關(guān)于中小型水閘遠(yuǎn)程控制安全措施的探討

葛海亮，邢述春，盧 興，陳雨晴，陳順平

(鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

0 引言

在黨的十八大習(xí)近平總書記提出建設(shè)美麗中國(guó)的偉大目標(biāo)后，水利部提出了“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)。全國(guó)各地按照“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，按照“強(qiáng)水利、美生態(tài)、富百姓、建隊(duì)伍、保平安”的總體要求[1－2]，著力補(bǔ)信息化短板，全力推進(jìn)水利工程泵站、閘站等水利樞紐的自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)。

在水利工程信息化、智能化建設(shè)中，建設(shè)工程遠(yuǎn)程控制中心，配套工程集控管理系統(tǒng)，對(duì)水閘等水利工程設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和控制是其中一項(xiàng)重要建設(shè)內(nèi)容。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以對(duì)水閘進(jìn)行集中監(jiān)視、集中控制、集中調(diào)度、集中管理，可以提高水閘運(yùn)行管理的效率和效能，提升區(qū)域水利工程日常在線化管理和遠(yuǎn)程調(diào)度控制能力。但是，在水閘實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制后，如果水閘安全措施設(shè)計(jì)不合理，保護(hù)功能不完善，會(huì)存在著重大的安全隱患，且由于水閘現(xiàn)地?zé)o人值班、無(wú)人值守，在出現(xiàn)故障、事故后，不能及時(shí)干預(yù)，時(shí)常出現(xiàn)水閘機(jī)械、電氣等設(shè)備的損壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 遠(yuǎn)程控制中的安全風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)對(duì)多地水利工程信息化項(xiàng)目水閘遠(yuǎn)程控制項(xiàng)目的調(diào)研以及水閘在遠(yuǎn)程控制運(yùn)行中的故障、事故分析，總結(jié)了中小型水閘遠(yuǎn)程控制中的安全風(fēng)險(xiǎn)如下:

1.1 水閘運(yùn)行中不能按照指令正確停止

水閘在收到遠(yuǎn)程啟閉指令后，如果在啟閉運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷網(wǎng)、通訊中斷等故障，水閘控制系統(tǒng)就不能接收遠(yuǎn)程停止控制指令，就不能按照指令停止，如果此時(shí)水閘其他保護(hù)措施也失靈，就會(huì)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的后果。

1.2 水閘運(yùn)行中有異物卡阻

水閘在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)如木棍、固體垃圾等較大的漂浮物、障礙物卡滯在水閘門槽等升降軌道內(nèi)，在水閘開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中，會(huì)阻礙閘門的正常升降，如不能及時(shí)正確感知，及時(shí)采取必要的措施，就會(huì)造成閘門過(guò)載。如果是卷?yè)P(yáng)機(jī)就會(huì)造成鋼絲繩因過(guò)載而拉斷；如果是螺桿啟閉機(jī)，就會(huì)造成螺桿彎曲或閘門基座因過(guò)載而變形。

1.3 限位傳感器失靈

限位傳感器失靈是水閘在日常運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障，限位傳感器也是保護(hù)水閘的最好一道保險(xiǎn)。閘門起升過(guò)程中如果限位傳感器失靈，會(huì)造成超限拉斷閘門鋼絲繩或閘門沖頂損壞基座；閘門下降過(guò)程中如果限位傳感器失靈，會(huì)造成鋼絲繩纏繞，螺桿頂彎等事故。

1.4 閘位儀失靈

閘位儀失靈也是水閘在日常運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障，閘位儀失靈之后，會(huì)造成遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)視閘門開(kāi)度數(shù)據(jù)，容易引起誤判或引起閘門開(kāi)關(guān)超限。

1.5 電氣故障

電氣故障也是水閘在日常運(yùn)行中的常見(jiàn)故障，一般有電壓欠壓、過(guò)壓、相序錯(cuò)誤、電流過(guò)載等。

電壓欠壓，會(huì)引起抱閘力矩不夠，卷?yè)P(yáng)機(jī)起升力矩不夠。

電壓過(guò)壓，會(huì)引起控制儀表設(shè)備超壓損壞。電源相序錯(cuò)誤，會(huì)引起開(kāi)閘與關(guān)閘指令與實(shí)際運(yùn)行反向。

電流過(guò)載，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒壞，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。

2 遠(yuǎn)程控制中的安全措施設(shè)計(jì)

針對(duì)水閘在操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障及非正常運(yùn)行狀態(tài)，從現(xiàn)地控制系統(tǒng)的硬件、軟件等方面設(shè)計(jì)水閘的安全防護(hù)措施是非常必要的，通過(guò)一些安全措施可以盡量避免在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)備損壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 限位雙重保護(hù)

閘門的上限位傳感器、下限位傳感器，系統(tǒng)各設(shè)計(jì)2套，分上上限開(kāi)關(guān)信號(hào)、上限開(kāi)關(guān)信號(hào)、下限開(kāi)關(guān)信號(hào)、下下限開(kāi)關(guān)信號(hào)。閘門正常工作行程設(shè)定在上限開(kāi)關(guān)信號(hào)、下限開(kāi)關(guān)信號(hào)之間，上上限開(kāi)關(guān)信號(hào)、下下限開(kāi)關(guān)信號(hào)為通容許工作限值。無(wú)論是通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)還是手動(dòng)電控操作閘門啟閉，上升過(guò)程只要觸發(fā)上上限開(kāi)關(guān)信號(hào)，上限開(kāi)關(guān)信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)鎖切斷上升動(dòng)作；下降過(guò)程只要觸發(fā)下下限開(kāi)關(guān)信號(hào)，下限開(kāi)關(guān)信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)鎖切斷上升動(dòng)作。

2.2 閘門卡阻保護(hù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)閘門卡阻保護(hù)算法，閘門在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)按照設(shè)定的掃描周期掃描閘門的實(shí)時(shí)開(kāi)度，并與上一周期的開(kāi)度值進(jìn)行比較，計(jì)算出開(kāi)度差值；如果連續(xù)3個(gè)掃描周期的開(kāi)度差值都小于設(shè)定值，則系統(tǒng)判定閘門出現(xiàn)卡阻，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖停止運(yùn)行閘門，并發(fā)出報(bào)警提示運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查、排除故障。

閘門卡阻保護(hù)設(shè)計(jì)有投入/退出控制字，可根據(jù)實(shí)際情況選擇投入或退出，特別是在閘位傳感器出現(xiàn)故障需要緊急開(kāi)關(guān)水閘時(shí)，可以退出該功能，解除保護(hù)閉鎖，緊急開(kāi)關(guān)水閘。

閘門卡阻保護(hù)程序及卡阻保護(hù)邏輯如圖2所示。

圖1 閘門卡阻保護(hù)程序及保護(hù)邏輯

圖2 閘位信號(hào)斷線檢測(cè)判斷邏輯

2.3 閘位信號(hào)斷線檢測(cè)機(jī)制

閘門在運(yùn)行過(guò)程中，如出現(xiàn)閘位儀故障、失靈或閘位信號(hào)線纜松動(dòng)導(dǎo)致的閘位信號(hào)斷線故障時(shí)，現(xiàn)地自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有斷線監(jiān)測(cè)算法程序，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖立即停止閘門運(yùn)行，并報(bào)警提示運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查、排除故障。

進(jìn)行閘位信號(hào)模擬量值的判斷，如閘位值在正常值范圍內(nèi)，判斷正常，將閘位通道值賦值給AI＿Value[]數(shù)組，同時(shí)將閘位通道品質(zhì)(一個(gè)中間量)置位0；如閘位通道異常，將0賦值給AI＿Value[]數(shù)組，同時(shí)將通道品質(zhì)(一個(gè)中間量)置位1，用于通道故障報(bào)警，并終止閘門控制程序。閘位信號(hào)斷線檢測(cè)判斷邏輯如圖3所示。

2.4 運(yùn)行超時(shí)保護(hù)

閘門啟閉過(guò)程中，設(shè)計(jì)運(yùn)行超時(shí)保護(hù)。水閘在收到啟閉指令后，判斷至上限、下限或目標(biāo)開(kāi)度的行程，根據(jù)啟閉速度，保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。水閘運(yùn)行時(shí)保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)系統(tǒng)計(jì)算的最大運(yùn)行時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止閘門運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防止由于限位傳感器、閘位儀失靈導(dǎo)致的故障。

2.5 啟閉機(jī)電氣量保護(hù)

傳統(tǒng)常規(guī)啟閉機(jī)的電氣保護(hù)都是采用熱繼電器為主，熱繼電器動(dòng)作靈敏度低、動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，往往在真的發(fā)生水閘卡阻電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，不能快速切斷電機(jī)回路，造成閘門沖頂事故。為了啟閉機(jī)電氣量保護(hù)有效，在啟閉機(jī)的電氣回路設(shè)計(jì)電氣量采集元件，對(duì)啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電流、電壓進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)，為了躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，啟閉機(jī)電氣量保護(hù)設(shè)置為二段式。閘門電機(jī)啟動(dòng)階段投入電流高值保護(hù)(保護(hù)自動(dòng)退出電流低值保護(hù))，并開(kāi)始計(jì)算電機(jī)工作時(shí)間t0，如果在啟動(dòng)階段電流數(shù)值大于電流高值保護(hù)設(shè)定定值，判定閘門故障；如果電機(jī)工作時(shí)間t0大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間定值t1后，自動(dòng)退出電流高值保護(hù)，同時(shí)自動(dòng)投入電流低值保護(hù)，如果電機(jī)工作電流I不大于低值速斷電流定值Il，則閘門進(jìn)行正常啟閉、否則判定閘門故障，系統(tǒng)自動(dòng)停止閘門運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水閘在操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障及非正常運(yùn)行狀態(tài)，筆者通過(guò)多個(gè)工程的總結(jié)分析，采用加裝雙重限位裝置、設(shè)計(jì)閘門卡阻保護(hù)、閘位信號(hào)斷線檢測(cè)、運(yùn)行超時(shí)保護(hù)、電氣量保護(hù)等措施，實(shí)踐檢驗(yàn)是可行的，對(duì)于其他水利工程中小型水閘的類似情況，有參考價(jià)值。

當(dāng)今社會(huì)技術(shù)發(fā)展日新月異，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息化等技術(shù)突飛猛進(jìn)，新一代的信息技術(shù)正加速與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深入滲透融合。要推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化發(fā)展，必須全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)，提升水安全保障能力，為水利改革發(fā)展提供有力支撐[2]。在水利信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)中，特別在“無(wú)人值班，無(wú)人值守”的水閘，要把安全性放在首位，水閘的安全措施要設(shè)計(jì)合理、配置齊全、行之有效。在保證安全的前提下，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使水閘保持運(yùn)行在全自動(dòng)高效安全狀態(tài)，全面提升水閘運(yùn)行管理的效率和效能，對(duì)改善區(qū)域水資源調(diào)度模式，具有非常重要的意義。