察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)升級改造及功能

李春紅，郭海云，趙廣民

（松遼委察爾森水庫管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400）

察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)始建于2000年，監(jiān)控系統(tǒng)建成以來一直運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了閘門控制自動化，實時信息自動采集、傳輸、處理入庫、動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，提高了察爾森水庫水利設(shè)施的運行管理水平。建成后的閘門基本達(dá)到了少人值守、現(xiàn)場無人值班的要求。

由于閘門計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已運行多年，部分設(shè)備已經(jīng)老化或損壞，無法正常使用。為了不影響汛期閘門的正常防洪使用，察爾森水庫于2010年對閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。此次改造的原則是對原閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)中仍然能正常使用的設(shè)備繼續(xù)保留，避免浪費，改造過程中大量使用當(dāng)今先進(jìn)實用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了對察爾森水庫閘門工況的實時監(jiān)控、監(jiān)測和管理，提高了察爾森水庫水利設(shè)施的運行管理水平。

1 系統(tǒng)改造范圍

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要是針對4孔泄洪閘及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動控制，并對這四孔泄洪閘及附屬相關(guān)設(shè)備實施監(jiān)測，實現(xiàn)閘門的自動化管理。根據(jù)工程范圍及系統(tǒng)達(dá)到的目標(biāo)，察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下兩個部分：

1）閘門監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控對象包括四孔泄洪閘啟閉機(jī)、閘門潤滑水泵等設(shè)備。系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中自動控制由一套工控機(jī)和一套集控LCU組成，現(xiàn)地級控制由4孔泄洪閘的四套現(xiàn)地手動箱和現(xiàn)場的閘位傳感器、限位開關(guān)等設(shè)備組成；集中控制級由集中LCU機(jī)柜內(nèi)的PLC模塊、觸摸屏、繼電器等設(shè)備組成；中心控制級由中心控制室的監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備組成。

2）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部分以設(shè)置在中心控制室的以太網(wǎng)交換機(jī)為中心，將整個系統(tǒng)聯(lián)成一個綜合的局域網(wǎng)，并在中心配置了服務(wù)器，使得閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的信息能被及時地發(fā)布和訪問，并應(yīng)充分考慮以后的擴(kuò)展能力。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用三層開放分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由中心控制層、集中控制層、現(xiàn)地控制層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等四部分組成。

1.2.1 中心控制層

中心控制層設(shè)備布置于察爾森水庫監(jiān)控系統(tǒng)控制中心機(jī)房。為了提高察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)集中監(jiān)控的高可靠性，在集中控制層設(shè)置了一臺工業(yè)級監(jiān)控主機(jī)，承擔(dān)對察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)4孔閘門啟閉機(jī)現(xiàn)地設(shè)備的集中監(jiān)控。同時，在中心控制層還配置了服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)、以及其它相關(guān)設(shè)備等。

1.2.2 集中控制層

集中控制層設(shè)置在水庫值班室內(nèi)，在集中控制層布置一臺集控LCU機(jī)柜，LCU機(jī)柜內(nèi)安裝有PLC模塊、觸摸屏、繼電器等設(shè)備，LCU機(jī)柜上設(shè)有“現(xiàn)地／遠(yuǎn)方”的控制方式選擇，可以實現(xiàn)在中心控制室、集控LCU機(jī)柜和現(xiàn)地等多種方式啟閉四孔泄洪閘門及其相關(guān)設(shè)備。

1.2.3 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層設(shè)置在啟閉機(jī)房內(nèi)，由4套閘門現(xiàn)地控制箱構(gòu)成。4套閘門現(xiàn)地監(jiān)控箱分別布置在每臺啟閉機(jī)旁。因為之前4套閘門現(xiàn)地控制箱均能正常使用，所以此次升級改造并未改造。

1.2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及連接

集中控制層和中心控制層之間的網(wǎng)絡(luò)采用光纖通信方式，由于之前建的光纜仍然可用，因此，此次升級改造并未增加光纜的敷設(shè)，而是用原有的光纜做通信通道。原有的光纜是從水庫值班室的LCU機(jī)柜鋪設(shè)到原中心控制室的，現(xiàn)在的中心控制室設(shè)置在新建辦公樓三樓，將原有的光纜線路作了調(diào)整，鋪設(shè)至新建辦公樓三樓的中心控制室內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有：監(jiān)控主機(jī)的以太網(wǎng)卡、光端機(jī)、集中控制層的PLC內(nèi)部的以太網(wǎng)通信模塊，以及光纖、超五類雙絞線、輔件等設(shè)備。系統(tǒng)服務(wù)器也接入系統(tǒng)控制中心的以太網(wǎng)交換機(jī)。實現(xiàn)了察爾森水庫閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的閘門實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的通信。

2 系統(tǒng)功能簡介

2.1 系統(tǒng)功能

在監(jiān)控中心設(shè)一套監(jiān)控主機(jī)，安裝的監(jiān)控軟件選用的是在水利電力行業(yè)廣泛應(yīng)用的美國Wonderware公司的INTOUCH 10.5工業(yè)組態(tài)軟件。監(jiān)控主機(jī)主要對閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)計算和處理及各種報表曲線、故障信號的分析處理等。具有畫面顯示、數(shù)據(jù)打印、閘門運行狀態(tài)監(jiān)視和控制功能、發(fā)送操作控制命令、定值切換、設(shè)定及變更工作方式、報警等功能。具體功能如下：

1）自動檢測各孔閘門的開度及運行狀態(tài)信息；2）提供直觀、友好的人機(jī)操作界面；3）具有定高度自動控制和定流量自動調(diào)節(jié)控制功能；4）具有定高度單孔門和四孔門群控功能；5）具有對閘門潤滑水泵等輔助設(shè)備控制的功能；6）具有故障告警和越限告警以及告警自動記錄功能；7）具有通信故障指示功能，提醒操作人員及時查看監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)地監(jiān)控單元；8）PLC的通訊狀態(tài)，便于操作；9）自動操作記錄單門開啟時間、累計時間；10）能夠輸出日報表、月報表、年報表；11）能夠動態(tài)圖形顯示閘門啟閉過程和各類操作；12）能夠建立當(dāng)?shù)貙崟r數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫；13）具有安全等級設(shè)置功能，確保操作控制更加安全；14）具有自檢和系統(tǒng)故障提示功能；15）能夠在服務(wù)器建立綜合數(shù)據(jù)庫，包含閘站自動控制實時信息與歷史數(shù)據(jù)，閘站檢測及水雨情實時信息與歷史數(shù)據(jù)；16）在服務(wù)器安裝WEB綜合信息發(fā)布與查詢軟件，可以在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源進(jìn)行調(diào)試；17）WEB服務(wù)器能夠以主頁的方式向用戶提供信息，采用動態(tài)網(wǎng)頁編程技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)用戶可以通過IE瀏覽器實現(xiàn)靈活的交互。

2.2 集中控制單元功能

1）與上位機(jī)通訊，接收上級開、停機(jī)，工況調(diào)節(jié)等命令；2）根據(jù)上級控制命令，實施閘門自動上升、下降、停止等操作；3）具有對閘門潤滑水泵等輔助設(shè)備控制的功能；4）向上位機(jī)發(fā)送實時運行信息；5）數(shù)據(jù)采集、處理和系統(tǒng)診斷；6）在觸摸屏上可以人工鍵入指令，實施自動開停、調(diào)節(jié)等操作，并顯示閘門運行狀態(tài)各類參數(shù)；7）具有運行狀態(tài)識別，故障多重保護(hù)功能；8）支持硬件熱插拔，具有自檢功能等；9）根據(jù)本系統(tǒng)的特殊性，集中控制單元的PLC在程序編寫上含有保護(hù)功能，使得在監(jiān)控主機(jī)與PLC發(fā)生通訊故障時，現(xiàn)地監(jiān)控單元也不會發(fā)生誤動作，嚴(yán)格避免事故的發(fā)生；10）集中控制單元上設(shè)“現(xiàn)地／遠(yuǎn)程”轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)現(xiàn)場手動和遠(yuǎn)程自動控制的相互閉鎖兩種控制方式之間有嚴(yán)格閉鎖措施，現(xiàn)地手動控制權(quán)最高；11）在PLC發(fā)生故障時，將集中控制單元轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“現(xiàn)地”位置可通過現(xiàn)場手動控制箱，控制閘門的啟閉。

2.3 系統(tǒng)性能

該系統(tǒng)提供的設(shè)備及系統(tǒng)完全滿足可靠性、實時性、可維護(hù)性、安全性、可擴(kuò)性、集成性等要求。

1）可靠性。所有電磁型傳感器和自動化元器件平均無故障工作時間不低于40 000 h，最低無故障工作時間不低于18 000 h，檢修及更換簡便；所有與水相接觸的傳感器和自動化元件平均無故障工作時間不低于20 000 h，最低無故障工作時間不低于8 000 h，檢修及更換方便；監(jiān)控主機(jī)及其部件的平均無故障工作時間不低于25 000 h；現(xiàn)地監(jiān)控單元：MTBF不小于40 000 h。

2）實時性。隨機(jī)信息采樣周期及響應(yīng)時間：電氣模擬量不大于3 s；開關(guān)量分辨率不大于5 ms；控制命令回答響應(yīng)時間不大于3 s；調(diào)節(jié)命令回答響應(yīng)時間不大于5 s；事故信號及報警事件產(chǎn)生到畫面顯示不大于2 s；參數(shù)越限及復(fù)限報警的響應(yīng)時間不大于5 s。

3）可維護(hù)性。監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)具有自動診斷功能，可方便確定故障位置；具有試驗和隔離故障的斷點開關(guān)；互換件及不可互換件的識別標(biāo)記：平均維護(hù)修復(fù)時間不大于4 h；留有一定的易損件、備件、備品，以及必須的檢測工具；用戶在運行現(xiàn)場對系統(tǒng)中各點參數(shù)可設(shè)置和改動，結(jié)構(gòu)上也可通過增加PLC數(shù)量或功能模塊進(jìn)行改動，只須在主機(jī)上作相應(yīng)的連接即可完成系統(tǒng)的增容和新功能的添加。

4）安全性。對監(jiān)控系統(tǒng)的每個功能和動作提供檢查和校核，當(dāng)動作有誤時，能自動終止動作并報警；保證閘門運行的安全性，在監(jiān)控主機(jī)上能實時、方便地查看閘門的運行狀態(tài)和工況；程序中設(shè)計了自鎖和互鎖功能，監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)任何故障時，不會造成設(shè)備誤動作；系統(tǒng)中的功能模塊具有相對的獨立性，一個功能模塊的故障不影響其它功能模塊的功能。

5）可擴(kuò)性。I/0模塊預(yù)留15%以上的備用點；CPU負(fù)載率不大于50%；通道利用率不大于50%。

6）集成性。系統(tǒng)中的功能模塊具有相對的獨立性，一個功能模塊的故障不影響其它功能模塊的功能，但各個功能模塊的設(shè)計均服從系統(tǒng)整體的設(shè)計，保證均有協(xié)調(diào)、暢通的連接接口，使整個系統(tǒng)具有足夠的集成性。

3 結(jié)語

改造后的自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要由閘門監(jiān)控子系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，整個系統(tǒng)采用“開放式分層分布”的星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式。該系統(tǒng)建成后將達(dá)到了如下要求：

1）能實時完整地完成對察爾森水庫四孔泄洪閘門及其輔助設(shè)備的信息采集、處理和存儲，建立完整的數(shù)據(jù)庫。

2）在現(xiàn)地集控LCU機(jī)柜上設(shè)有“現(xiàn)地／遠(yuǎn)方”的控制方式選擇，實現(xiàn)了在中心控制室、集控LCU機(jī)柜和現(xiàn)地等多種方式啟閉4孔泄洪閘門及其相關(guān)設(shè)備。

3）在現(xiàn)地集控LCU機(jī)柜上設(shè)有觸摸屏，可以在中心控制室監(jiān)控主機(jī)和集控LCU機(jī)柜上查看四孔泄洪閘門及其輔助設(shè)備的狀態(tài)、信息等。

4）實現(xiàn)水閘流量的智能化調(diào)度，包括根據(jù)水位、閘門開度、流量公式等進(jìn)行實時調(diào)度管理。

5）實現(xiàn)泄洪閘門所有數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及遠(yuǎn)程調(diào)度等。