面、视网膜级的高分辨率、强大的大屏多屏操作模式等优势，让大屏交互更轻松。大屏幕显示系统已经成为信息可视化不可或缺的核心基础系统。

基于实时数据和视频的综合信息展示集成监控数据，监测数据以及其他业务数据于一屏，为闸门操作人员、管理者与决策者提供全方位的大数据动态集成展示。

综合信息监控展示通过大屏集中展示闸门地控现场实时传感器和视频监控的数据，直观的观测闸门在运行过程中的各项数据。同时利用高速计算设备和先进的预警算法，可实时计算出闸门运行安全阈值数据，并对危险数据进行预警。

4.2 闸门控制模块

闸门控制模块可远程操控闸门启闭机启停，分为上位机层和现地控制层[1- 2]。如图4所示。

图4 闸门控制模块架构

上位机层：通过控制程序和API接口集成现地控制层的地控单元，实现对所有现地控制单元的集中控制与监视，提供系统的宏观控制，协调各闸门的运行、处理局部发生的事故和紧急状况，维护系统的整体协调。

现地控制层：由分布于各个闸门控制室已有的现地控制单元(LCU)组成。现地控制单元由可编程控制器、闸门测控仪、控制电器、逻辑保护电路、操作按钮、状态指示灯、电流电压显示表等组成，成套于各机柜内。各机柜通常安装在闸门启闭机房，直接面向现地设备，控制闸门，油泵，启闭机的动作，采集现地数据，上送集控级，并独立或按照集控级的命令进行系统控制和监视。

4.3 闸门运行监测

该模块主要对闸门运行的各项监测数据进行管理，包括应力监测、开合度监测、闸门状态监测、闸门荷重监测数据等，在“数字水利”平台的水利大数据体系的支撑下，实现这类历史闸门运行数据管理、预警及报警数据管理、操作记录管理、图表展示和统计报表生成。

4.4 河道监测

该功能的监测对象为处于河道闸门前后方的水位、流速、流量数据，实时监控闸门启闭前后的数据变化情况。并可在曲靖“数字水利”水利大数据以及“水利大脑”智慧应用支撑体系的支持下，通过分析监测数据，实时判断闸门启闭操作和运行过程的影响程度，同时发出预警预报，生成辅助决策。

4.5 视频监测

通过用户端和浏览器针对所辖区域内任一摄像机的实时视频进行查看，用户可利用区域、专题、异常告警、责任辖区等多种筛选条件，在同一屏幕上同时调阅多个视频影像，或是针对单一视频影像进行全屏幕播放，包含河道、闸门、地控室等。另外，如用户欲了解某一区域内实时现场情况，可利用地图查看视频位置，并自行选择愈查看之实时影像，实现全方位、多视角、无盲区、全天候式监控。视频监控界面，主要实现对闸门所处河道监控、特殊点位监控等，包含云台控制，摄像头列表，包含回放，暂停监控，开始录像，拍摄照片等功能。

5 结语

通过该系统，汇集闸门运行监测数据、河道监测数据、视频监测数据、闸门控制信息等河道闸门操作运行关键数据。实现了水利信息化和自动化在运维期智能化管控的延伸，进一步提升水利行业日常管控工作效率和管理决策水平，为水利调度长周期稳定运行奠定基础。为水资源的合现调度提供数据基础。