科学研究 水闸自动化控制系统方案设计原则及方法研讨 周 军 （天津市永定河管理处管理三所３０００７４） 摘要：水闸的防洪抢险、排涝抗旱、水资源调配等作用发挥，在水利行业自动化和信息化发展的影响下，从以往的人工操作，开始向自动化控制的模 式转变，包括闸门计算机监视、安全监测、视频监视，是水闸自动化控制系统的主要内容。文章将围绕这些自动化控制系统内容，在了解系统方案设计原则 的基础上，深入研讨系统方案设计的具体方法。 关键词：水闸；自动化；控制系统；设计 １．水闸自动化控制系统方案设计原则 基于水闸的运行特征，以及对各种运行功能需求现状，水闸自动化控 制系统的方案设计，要体现出系统的实用性、安全性、集成性、互操作性等 优点，并以此作为系统设计原则： １．１实用性原则 水闸运行环境的复杂性，乃至不同水闸运行的差异性，要求水闸自动 化控制系统兼具较为全面的功能，在系统方案设计时，包括系统的控制功 能、管理功能，都要以实用性为原则，综合考虑具体水闸的自动化控制需 求，进而因地制宜地量身定制，而不要盲目引入所谓的新技术。 １．２安全性原则 水闸自动化控制系统，借助信息技术实现系统功能的操作，适时不排 除系统之外非法入侵行为的危害，并造成不同程度的经济损失。因此除了 需要保证系统功能的实用，还要确保系统不存在漏洞，方案设计时，建议参 考冗余控制模式和容错控制模式等，这些模式对保障系统稳定和可靠，具 有一定的帮助。 １．３集成性原则 水闸控制系统功能的复杂性，不同功能需要对应的一套子系统进行操 作，而子系统之前可能处于相对独立的状态，但在实际操作时，可能集成同 一界面上。关于集成性，事实上也是水闸自动化控制系统的功能之一，该功 能通过监视平台的监视和管理，实现信息的共享和设备的协调，能够让操 作者统筹兼顾整个系统操作状况。 １．４互操作性原则 水闸自动化系统开发，很多电气设备来自于开放性市场，在性能和性 价比方面，可能参差不齐，并影响日后系统的维护和管理。为此，自动化控 制系统方案，要考虑系统后期的扩展，在选择电气产品时，一定要考虑单件 产品与系统其他元器件之间，是否有互操作的性能。 ２．水闸自动化控制系统方案设计的方法 在明确水闸自动化控制系统方案设计原则的基础上，笔者将重点研讨 闸门计算机监视系统、安全监测系统、视频监测系统的开发研究，基于相关 的系统开发设计经验，笔者提 以下几方面的建议措施： ２．１闸门计算机监视系统设计 闸门计算机监视控制系统，分为主控级和现地控制级，后者优先于前 者，其中闸门中央控制室负责主控级的操作，一般设置在闸门管理处，属于 闸门控制的核心，能够自动完成闸门数据管理和报表生成打印。而闸门启 闭房负责现地控制级的操作，主设备是闸门的开度仪和荷重仪，操作方式 常见的有触摸屏和按钮两种。在了解闸门计算机监视系统结构组成的基础 上，开始进行系统的配置，笔者建议设置冗余关系的两套主控级操作员站， 包括通讯工作站、网络交换机、数据服务器和打印机等设备，而现地控制系 统，则推荐内嵌以太网口，并连接现地控制网，在每扇闸门上 ，设置１—２套 现地控制单元和１套环网交换器。通过以上监控系统，除了能够采集和处 理水位、闸门开度、闸门负荷、电量参数、启闭机工作状态等数据，还能够实 时监控闸门启闭机等控制设备，这对于闸门极限位置连锁和误操作连锁 等，起到良好的安全防护作用。至于系统软件的选用，主要有上位组态软 件、数据库软件和其他编程、应用软件等。软件的应用，在开始运行后，进行 闸门操作模式的选择，有单闸门开启模式、批闸门开启模式、最大负荷开启 模式三种，其中单闸门开启模式，在选择闸门编号后，设定闸门开度和确定 参数是否正确，如果参数显示正确，即可依次开启单扇闸门和下扇闸门；批 闸门开启模式，在选择批闸数量后，设定闸门的开度和确定参数是否正确， 如果参数正确，即可按照顺序开启批闸门：最大负荷开启模式，只需要确定 参数正确后，就可以直接开启闸门。 ２．２安全监测系统 水闸运行的安全性，以及是否影响周边建筑，需要进行不间断地安全 监测。考虑到水闸的闸墩、翼墙、消力池、导流堤等位置，对水闸安全运行的 影响最为直接，因此要作为安全监测系统的重点，主要监测的数据包括水 闸的渗压、扬压力、土压力等，通过数据的分析，判断水闸各位置是否有异 常情况。关于水闸安全监测系统的设计，笔者建议采用分布式的网络结构， 将其划分为管理单元、采集单位、传感单元、通讯单位几个部分，系统要布 置多台监测主机和数据服务器，并在待监测部位，安装渗压计、扬压计和土 压计，通过配置有塔式服务器的计算机，采集、归类、处理和保存渗压计、扬 压计、土压计提供的数据。以上单元中，数据采集单元最为重要，由１６个采 集模块组成，并通过标准的通讯接口与监测主机连接。至于系统软件的选 用，主要有采集软件、整编软件和分析软件，采集软件负责采集单元的通讯 数据收集，软件启动后，选择性应用单点测量、巡回测量和定时测量等方 式，收集采集单元所监测到的数据，并查询是否存在异常监测数据：资料整 编的软件，是在采集资料后，整编和维护各种数据，然后自动生成报表，并 自动打印，为满足整编的需求，软件应具备查询、添加、删减、修改、查询、备 份、恢复等基本功能；分析软件，用于分析水闸各监测部位的水平和坚向位 移、压力水位和渗流量等，需有对应的数学模型辅助分析，最后同样能够自 动生成报表。 ２．３视频监测系统 视频监测系统，以直观的方式，观察水闸各功能的自动化运行情况，属 于水闸自动化控制系统重要的辅助补充内容，其硬件设备包括摄像机、视 频服务器、录像机、切换机、键盘和监视器。视频监测系统启动后，适时监测 水闸上下游水位情况，以及启闭机房、闸门等设备的运行，在发现关键设备 存在故障问题时，可根据视频监测系统提供的信息，予以及时排除。某水闸 设置了一套一体化摄影机，用于监测上下游是否有漂浮物和船只，监测人 员发现漂浮物或者船只危及水闸安全时，就能够发出报警。另外启闭机房、 闸门和配电房和柴油机房等位置，都需要安装摄影机。视频监测系统自动 化功能的实现，当前在国内尚属襁褓开发阶段，依然以人工监测为主 其中 最主要的原因，笔者认为在于软件开发技术的滞后性，在此笔者建议引入 其他工程领域中的视频监测技术，开发出兼具信息采集、分析、处理和报警 功能一体的软件，以及搜集各种水闸安全运行数据的数据库，不断增加视 频监控系统的支撑数据量，对所有视频监控设备的信息进行传输配置和网 络调试，集中管理和控制视频信息的显示、回放、录像和云镜等，方可保证 视频监测系统的实用高效性和安全可靠性。 ３．结束语 综上所述，水闸自动化控制系统的方案设计，要体现出系统的实用性、 安全性、集成性、互操作性等原则，从闸门计算机监视系统、安全监测系统、 视频监测系统三个方面展开设计。文章通过研究，基本明确了水闸自动化 控制系统方案设计的方法，但考虑到不同水闸自动化控制需求和条件的差 异性，以上方法在相关水闸工程中应用时，还需要结合具体水闸的自动化 运行情况，进行补充和完善。■ 参考文献 【１】于强，张德宁．浅谈宫家闸自动控制系统的应用ＵＪ．水利建设与管 理，２０１３，（９）：７４－７６． 【２］叶建琴，袁长治．大中型水闸综合自动化系统卟中国电子商务， ２０１３，（８）：２２６． 【３】胡凯，张昱．基于分布式控制算法的泵站水闸网络预测的研究［Ｊ］．工 业控制计算机，２０１３，（２）：６３—６４： 【４】宋春杰，王辉．水闸自动化监控系统的组成及关键设计卟科技资 讯，２０１２，（１７）：３３—３４． ３１＂ｔ１￣