段家貴

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山 063021）

隨著科學(xué)的發(fā)展，我國水工建筑物建設(shè)的總體技術(shù)得到了很大的提高，而水閘的建設(shè)更是沒有絲毫的懈怠。這主要是因?yàn)樗l在整個水工建筑物中起著至關(guān)重要的作用，沒有可靠的水閘，一切防洪、抗災(zāi)都是紙上談兵。然而，傳統(tǒng)的人工管理水閘的簡單方法在很大程度上限制了水閘作用的發(fā)揮，造成了人力、物力、財力的極大浪費(fèi)。由此可見，改造水閘的運(yùn)行管理迫在眉睫，實(shí)施自動控制管理是水閘管理的必然發(fā)展趨勢。

隨之出現(xiàn)的新型閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠執(zhí)行準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行自動化控制。該系統(tǒng)集現(xiàn)代通信技術(shù)、自動運(yùn)行設(shè)備、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及現(xiàn)代測量技術(shù)等多種高新技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了水情的自動檢測與控制。水閘實(shí)行自動化管理，從而大大解放了灌區(qū)、水庫、水電廠、河道、供水渠等地方的勞動力。該系統(tǒng)所涉及的閘門造型從平板門到弧型門再到快速門，運(yùn)行方式也不受限制，具體有液壓方式、卷揚(yáng)機(jī)方式或螺桿方式。

西方一些國家早已在水庫和電站的大、中型閘門組運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了庫水位等的計算機(jī)自動監(jiān)測及閘門開關(guān)的自動控制。而我國在這方面起步晚，從20世紀(jì)80年代才開始研究，通過引進(jìn)西方不同的RTU設(shè)備進(jìn)行消化吸收，結(jié)合中國國情，開發(fā)出了具有我國特色的自動監(jiān)控閘門系統(tǒng)，并得到了我國水利工作者的廣泛認(rèn)同[1]。

1 水閘自動監(jiān)控系統(tǒng)的主要組件

1.1 傳感部件

在水閘自動監(jiān)測系統(tǒng)中常用的測量傳感器件有閘位傳感器、水位傳感器以及對現(xiàn)場工況的測量。閘位傳感器又稱閘門開度傳感器（其原理很大程度上與水位傳感器相似），根據(jù)輸出信號的類型不同可分為模擬式和數(shù)字式閘門開度傳感器。早期的模擬式閘門開度傳感器一般以精密線繞多圈電位器作為傳感器件，將閘門啟閉機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動通過傳動裝置引至電位器的旋轉(zhuǎn)軸，在閘門啟閉的過程中電位器旋轉(zhuǎn)軸跟著轉(zhuǎn)動，使得電位器的動臂與某一固定臂之間的阻值隨著閘門的升降而變化。當(dāng)在電位器的兩固定臂施加電壓時，即可從動臂取走一電位值。

通常，數(shù)字型的閘門傳感器可以分為編碼式的和計數(shù)式的，在實(shí)際運(yùn)用過程中主要是采用計數(shù)式的，其原理是將啟閉機(jī)的位移角進(jìn)行數(shù)據(jù)化，然后通過計數(shù)脈沖對位移角進(jìn)行計數(shù)。記錄脈沖的儀器可以由霍爾器件或者干簧管組成，在記錄和保存時都有電源支持，輸出的數(shù)據(jù)格式一般是格雷碼、BCD碼或二進(jìn)制。

1.2 信道

在閘群自動監(jiān)控系統(tǒng)中，通信道是一個極其重要的部分。因?yàn)橥ㄐ诺赖目煽啃?、穩(wěn)定性直接影響到整個系統(tǒng)的工作，而且通常是系統(tǒng)里價格最為昂貴的部分。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要用于閘控站與中心站的通信，也包括閘控站之間或與水位站之間的通信。通信鏈路種類可以是有線或無線的，常用的有超短波、微波、光纖和電纜等[2]。通信方式一般采用全集上應(yīng)警方式，即可由中心站觸發(fā)通信和閘控站觸發(fā)通信。

1.3 遠(yuǎn)程控制單元

遠(yuǎn)程控制終端可以由各種各樣的元器件或部件組成。為了適應(yīng)遠(yuǎn)程控制的需要，國內(nèi)外一些研究部門和生產(chǎn)廠家，將遠(yuǎn)程終端站的主要控制部件組裝在一起，稱為遠(yuǎn)程控制單元，即 RTU。RTU具有工作可靠、性能穩(wěn)定、功能齊全（并可選擇）、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過多年的改進(jìn)提高，現(xiàn)在已有許多定型的、性能優(yōu)越的RTU面市。作為系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行的工作站，遠(yuǎn)程控制單元通過本地控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)本地的控制。該單元能夠出色地完成連鎖控制的任務(wù)，具體工作有前饋、反饋以及同時實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能等。

在采集數(shù)據(jù)時，充當(dāng)著遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元的作用，從而連接到本站與中心站或其他站之間的通信和操作。遠(yuǎn)程控制單元中的模塊有CPU單元、能存儲數(shù)據(jù)的輸入/輸出模塊、通信接口模塊以及與之相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備，具體如通信機(jī)、收發(fā)天線、機(jī)箱、電源等。在RTU的CPU中，需要事先下載執(zhí)行任務(wù)的程序，該程序編程語言可以采用Visual C++等編寫[3]。

2 閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)工作時，要求閘門收集信息穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，閘控及配電保護(hù)措施設(shè)計完善。據(jù)以上特點(diǎn)及安全設(shè)計規(guī)范可知，自動化系統(tǒng)的設(shè)計需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）以基本功能為基礎(chǔ)前提，以設(shè)備的實(shí)用性及可靠性為主，注重安全檢測和安全監(jiān)控，降低設(shè)備運(yùn)行的失誤和障礙發(fā)生率。

（2）閘門和配電室周圍有各種不利于監(jiān)控系統(tǒng)的電磁干擾，在強(qiáng)電和雷電的干擾下，系統(tǒng)必須具備抵抗惡劣環(huán)境的能力。

（3）實(shí)行參數(shù)應(yīng)答式工作機(jī)制。

（4）操作應(yīng)該簡單易懂，利于維修。

（5）閘群控制組網(wǎng)需靈活便于操作。

（6）閘群自動監(jiān)控與自動預(yù)測系統(tǒng)配套，水情自動預(yù)測應(yīng)該按照規(guī)范SL61 - 94執(zhí)行，符合用戶需要。

2.2 閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)工作體制選擇

2.2.l可編程控制器（即PLC系統(tǒng)）

PLC系統(tǒng)適用于現(xiàn)場的測量控制。其現(xiàn)場測控功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、技術(shù)成熟、使用比較廣泛，價格合理，但它只局限于通信場臺，在閘門自動化中可用于單閘就地自動控制。

2.2.2 分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（即SCADA系統(tǒng)）

SCADA系統(tǒng)屬于中小規(guī)模的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由三部分組成：遠(yuǎn)程控制單元 RTU、通信網(wǎng)絡(luò)及控制中心。它具有多種特點(diǎn)，能夠現(xiàn)場測控，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息資源共享。其中的一個系統(tǒng)既能夠配備有線通信系統(tǒng)，又能夠配備無線通信系統(tǒng)，而且無線通信系統(tǒng)更加適合廣泛的地域應(yīng)用環(huán)境。

SCADA系統(tǒng)主要可以應(yīng)用于石油、供電、水利這些行業(yè)，在地理環(huán)境特別惡劣或者無人看守的情況下，尤其適合遠(yuǎn)程監(jiān)控，此系統(tǒng)的性價比較高。目前中小規(guī)模閘群自動控制和水利樞紐自動控制系統(tǒng)中，已經(jīng)有很多的應(yīng)用案例及推廣前景。

3 應(yīng)用實(shí)例分析—陡河水庫

陡河水庫位于陡河上游，在唐山市市區(qū)東北15km，是一座以防洪為主，兼供唐山市市區(qū)工業(yè)和生活用水及庫區(qū)周邊和下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程；引灤入唐工程修建后，又是引灤入唐終端調(diào)節(jié)水庫。

水庫興建于1955年，建成于1956年并投入運(yùn)行，歷經(jīng)1969～1971年續(xù)建，1976～1977年震后修復(fù)，1988～1989年提高保壩標(biāo)準(zhǔn)工程建設(shè)，到1990年全部完工，達(dá)到千年一遇設(shè)計，萬年一遇校核的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

陡河水庫是年調(diào)節(jié)水庫，死水位28m（大沽高程，下同），汛限水位34m，正常蓄水位34m，設(shè)計洪水位40.3m，校核洪水位43.4m，總庫容5.152億m3，其中調(diào)節(jié)庫容4.414億m3，興利庫容0.684億m3。在實(shí)際運(yùn)用中，為保陡河電廠供水要求，水庫水位不低于30.0m，實(shí)際上水庫興利庫容僅為 0.557億 m3。因該庫距唐山市區(qū)近，是唐山市的頭頂庫，運(yùn)行原則是在保證水庫工程安全的前提下確保唐山市區(qū)防洪和用水安全。

陡河閘測控自動化系統(tǒng)由陡河水情自動測報分系統(tǒng)、陡河閘門自動監(jiān)控子系統(tǒng)以及超聲波流量測量子系統(tǒng)等組成。共含3個雨量遙測站、1個水位／雨量遙測站、1個三孔閘門的自動監(jiān)控站，1個超聲波流量檢測站及陡河閘測控中心站。

陡河控站的主要作用如下。

（1）對現(xiàn)場三孔閘門自動進(jìn)行周期性、實(shí)時性現(xiàn)場信息采集，井對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（2）自動控制三孔閘門的啟、閉運(yùn)行。

（3）對各閘運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場工況及電源變化進(jìn)行檢查和報警處理。

（4）與中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受中心站調(diào)控命令，井反饋本站執(zhí)行命令后的狀態(tài)信息。

[1]劉小力,高祥.嵌入式系統(tǒng)在閘門控制中的應(yīng)用[J].水電自動化與大壩監(jiān)測.2009,33(1)∶76-78.

[2]李彬,陳茹.伊朗 MOLLASADRA水電站底孔工作閘門及事故閘門設(shè)計[J].水利電力機(jī)械.2006(11).

[3]韓曉翠.基于單片機(jī)的中小水電站閘門控制系統(tǒng)[D].山東∶山東大學(xué),2007.