朱 寧 孫 衍 楊興麗

水閘是防洪泵站的主要設(shè)備，具有調(diào)度、防洪等作用。在信息時(shí)代下，自動(dòng)化、智能化的水閘調(diào)度運(yùn)行是當(dāng)前水利工程研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向?？茖W(xué)合理的水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)不僅可以提高水閘調(diào)度運(yùn)行效率，還能降低設(shè)備運(yùn)行成本和管理費(fèi)用，有較大的應(yīng)用價(jià)值。以某防洪泵站工程為例，對(duì)水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了具體分析，僅供參考借鑒。

一、某防洪泵站工程概況

某防洪泵站工程位于城市郊區(qū)，中心包圍圈面積14.43km2，堤線總長(zhǎng)17.21km，其中15.32km為路堤，1.89km為防洪堤，沿防洪提河口修建節(jié)制閥17座，泵站7座，其中泵站與閘結(jié)合。該工程設(shè)計(jì)為III級(jí)工程，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。按照50年一遇洪水設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，20年一遇、24h暴雨24h排出設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)，排澇流量為69.5m3/s。參照黃海高程設(shè)計(jì)內(nèi)河水位，具體為2.21m，洪水位2.63m。

二、防洪泵站水閘自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成、功能及自動(dòng)化流程、控制模式

（一）系統(tǒng)構(gòu)成及功能

該工程規(guī)模巨大、作用突出，這就決定了水閘調(diào)度運(yùn)行的重要性，需采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)。水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括調(diào)度監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、圖像監(jiān)視系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)等。各部分相互聯(lián)系，互為依靠，構(gòu)成了一個(gè)功能齊全、性能優(yōu)良的水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1.調(diào)度監(jiān)控中心

調(diào)度控制中心是水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，主要設(shè)備有計(jì)算機(jī)、傳輸設(shè)備、UPS電源、存儲(chǔ)設(shè)備、背投大屏幕、電視墻等?？刂浦行耐ㄟ^電視墻監(jiān)督查看所有水閘設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)、內(nèi)外河水位等，同時(shí)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制對(duì)這些設(shè)施進(jìn)行操作控制，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、視頻圖像等，方便事后調(diào)查。調(diào)度控制中心的所有數(shù)據(jù)都可以傳輸至背投大屏幕上，為防洪組織安排提供支持。

2.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)備包括控制屏、傳感器、執(zhí)行元件等。其中，執(zhí)行元件的命令來自調(diào)度控制中心。通過調(diào)度控制中心的命令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，包括閘門啟動(dòng)、閘門的鎖定機(jī)構(gòu)投入和解鎖、閘門止水橡皮潤(rùn)滑水的投入和切除、水泵潤(rùn)滑水投入和切除、水泵的運(yùn)行和停止等。

3.圖像監(jiān)視系統(tǒng)

圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要包括攝像頭、光端機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、視頻顯示器等。在各水閘現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭和光端機(jī)，24h不間斷工作。系統(tǒng)主要功能：一是對(duì)水閘本體、水位、水泵機(jī)組、鎖定機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握各個(gè)方面的動(dòng)態(tài)變化情況。二是對(duì)整個(gè)閘區(qū)范圍進(jìn)行巡視。

4.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用光電網(wǎng)絡(luò)裸光纖模式，為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)點(diǎn)與控制中心的連接都采用獨(dú)立的專用光纖，不與外網(wǎng)相聯(lián)。這樣的設(shè)計(jì)不僅保證了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)陌踩?，也提高了圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5.照明控制系統(tǒng)

照明控制系統(tǒng)設(shè)備有照明燈、照明控制箱等。夜間操作時(shí)，通過控制中心遠(yuǎn)程啟動(dòng)室內(nèi)外照明設(shè)施，保證光源充足，使視頻攝像頭有工作的條件。

6.安全防范系統(tǒng)

安全防范系統(tǒng)設(shè)備主要有紅外線報(bào)警器、示警喇叭、安防探頭及控制中心的安防主機(jī)等。在無人值守模式下，開啟安防系統(tǒng)，當(dāng)人或動(dòng)物進(jìn)入時(shí)，一旦觸發(fā)水閘上的紅外線報(bào)警器，信號(hào)立即傳至控制中心，由控制中心向示警喇叭發(fā)出執(zhí)行命令，示警喇叭立即響應(yīng)，鳴叫示警。此時(shí)，值班人員視頻監(jiān)視系統(tǒng)查看閘區(qū)內(nèi)的安全狀況，結(jié)合實(shí)際情況做出具體的工作安排。

7.交通指揮系統(tǒng)

交通指揮系統(tǒng)設(shè)備有語言廣播、紅綠燈等。主要功能是指揮調(diào)度過往船只，確保船只、閘門等安全。

圖1 系統(tǒng)自動(dòng)化流程圖

（二）自動(dòng)化流程

該水閘自動(dòng)化運(yùn)行流程如圖1所示，其最大的一個(gè)特點(diǎn)就是可以按照操作者設(shè)定參數(shù)進(jìn)行開機(jī)、自檢等。在全自動(dòng)模式下，當(dāng)水位達(dá)到操作者設(shè)定的啟動(dòng)限制時(shí)，系統(tǒng)按照事先設(shè)定啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)組。如啟動(dòng)1#機(jī)組后水位沒有下降，而是持續(xù)上升，此時(shí)要繼續(xù)檢測(cè)，直到開啟4#機(jī)組限值。反復(fù)重復(fù)這樣的操作，直至水位停止上漲，方可終止運(yùn)行。在系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行過程中，值得注意的是：當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可能造成整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)異常，甚至無法正常啟動(dòng)。為了避免影響水閘系統(tǒng)的正常啟動(dòng)，可針對(duì)以上問題設(shè)定提示功能，方便人員及時(shí)處理。在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下，如果系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)符合操作者設(shè)定的關(guān)機(jī)條件，則按照設(shè)定依次關(guān)機(jī)，先關(guān)閉電機(jī)，再關(guān)閉其他設(shè)備。

（三）控制模式

該水閘控制系統(tǒng)設(shè)定了五種控制模式，分別為現(xiàn)場(chǎng)遙控操作、全自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視控制。現(xiàn)場(chǎng)遙控控制：操作人員直接在上位機(jī)上手動(dòng)控制閘門或設(shè)備，通過人工方式控制實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門、設(shè)備的控制；全自動(dòng)控制：根據(jù)操作者設(shè)定參數(shù)進(jìn)行開關(guān)機(jī)、檢測(cè)、閘門啟動(dòng)等；半自動(dòng)控制：操作者自行選擇機(jī)組號(hào)以實(shí)現(xiàn)閘門、設(shè)備的自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉；手段控制：操作者直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控屏上進(jìn)行操作，對(duì)閘門、設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制；遠(yuǎn)程監(jiān)視控制：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地實(shí)物模擬顯示機(jī)組的開機(jī)、關(guān)機(jī)與運(yùn)行，同時(shí)可顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行中的參數(shù)。

三、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（一）縮短操作時(shí)間，提高反應(yīng)速度

如果不采用閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地操作一般需要三人一組，逐一開啟各水閘門、水泵，待全部閘門、水泵投入運(yùn)行，至少需要4h。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，只需一人值班，水閘門基本實(shí)現(xiàn)無人值守。接到控制中心運(yùn)行指令后，值班人員通過控制中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制水閘、設(shè)備的啟動(dòng)，2h內(nèi)可以完成全部設(shè)備的啟動(dòng)操作，既節(jié)省了操作時(shí)間，也提高了反應(yīng)速度，極大提升防洪泵站運(yùn)行效率。

（二）優(yōu)化管理模式，降低運(yùn)行成本

該防洪泵站初期設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)采用傳統(tǒng)的工作模式，若按照傳統(tǒng)方式，需要40名管理人員，無論是管理成本還是人工成本都很大。經(jīng)研究決定采用自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)，實(shí)行無人值守模式，僅僅需要6個(gè)人就可以確保所有工作正常運(yùn)行，人工成本、管理成本極大的減少。經(jīng)過計(jì)算與對(duì)比，這種無人值守的操作管理模式比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地操作模式節(jié)省費(fèi)用90萬元以上。

（三）強(qiáng)化設(shè)備監(jiān)控，規(guī)范臺(tái)賬記錄

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地操作模式下，操作人員每間隔一段時(shí)間就要對(duì)設(shè)備運(yùn)行記錄進(jìn)行一次記錄。由于采用人工方式，臺(tái)賬記錄工作量不僅大，還可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范、錯(cuò)誤等問題。由于臺(tái)賬記錄工作不當(dāng)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)每一臺(tái)設(shè)備的跟蹤監(jiān)控，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，故障率較高。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全過程的跟蹤監(jiān)控，自動(dòng)記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的安全隱患并盡早排查，將設(shè)備隱患消滅在萌芽中。

（四）加強(qiáng)安全管理，提高生產(chǎn)安全水平

防洪泵站工程一般都在城鄉(xiāng)結(jié)合部，交通條件不佳，對(duì)水閘工作時(shí)基本都是風(fēng)大雨大的時(shí)候。在這種極端天氣環(huán)境下，如果需要人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作控制，工作危險(xiǎn)性大，易發(fā)生安全事故。而且，工程規(guī)模龐大，設(shè)備類型多，若無人監(jiān)管可能出現(xiàn)設(shè)備丟失等情況，若派人監(jiān)督，又會(huì)增加人工成本。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作由操作人員在上位機(jī)直接遠(yuǎn)程操控，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)后立即發(fā)出警告。即使無人在現(xiàn)場(chǎng)，也可以控制水閘啟閉，既保證設(shè)備安全，也保護(hù)人員安全。

四、結(jié)論

綜上所述，防洪泵站水閘應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)是水利工程調(diào)度運(yùn)行的主要趨勢(shì)，其應(yīng)用效果十分顯著。不僅能提高工作效率、優(yōu)化管理模式，還能明顯加強(qiáng)監(jiān)控、控制，降低運(yùn)行成本，值得應(yīng)用推廣