洞涇站節(jié)制閘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)

王毅

（上海市松江區(qū)水務(wù)管理所，上海 201600）

0 引言

洞涇泵站工程位于上海市松江區(qū)境內(nèi)，屬于青松大控制片重要口門之一，位于黃浦江北岸，是青浦、松江兩區(qū)758.23km2連片低洼湖蕩地區(qū)免遭洪澇災(zāi)害的重要工程之一。泵站采用泵＋泵＋間＋泵＋泵結(jié)構(gòu)形式，是一座單向排澇泵站，選用4臺1600QZ7.5-3.15型潛水軸流泵。樞紐平面布置如圖1所示。單泵設(shè)計流量為7.5m3/s，設(shè)計揚(yáng)程3.15m，配套電機(jī)功率400kw，節(jié)制閘采用鋼結(jié)構(gòu)直升門，閘孔凈寬10m，門寬均為9.94m門高5.85m，采用容量均為2＊200kN的倒掛式液壓啟閉機(jī)。進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)檢修閘門，出水流道出口采用浮箱拍門斷流，拍門外側(cè)設(shè)擋潮閘門。排澇泵站結(jié)構(gòu)如圖2所示。泵站其它配套設(shè)備有：進(jìn)水口的回轉(zhuǎn)式清污設(shè)備；檢修閘門與擋潮門的螺桿啟閉機(jī)；10/0.66kV、10/0.4kV輸配電系統(tǒng)；計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。

圖1 節(jié)制閘平面布置示意圖

圖2 排澇泵側(cè)身剖面示意圖

1 自動控制的策略和基本方法

1.1 自動控制實(shí)際應(yīng)用

節(jié)制閘自動控制在具體應(yīng)用中，雖然水位變化有一定規(guī)律，但根據(jù)潮水變化而每日不同，有時來潮不來水，很難算準(zhǔn)固定的時間，使得引排水時間無法精確控制，流量調(diào)節(jié)不及時，將對水工建筑物及河道的安全帶來不利影響。為了保證工程安全高效應(yīng)用，操作室需要固定24小時有人職守，運(yùn)行值班人員需隨時按水位變化情況，查“閘門高度-水位-流量關(guān)系曲線”測算開高，及時調(diào)整閘門高度，以滿足調(diào)度要求[1]。如果能夠通過PLC自動控制系統(tǒng)、CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、結(jié)合手機(jī)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，隨時隨地隨手監(jiān)看CRT顯示器中上、下游液位及歷史趨勢，能大大減輕運(yùn)值人員的勞動強(qiáng)度，提高勞動效率。計算機(jī)監(jiān)控體系可以取代舊時人工操縱和按時巡視、記實(shí)、回饋等繁瑣的勞動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)少人乃至無人值守[2]?；陂l門，排澇泵的控制策略成熟，工藝流程較為簡便，故通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能擺脫傳統(tǒng)的固定端操作，自由度大，可設(shè)置操作權(quán)限，一機(jī)多控，集中控制，遠(yuǎn)程控制需要運(yùn)行人員有較強(qiáng)的責(zé)任心和一定的專業(yè)度。

1.2 自動控制及監(jiān)控系統(tǒng)

1.2.1 自動控制策略優(yōu)化與改進(jìn)

實(shí)際工作中自動控制的相關(guān)控制策略存在一些問題，有優(yōu)化和改進(jìn)的空間。例如日常運(yùn)行中閘門閉門時全關(guān)判斷是兩側(cè)閘門開度均低于2mm，如果有單側(cè)卡塞或異常情況，油泵設(shè)備不能延時自動停運(yùn)，需手動停止降門，否則設(shè)備一直在運(yùn)轉(zhuǎn)。手機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)搭建過程中遇到的問題：工程電腦版本較老存在軟硬件兼容性問題，有線無線并行網(wǎng)絡(luò)沖突問題，臺式機(jī)發(fā)射無線型號弱問題等。

自動控制的要點(diǎn)：為了保證安全所需的相關(guān)閉鎖條件，節(jié)制閘升降控制需設(shè)置閉鎖控制條件：①控制電源失電閉鎖。②水位差閉鎖。③過電流閉鎖。④人為閉鎖。⑤調(diào)度閉鎖等。

排澇水泵運(yùn)行閉鎖控制條件：①電機(jī)進(jìn)水閉鎖。②油室進(jìn)水閉鎖。③接線盒進(jìn)水閉鎖。④繞組溫度高閉鎖。⑤軸承溫度高閉鎖。⑥閘門關(guān)閉閉鎖。⑦泵前水位低閉鎖等。

1.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)視

通過上位機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程監(jiān)視。具體組成：①手機(jī)監(jiān)控及無線網(wǎng)絡(luò)。②全球眼即網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。③遠(yuǎn)程監(jiān)視軟件iVMS-4200及攝像頭等。

1.3 安全策略及安全性分析

為了防臺防汛以及設(shè)施設(shè)備安全。水閘自動化系統(tǒng)應(yīng)充分考慮行業(yè)特點(diǎn)及對系統(tǒng)可靠性的特別要求，不能完全依賴自控設(shè)備而取消了純手動控制環(huán)節(jié)[3]。本文從安全性保障、網(wǎng)絡(luò)安全性策略、安全冗余量等方面就綜合自動控制方案的安全性進(jìn)行分析。

2 自動化監(jiān)控系統(tǒng)的搭建

2.1 手機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)采用二級控制方式，由現(xiàn)場手動、觸摸屏現(xiàn)場控制級和監(jiān)控級組成，是一個以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中管理二級控制系統(tǒng)[4]。手機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的搭建：首先搭建是需要對系統(tǒng)進(jìn)行備份，確保不會有軟件沖突、系統(tǒng)破壞以及原程序丟失情況，使用一鍵GHOST功能即可實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕_式機(jī)安裝在柜內(nèi)發(fā)射無線型號弱，安裝高增益MW150型網(wǎng)卡。搭建無線網(wǎng)絡(luò)，測試有線無線并行兼容性。針對Microsoft Windows XP Professional 版本 2002 Service Pack 3的系統(tǒng)安裝自適應(yīng)軟件，通過軟件實(shí)現(xiàn)手機(jī)與電腦互通及監(jiān)控。組成雙電腦監(jiān)控，CCTV視頻監(jiān)視即攝像頭，先觀察閘門周圍情況后監(jiān)控閘門自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D詳見圖3。手機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)試運(yùn)行，解決相關(guān)問題后，通過一段時間的調(diào)試與試驗(yàn)，系統(tǒng)基本穩(wěn)定可靠。

圖3 手機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 手機(jī)及無線技術(shù)（無線覆蓋范圍測算及實(shí)驗(yàn)）

本方案上位機(jī)配置TL-WN726N無線網(wǎng)卡，天線增益5dbi,發(fā)射功率100mW,無線速率150Mbps，頻率范圍2.4GHz。手機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)中無線熱點(diǎn)覆蓋網(wǎng)絡(luò)范圍也是本方案的重點(diǎn)，覆蓋范圍主要由以下幾個方面因素影響：①距離。②室內(nèi)格局、墻體。③路由器的擺放位置。④天線的增益。⑤路由器發(fā)射功率。⑥周圍信號。⑦終端接收靈敏度。

對于100mW的發(fā)射功率（根據(jù)國家規(guī)定，無線路由器的發(fā)射功率不得高于100mW。）其計算公式如下：

x=10log10（P/（1mW））

按dBm（分貝毫瓦，為一個指代功率的絕對值）單位進(jìn)行計算后的值應(yīng)為：

10lg（100mW/1mw）=10lg（100）=20dBm

經(jīng)實(shí)際覆蓋距離的測試，選擇天線增益5dbi，發(fā)射功率20dbm，頻率為2.4GHz，計算室內(nèi)格局、墻體損耗，路由器的擺放位置損耗，優(yōu)質(zhì)信號覆蓋距離約為30米，基本滿足泵閘控制室全距離監(jiān)控操作。圖4為手機(jī)實(shí)時監(jiān)控畫面。

圖4 手機(jī)實(shí)時監(jiān)控畫面示意圖

2.3 PLC控制系統(tǒng)

2.3.1 PLC控制系統(tǒng)配置

本方案PLC系統(tǒng)是以工控機(jī)為上位機(jī)。該系統(tǒng)對泵站內(nèi)絕大多數(shù)儀器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要功能：經(jīng)系統(tǒng)PLC處理后的各種數(shù)據(jù)顯示在畫面上，或用報表、曲線等形式查詢，使監(jiān)測工作更加快速及時、準(zhǔn)確高效。系統(tǒng)現(xiàn)有自動化軟硬件：操作員站上位機(jī)（電腦）的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Professional 版本 2002 Service Pack 3的系統(tǒng)，畫面組圖軟件為組圖王，采用 kingscada工控支持軟件編制而成。自動控制系統(tǒng)為施耐德的一套PLC系統(tǒng)帶有液晶操作屏，自動化平臺水準(zhǔn)較高，自動化基礎(chǔ)已完備，控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備配置清單詳見表1。

表1 PLC設(shè)備清單

2.3.2 泵閘自動控制策略

閘門開門操作：操作開門按鈕，油泵電機(jī)空載運(yùn)行→延時后開門閥組通電動作→閘門開啟提升→到達(dá)開度設(shè)置位或鎖定位（到達(dá)鎖定位后應(yīng)下降回落到鎖定機(jī)構(gòu)上）→閘門停止運(yùn)行→油泵電機(jī)停止。

閘門關(guān)門操作：操作關(guān)門按鈕，油泵電機(jī)空載運(yùn)行→延時后（如閘門在鎖定位應(yīng)開門提升脫鎖后再關(guān)門）關(guān)門閥組通電動作→閘門關(guān)閉下降→到達(dá)全關(guān)位→閘門停止運(yùn)行→油泵電機(jī)停止。

閘門具有下滑提升功能：當(dāng)閘門從全開工作位下滑100mm，自動啟動主油泵將閘門提升到全開工作位；如果提升無效，繼續(xù)下滑到150mm，自動啟動備用油泵將閘門提升到全開位，并發(fā)出聲光報警。

閘門具有同步糾偏功能：在開關(guān)門過程中，PLC自動檢測左右側(cè)閘門開度，并進(jìn)行比較，當(dāng)左右側(cè)閘門開度偏差值達(dá)到糾偏值，比例閥自動調(diào)整油缸的流量，閘門左右側(cè)的偏差值縮小，當(dāng)偏差值縮小到零時，比例閥停止調(diào)整，使閘門保持同步運(yùn)行；如糾偏無效，偏差值達(dá)增大到超差值（如觸摸屏設(shè)置30mm）時，自動停機(jī)并發(fā)出聲光報警信號。

圖5 泵組自動開停機(jī)控制流程

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)視+網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控（全球眼）

通過上位機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)視。遠(yuǎn)程監(jiān)視軟件iVMS-4200是為嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備開發(fā)的軟件應(yīng)用程序，該軟件操作界面較為友好，能方便運(yùn)行人員及時調(diào)看實(shí)時畫面、追查過往畫面?？蛻舳藶楣芾碓O(shè)備和其他模塊的核心模塊；包括設(shè)備管理、回放、預(yù)覽、電視墻、電子地圖等功能。存儲服務(wù)器：錄像服務(wù)器，用于存儲和備份錄像。 編碼卡服務(wù)器：管理編碼卡并且提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。解碼卡服務(wù)器：管理編碼卡并且提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。流媒體服務(wù)器：轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時的音視頻流，減輕設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)壓力。

全球眼即網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，基于寬帶網(wǎng)的圖像遠(yuǎn)程監(jiān)控、傳輸、存儲、管理的功能。將分散、獨(dú)立的圖像采集點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、全國范圍內(nèi)的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理、資源共享，為水利智能調(diào)度的管理決策提供一種直觀、擴(kuò)大視覺和聽覺范圍的管理工具，提高工作效率。

2.5 安全性策略

工業(yè)自動控制系統(tǒng)安全可靠作為系統(tǒng)的首要原則，所有電氣設(shè)備元器件必須性能可靠，遵循現(xiàn)地優(yōu)先的原則。安全性保障：在設(shè)備調(diào)試、檢修階段，以及在PLC自動操作失靈的情況下，將控制開關(guān)打在“手動”位，采用手動常規(guī)的繼電器控制方式，可實(shí)現(xiàn)閘門的單步啟閉門控制：操作油泵電機(jī)啟動按鈕→油泵電機(jī)空載運(yùn)行→操作開門或關(guān)門按鈕→開門開啟提升或閘門關(guān)閉下降（采用手動調(diào)速閥同步控制）→到位停止→操作油泵電機(jī)停止按鈕。在手動方式下，現(xiàn)地自動及遠(yuǎn)方計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作無效。

網(wǎng)絡(luò)安全性策略，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全本方案設(shè)置有：賬戶和密碼的訪問控制策略、防火墻USB口禁用、安裝防御軟件、出入機(jī)房管理、制定相關(guān)規(guī)章制度以及專業(yè)人員保障。建議配置獨(dú)立網(wǎng)關(guān)、相關(guān)重要信息可以使用信息加密。

安全冗余量，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行，增加冗余節(jié)點(diǎn)。手機(jī)端、控制器端、工作站端、交換機(jī)端、電源端實(shí)現(xiàn)了設(shè)備冗余。本方案主要進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源的冗余功能測試。

3 結(jié)語

本方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控節(jié)制閘的功能，有利于統(tǒng)一集中管理，查閱便利，隨手查看，有搭建成本低，便于維護(hù)，可適用于臨時應(yīng)急預(yù)案等特點(diǎn)。通過手機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了控制固定端轉(zhuǎn)向移動端，從一端控制轉(zhuǎn)向多端多地監(jiān)控。結(jié)合日常設(shè)備常規(guī)養(yǎng)護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘有人值守遠(yuǎn)程控制，有人控制無人值守。

系統(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化空間：①自動引排水，自動設(shè)置液位停止引水，根據(jù)調(diào)水方案自動調(diào)整引排水策略，設(shè)置延時啟閉閘門，實(shí)現(xiàn)手自動無擾切換。啟閉閘門邏輯判斷：可以根據(jù)內(nèi)河水位高度，內(nèi)外河水位差及上升下降趨勢控制引排水。引入農(nóng)歷制潮汛判斷，CCTV視頻動態(tài)監(jiān)控配合閘門自動啟閉，應(yīng)急停止。②自動控制方案結(jié)合模糊控制，通過大數(shù)據(jù)智能調(diào)度建立從分散到集中式管理。③通過電腦端將系統(tǒng)設(shè)置的報警同時發(fā)送到運(yùn)值人員手機(jī)進(jìn)行報警，以及從本站到調(diào)度中心以及總局的多級報警。