貴陽松柏山水庫閘門自動化監控系統

松柏山水庫弧門

自動化監控系統的成功實踐

□　李用晶1 高志平1 黃祖琴2吳菊華2
（1.貴州省松柏山水庫管理處，2.啟東雙劍電子有限公司）

摘要：由貴州省松柏山水庫管理處和江蘇省啟東雙劍電子有限公司合作開發，以模塊化方式產品化設備進行配置，研制成一個具有中央集中控制、現地自動控制、現地手動操作和現場視頻監控等多功能的自動化監控系統，技術先進，安全可靠，成本較低。系統安裝方便，調試容易，操作簡單，投入運行后，取得了很好的效果。
引言
距貴陽市30多公里的南郊松柏山水庫，是該市一項十分重要的水利工程。它具有城市防洪、城市供水、農業灌溉三大功能。水庫大壩為混凝土雙曲率薄拱壩，高52.5m，壩頂弧長120.6m。壩上除一孔事故檢修閘門外，需要實施自動化控制的共有4孔弧形閘門。其中1孔是出口的高壓弧型鋼質工作閘門，3.6×3.5m，采用63T潛孔弧門螺桿式啟閉機啟閉。另外3孔是非常溢洪道弧形鋼閘門，設置在壩頂中央，每孔7×3.1m，各由一臺10T手電兩用卷揚機啟閉。閘門原來的啟閉都是靠現地手動操作，管理人員不僅需要上下來回數百米地奔波，勞動強度較大，而且容易發生操作差錯，存在較大的安全隱患。為了適應當地經濟和社會發展需要，提高水庫管理水平，確保壩閘安全運行，水庫管理處決定上馬搞自動化設備。為此，水庫領導和技術人員進行了深入廣泛的調研，最后確定與江蘇省啟東雙劍電子有限公司進行合作。使用KDY系列閘門開度控制儀、HL-A閘門位移測量傳感器等設備，成功開發出一套功能完善的弧門自動化監控系統。自2002年8月投運以來，系統一直正常運行，實現了設計要求和預期目標。
1、系統設計原則
根據松柏山水庫的實際情況和管理處提出的自動化控制目標，合作雙方確定如下系統設計原則：
1.1安全性。松柏山水庫處于特殊的地理位置，水庫壩閘的安全運行，不僅對水庫本身而且也對整個貴陽市人民的生命財產安全都至關重要。所以，系統設計中應采取多環節安全保障措施，確保在任何情況下都能啟閉閘門，都不出現閘門誤動作現象。
1.2先進性。本水庫地處西部地區，原來的技術比較落后。但既然要搞自動化，就應選用一流的設備，采用國內外的先進技術，使系統在相當長時間里能保持國內領先地位。
1.3實用性。鑒于目前水庫管理人員的實際情況，自控系統在保持技術先進情況的前提下，又要設計得安裝方便，操作簡單，維修維護容易，使管理人員能盡快掌握，熟練操作，正確使用和維護自控系統。
1.4經濟性。在設計中既考慮確保系統具有完善的功能，同時又要考慮盡可能刪繁就簡，降低設備成本，以減少工程投資。
2、系統實施方案
根據設計原則，本系統的實施方案主要采取六項技術措施。
2.1采用積木式集散型控制制式
這是目前比較先進的控制制式。本系統由中央控制、現地控制兩大塊構成，形成三種控制運行方式，并預留遠程監控接口。見圖1。 (1)中央集中控制運行：由上位計算機和下位機KDY-A閘門開度控制儀組成二級計算機調控網絡，既可對現地3個表孔閘門和1個底孔閘門進行動態監視，又可在上位計算機用鼠標在屏幕上對閘門進行啟閉操作。上位計算機采用多媒體技術，使用圖形窗口界面，動態顯示閘門的升降過程、開度位置、庫區水位，啟閉電機電壓電流等參數�？刂苿幼魍ㄟ^圖形按鈕操作，操作順序采用語音導向，界面簡單直觀。如果發生故障，則自動停機，并有語音提示。運行數據實時保存于數據庫，能存入運行時間、操作人員，工作記事，開度流量、庫區水位等資料，以備隨時查詢。圖2為松柏山水庫大壩孤門微機監控運行主畫面。
 

(2)現地自控運行：操作人員只需在現地閘門啟閉控制柜上預置開度數據，閘門即可自動升降運行，閘門開度達到預置數據時自動停機。
(3)現地手動運行：在壩閘檢修期間或中央集控和現地自控停止運行的情況下，可以使用現場的"上升"、"下降"、"停機"三個按鈕手動操作。
(4)預留遠程監控接口：雖然目前松柏山水庫的遠程監控體系尚未建立，但本系統具有網絡擴展功能，并已經預留網絡接口，為以后進一步設置遠程管理機構（如貴陽市內水利水務部門或者其他政府部門）對松柏山水庫的實時監控創造了良好條件。

2.2采用高精度易調整的閘門開度測量傳感器。
閘門開度的準確測量和傳感，是整個自控系統的基礎。本系統閘門開度測量傳感器原理是:利用鋼卷尺自動收縮的特性，采用特殊彈簧的恒定張力將跟隨閘門移動的同步鋼絲繩收攏，卷繞于鋼絲繩卷筒上，由鋼絲繩卷筒帶動旋轉編碼器輸出對應閘門開度的數字信號，同時可發出閘門各特定位置的開關接點信號(如上、下極限等)，供控制使用。在采用進口光電旋轉編碼器的基礎上，加上嵌入式微處理器芯片，直接對旋轉編碼器輸出信號進行處理。這不但提高了測量精度，而且使其具有人性化特征，極大地簡化了系統整體聯調測量零點的工作。在安裝時不必考慮傳感器的零點與閘門機械零點是否一致，待到機械安裝完畢，確認閘門處于全關閉狀態即機械零位之后，只需使用傳感器上?quot;校零"按鈕，就能使微器處理芯片記住此時數值，以后在運行中將自動減去該值而得到閘門的開度測量值。實踐證明:這種閘門開度測量傳感器安裝方便，調零簡單，測量精度高，保護可靠。投用以后，閘門零位精度從未發生變化。
2.3采用先進的現場總線控制技術。
本系統采用二級計算機現場總線控制技術，一方面大大減少了傳輸電纜，降低了系統投資，減輕了安裝工作量。據測算，如按照傳統的一對一傳輸方式，松柏山水庫監控系統則需要200多根電纜。而現在只需一根兩芯電纜，就可以把現場所有閘門的開度狀態信息、電機運行狀態信息以及其它如保護、報警等有關信息，全部順利進行傳輸。這對節省費用和方便設備的安裝維護有著重要意義。另一方面，采用這種技術降低了線路的故障率，提高了信息傳輸質量，確保了系統的穩定性可靠性。
2.4采用多環節容錯技術。
本系統采用積木式集散控制，本身就是容錯技術的內容之一。如2.1所述，三個層次的控制方式既可聯動，實現上位計算機的中央集中控制，又可各自獨立運行。這樣，在萬一出現差錯（故障）的情況下，確保絕對不影響閘門的啟閉。此外，本系統還采用軟硬結合、多種方案、多級保護的辦法，形成萬無一失的安全屏障。如采用電子式多功能電機保護器替代原有傳統的熱繼電器；使用多級行程極限保護以及上、下位計算機程序閉鎖軟件保護，等等。一旦發生故障立即停止啟閉操作。
2.5采取可靠的防雷措施。
這項措施不僅對于松柏山水庫，而且對于西部地區許多中小型水利水電工程自控系統的安全運行都是非常重要的。因為那里的不少此類工程處于海拔較高的山區，經常遭到雷擊，嚴重威脅自控系統的安全。為此，松柏山水庫自控系統采取三項措施：一是輸入信號回路采用進口瞬變抑制二極管、PPTC自恢復保險和陶瓷放電管等多種保護器件;二是所有的傳輸電纜全部穿經鋼管，鋼管與水工建筑接地網可靠連接，與整個防雷保護網絡連成一體；三是中央集控室的設備接地裝置更是精心加工，保證接地電阻小于4Ω。
2.6采用電腦視頻監控。
為提高整體管理水平，對整個壩區和各孔閘門的運行情況進行有效監視，所以建立一個電腦視頻監控系統。此系統使用6套高清晰低照度的CCD彩色攝像頭：1個用于壩面的全天候32變倍彩色攝像頭，可以監控壩面、庫區及下游的警戒區域。防止開閘排水時人畜發生安全事故；1個安裝于底孔啟閉機房；3個用于表孔的監控；1個用于對庫區壩前水面進行全方位布局監控。
3、系統技術特點
3.1系統設備模塊化產品化。

　實現閘門自動化控制，目前國內不少地方選用通用工業可編程控制器PLC，然后根據需要配上各種功能模塊和軟件編程，加上閘門開度測量傳感器及顯示儀等設備，組合成一個控制系統。這樣的系統器件購置麻煩，由于器件參數不對口，系統安裝調試復雜，操作也不便，導致工期長，費用高，維修維護困難。本系統使用KDY系列閘門開度控制儀，將測量、顯示、PCL控制、非線性修正、通信網絡等多種功能綜合成一體化結構，使閘門自動控制系統模塊化產品化，再也不需要用戶東拼西湊去購置器件，安裝接線也很簡單，現地自控無需軟件編程，只需設定幾個參數就可實現閘門自動化控制。圖3為KDY閘門開度控制儀的原理框圖。
3.2易于操作和維護。
本系統中央集控計算機的屏幕畫面形象、直觀、簡潔，圖形按鈕簡單明了，各種參數一目了然。更重要的是系統引入了語音提示導向軟件，一方面可以對運行過程中的每一步操作，直接用語音向管理人員提示，使管理人員能夠進行所謂"傻瓜"式的操作。管理處的同志反映，操作這樣一個高科技的監控系統，就象在家里使用電視機一樣方便。另一方面，如果出現故障，則語音導向軟件立即提示故障內容，使管理人員有的放矢地迅速處理，盡快排除故障，給日常維護工作帶來極大方便。
3.3語音報告實時水位。
庫區水位不僅是水庫管理人員而且也是上級有關管理部門及行政領導極為關注的重要數據。松柏山水庫使用SWJ－A水位監測儀，不僅準確測量水位，對上下限水位進行報警，而且任何人在遠地可以通過電話直接查詢實時水位。無論何時何地，你只要撥通電話，水位監測儀就自動向你以語音播報實時水位。因此被人們稱為"會講話的水位測量儀"。
3.4系統技術參數。
（1） 開度傳感器測量分辨率為＜2㎜；
（2） 系統顯示、控制精度為±1㎝；
（3） KDY-A閘門開度控制儀電源：AC220V±15％，50HZ；
（4） 水位測量精度：0.25％年
（5） 視頻攝像清晰度：≥400線
（6） 視頻攝像最低照度：0.2Lux
（7） 上位計算機與KDY-1A閘門開度控制儀傳輸波特率為：9600-19200bps。
4、結論
本系統具有先進性、可靠性、準確性、經濟性、可維性和易操作性等許多優點，不僅適用于松柏山水庫，而且對于西部地區許多中小型水利水電工程，也有著普遍推廣的價值和意義。