关于中小型水闸远程控制安全措施的探讨

葛海亮，邢述春，卢 兴，陈雨晴，陈顺平

(钛能科技股份有限公司，南京，211800)

0 引言

在党的十八大习近平总书记提出建设美丽中国的伟大目标后，水利部提出了“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利改革发展总基调。全国各地按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，按照“强水利、美生态、富百姓、建队伍、保平安”的总体要求[1－2]，着力补信息化短板，全力推进水利工程泵站、闸站等水利枢纽的自动化、信息化、智能化建设。

在水利工程信息化、智能化建设中，建设工程远程控制中心，配套工程集控管理系统，对水闸等水利工程设备实现集中监视和控制是其中一项重要建设内容。远程控制系统，可以对水闸进行集中监视、集中控制、集中调度、集中管理，可以提高水闸运行管理的效率和效能，提升区域水利工程日常在线化管理和远程调度控制能力。但是，在水闸实现远程控制后，如果水闸安全措施设计不合理，保护功能不完善，会存在着重大的安全隐患，且由于水闸现地无人值班、无人值守，在出现故障、事故后，不能及时干预，时常出现水闸机械、电气等设备的损坏，造成重大的经济损失。

1 远程控制中的安全风险分析

通过对多地水利工程信息化项目水闸远程控制项目的调研以及水闸在远程控制运行中的故障、事故分析，总结了中小型水闸远程控制中的安全风险如下:

1.1 水闸运行中不能按照指令正确停止

水闸在收到远程启闭指令后，如果在启闭运行过程中出现网络断网、通讯中断等故障，水闸控制系统就不能接收远程停止控制指令，就不能按照指令停止，如果此时水闸其他保护措施也失灵，就会出现更为严重的后果。

1.2 水闸运行中有异物卡阻

水闸在运行过程中，可能会出现如木棍、固体垃圾等较大的漂浮物、障碍物卡滞在水闸门槽等升降轨道内，在水闸开启、关闭过程中，会阻碍闸门的正常升降，如不能及时正确感知，及时采取必要的措施，就会造成闸门过载。如果是卷扬机就会造成钢丝绳因过载而拉断；如果是螺杆启闭机，就会造成螺杆弯曲或闸门基座因过载而变形。

1.3 限位传感器失灵

限位传感器失灵是水闸在日常运行过程中常见的故障，限位传感器也是保护水闸的最好一道保险。闸门起升过程中如果限位传感器失灵，会造成超限拉断闸门钢丝绳或闸门冲顶损坏基座；闸门下降过程中如果限位传感器失灵，会造成钢丝绳缠绕，螺杆顶弯等事故。

1.4 闸位仪失灵

闸位仪失灵也是水闸在日常运行过程中常见的故障，闸位仪失灵之后，会造成远程集控系统无法监视闸门开度数据，容易引起误判或引起闸门开关超限。

1.5 电气故障

电气故障也是水闸在日常运行中的常见故障，一般有电压欠压、过压、相序错误、电流过载等。

电压欠压，会引起抱闸力矩不够，卷扬机起升力矩不够。

电压过压，会引起控制仪表设备超压损坏。电源相序错误，会引起开闸与关闸指令与实际运行反向。

电流过载，会导致电机烧坏，严重的甚至会引发火灾。

2 远程控制中的安全措施设计

针对水闸在操作过程中可能出现的故障及非正常运行状态，从现地控制系统的硬件、软件等方面设计水闸的安全防护措施是非常必要的，通过一些安全措施可以尽量避免在远程控制过程中出现的设备损坏，造成不必要的经济损失。

2.1 限位双重保护

闸门的上限位传感器、下限位传感器，系统各设计2套，分上上限开关信号、上限开关信号、下限开关信号、下下限开关信号。闸门正常工作行程设定在上限开关信号、下限开关信号之间，上上限开关信号、下下限开关信号为通容许工作限值。无论是通过自动化系统还是手动电控操作闸门启闭，上升过程只要触发上上限开关信号，上限开关信号系统联锁切断上升动作；下降过程只要触发下下限开关信号，下限开关信号系统联锁切断上升动作。

2.2 闸门卡阻保护

系统设计闸门卡阻保护算法，闸门在运行时，系统按照设定的扫描周期扫描闸门的实时开度，并与上一周期的开度值进行比较，计算出开度差值；如果连续3个扫描周期的开度差值都小于设定值，则系统判定闸门出现卡阻，系统自动联锁停止运行闸门，并发出报警提示运行人员现场检查、排除故障。

闸门卡阻保护设计有投入/退出控制字，可根据实际情况选择投入或退出，特别是在闸位传感器出现故障需要紧急开关水闸时，可以退出该功能，解除保护闭锁，紧急开关水闸。

闸门卡阻保护程序及卡阻保护逻辑如图2所示。

图1 闸门卡阻保护程序及保护逻辑

图2 闸位信号断线检测判断逻辑

2.3 闸位信号断线检测机制

闸门在运行过程中，如出现闸位仪故障、失灵或闸位信号线缆松动导致的闸位信号断线故障时，现地自动控制系统设计有断线监测算法程序，系统自动联锁立即停止闸门运行，并报警提示运行人员现场检查、排除故障。

进行闸位信号模拟量值的判断，如闸位值在正常值范围内，判断正常，将闸位通道值赋值给AI＿Value[]数组，同时将闸位通道品质(一个中间量)置位0；如闸位通道异常，将0赋值给AI＿Value[]数组，同时将通道品质(一个中间量)置位1，用于通道故障报警，并终止闸门控制程序。闸位信号断线检测判断逻辑如图3所示。

2.4 运行超时保护

闸门启闭过程中，设计运行超时保护。水闸在收到启闭指令后，判断至上限、下限或目标开度的行程，根据启闭速度，保护系统自动计算运行时间。水闸运行时保护系统启动计时，当运行时间超过系统计算的最大运行时间时，系统自动停止闸门运行，并发出报警信号，防止由于限位传感器、闸位仪失灵导致的故障。

2.5 启闭机电气量保护

传统常规启闭机的电气保护都是采用热继电器为主，热继电器动作灵敏度低、动作时间长，往往在真的发生水闸卡阻电机堵转时，不能快速切断电机回路，造成闸门冲顶事故。为了启闭机电气量保护有效，在启闭机的电气回路设计电气量采集元件，对启闭机运行时的三相电流、电压进行采集监测，为了躲开电动机的启动电流，启闭机电气量保护设置为二段式。闸门电机启动阶段投入电流高值保护(保护自动退出电流低值保护)，并开始计算电机工作时间t0，如果在启动阶段电流数值大于电流高值保护设定定值，判定闸门故障；如果电机工作时间t0大于电机启动时间定值t1后，自动退出电流高值保护，同时自动投入电流低值保护，如果电机工作电流I不大于低值速断电流定值Il，则闸门进行正常启闭、否则判定闸门故障，系统自动停止闸门运行，并发出报警信号。

3 结语

针对水闸在操作过程中可能出现的故障及非正常运行状态，笔者通过多个工程的总结分析，采用加装双重限位装置、设计闸门卡阻保护、闸位信号断线检测、运行超时保护、电气量保护等措施，实践检验是可行的，对于其他水利工程中小型水闸的类似情况，有参考价值。

当今社会技术发展日新月异，大数据、物联网、5G无线网络、人工智能、信息化等技术突飞猛进，新一代的信息技术正加速与经济社会各领域深入渗透融合。要推进新时代水利现代化发展，必须全方位推进智慧水利建设，提升水安全保障能力，为水利改革发展提供有力支撑[2]。在水利信息化系统设计建设中，特别在“无人值班，无人值守”的水闸，要把安全性放在首位，水闸的安全措施要设计合理、配置齐全、行之有效。在保证安全的前提下，远程控制系统使水闸保持运行在全自动高效安全状态，全面提升水闸运行管理的效率和效能，对改善区域水资源调度模式，具有非常重要的意义。