水閘自動化監控系統研究

■葉銳敏 ■嘉善縣太浦河管理所，浙江 嘉興 314100

信息化是世界經濟和社會發展的大趨勢，我國產業結構實現升級以及向工業化、現代化轉變必須依賴信息化技術的應用，我國也應將提高信息化水平在作為推動我國經濟發展的主要手段之一。水利工程作為我國的社會和經濟發展的重要基礎設施，水利的現代化也離不開信息技術的支持。政府要解決新世紀水的問題，必須應用自動化控制系統，實現水閘自動化控制，實現傳統水利向數字水利轉變，才能進一步發揮水利工程的效益。

1 水閘自動化監控系統設計

根據水閘自動化監控系統的作用與功能，水閘自動化監控系統采用分級分布式系統結構設計，自動化監控系統結構見圖1。該系統結構通過安裝在水位井、液壓泵、電器柜等部位的傳感器和其它相關儀表，通過地面控制裝置實現對水位、水壓、閘高等參數的收集，再通過通訊系統將傳感器和儀表收集的數據傳輸至控制中心計［1］;控制中心對數據進行分析和存儲，根據是數據反映的內容向現場控制單元發送控制命令，實現設備開啟或關閉。設備運行期間，控制中心對設備運行狀態進行實時監控，如監控液壓系統和啟閉機運行狀態，一旦發現設備和系統運行異常，立即通過音頻、燈光、文字等方式向操作人員發出警報。根據水閘自動化監控系統的運行原理，自動監控系統主要包括數據采集控制系統、數據傳輸系統和控制中心三個部分。

圖1 自動化監控系統結構

2 數據采集控制系統選擇研究

數據采集控制系統的關鍵裝置為現地控制裝置，主要負責采集現場數據和信息。網絡連接各個設備，實現數據共享，共同完成控制和管理功能。數據采集控制系統包括可編程邏輯控制器各類電器儀表。

2.1 可編程控制器

現地控制裝置主要為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它不僅能采集先創數據和各類信息，還能作為設備控制驅動裝置。本系統選用德國西門子S7-300 系列產品，用于系統運行狀態數據采集，并作為油泵、啟閉機和通航燈等設備的控制驅動。該系列可編程邏輯控制器專為自動化監控系統設計，控制器零部件性能高，能滿足系統對各類設備自動化控制需求。該控制器還包括大量用戶程序，如定時器、計算器、復雜數學計算、通訊等內容，達到對監視人機交互的作用，發現人工輸入狀態異常后，可改變輸出狀態，實現控制目的［2］。S7-300 系類可編程邏輯控制器的靈活性強，可根據不同的用途選擇不同規格的CPU，實現合理配置。

2.2 過程儀表及傳感器等設備

此外，數據采集控制系統還包括大量儀表和傳感器，屬于信息轉換部件。儀表和傳感器收集的水位、液壓等信息后，將信息轉換成電信號，經數據傳輸系統傳輸至控制中心。過程儀表、傳感器等采集設備主要包括壓力傳感器、投入式水位傳感器、浮子式水位傳感器、電量儀表、閘門高度變送器，分別用于測量液壓系統的油壓、測量閘室水位、采集水位值、采集被采電流，與上位機連接實現數據交換、計算閘門高度。

3 數據傳輸系統設計

由于采集控制點相對集中，因而可采用工業以太網通訊方式實現控制室主站系統、新老閘現地控制柜的PLC 數據通信，并且由于新閘和老閘距離間隔較遠，因而可采用光導纖維作為數據傳輸媒介，而不能采用雙絞線直連方式。上級信息數據采用公用電話通道，并根據TCP/IP協議實現數據傳播。

3.1 基于以太網的系統網絡結構

數據傳輸系統可基于以太網設計，將整個閘門自動監控系統分為3層，上層為管理信息層或管理級，負責連接上級管理部門內局域網;中間層為監控級，為內部局域網上互相聯網的監控主義和服務器;下層為現地級，是現場各設備網絡層?，F地控制級設備主要為可編程控制器和輸出繼電器等設備，多分布于啟閉機室等近設備端?，F地控制級與各類傳感器相連，負責采集設備運行信息數據和信號，還與控制級工控主機，監控工控主機的控制命令;搜集現場信息數據，并以獲得的數據信息為依據，實現現場執行機構的邏輯控制?，F地級采用大規模的可編程邏輯控制器以及其它模塊組成現地監控單元，工業以太網負責通訊，將高質量雙絞線連接監控級的交換機，將現地級信息傳遞至控制工控機。配備數據服務器，記錄實時和歷史數據參數，方便用戶查詢［3］。以太網貫穿于整個閘門監控系統，達到直接快速通信以及對監控和管理信息的集成。以太網還具備同步傳輸數據、文字、圖像的功能，可方便工作人員監控多種類型軟件和遠程修改參數。

3.2 數據傳輸協議及傳輸媒介

異構型網絡互聯的最大問題在于不同協議之間的轉換，異構計算機之間實現通信互連需要進行多次轉換，n 臺計算機則需要轉換協議n(n-1)次。而基于TCP/IP 的網絡通訊協議可以減少異構計算機通信互連需轉換協議的次數，n 臺計算機只需轉換n 次通信協議，并編寫TCP/IP 協議支持下的通信程序，即可實現通信互連。

新閘和老閘距離間隔較遠，新閘和老閘之間采用光纖連接。光纖通訊的原理為將傳輸信息首先轉換成電信號，將其調制到激光器發出的光束上，通過光纖發送光信號［4］。接收端檢測器將收集的光信號再轉換成電信號，恢復原信息。和傳統數據傳輸媒介相比，光纖通訊具有容量大、衰減小、抗干擾性能力強、抗腐蝕性強、溫度使用范圍廣、安全性高、成本低的特點，非常適合用于數據傳輸介質。

4 控制中心主站系統設計

控制中心計算機系統以windows 系統為操作平臺，構成網絡體系。并配置為通信監控處理機、數據服務器以及工作站，構建可伸縮結構控制系統［5］。由于水閘自動監控系統需要處理大量數據，并且存在自動監控現地設備受外界因素干擾作用強，因而需要采用高配置、冗余設計，確保系統整體的可靠性。對于數據處理量較少的部分，可采用高性價比的設備，如現地控制裝置，減少成本。另外，在通訊系統和通訊方式選擇上，需要根據項目大小選擇合適的通訊系統和方式。如通訊距離較短，可采用網絡通信方式，既保證通信系統的可靠性，還能提高系統整體的性能指標。

5 結語

實現水閘自動化監控系統精確掌握水閘水位運行情況，及時搜集實時水位數據，提高系統運行焦慮，減少故障，節省水電，降低人工勞動強度?？偠灾?，水閘自動化監控系統具有極高的社會經濟效益。本文就水閘自動化監控系統的各個主體結構設計及設備選擇進行分析，但是由于自動控制系統的實際應用環境非常復雜，系統設備不僅需要面臨直接雷擊風險，還需要面臨雷擊引起的電源和通信線路中感應電流涌浪帶來的風險。因此，設計水閘自動化監控系統時還需要加強抗干擾研究，減少因雷擊引起的儀器儀表損壞，降低損失，最大限度的發揮自動化監控系統的經濟效益和社會效益。

［1］邱明.基于水電站自動監控系統的構建研究［J］.科技資訊，2014，09(28):13-14.

［2］徐艷.現代光纖通信傳輸技術的應用分析［J］.電子世界，2014，06(18):274-275.

［3］申林，徐丹.自動化系統在水閘工程應用中的問題與解決方法［J］.小水電，2015，12(03):66-67.

［4］柳文述.城域網中配電自動化關鍵技術的研究［J］.湖北民族學院學報(自然科學版)，2015，09(02):215-217 +224.

［5］王輝，羅震，韓智.淺析自動化監控系統在水閘運行管理中的應用［J］.科技信息，2013，13(10):406-407.