（福建省南安市筍塔水庫管理處，福建南安 362300）

1 概 況

筍塔水庫溢洪道位于大壩右端，設(shè)計(jì)流量706 m3/s，校核流量892 m3/s，全長250.60 m，進(jìn)口為有閘寬頂堰，堰凈寬30 m，堰頂高程120.32 m；安裝6.5 m×10 m 鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門3 扇，配2×10t 手搖電動(dòng)兩用卷揚(yáng)機(jī)3 臺(tái)。

筍塔水庫閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)始建于2004 年底，曾為筍塔水庫防洪興利發(fā)揮了一定的作用。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件相對(duì)落后，監(jiān)控采用模擬信號(hào)傳輸，線路采用雙絞線，信號(hào)衰減較為嚴(yán)重，系統(tǒng)故障較多，經(jīng)幾年運(yùn)行后，元器件老化損壞，后來基本不能使用，2014 年水庫大壩除險(xiǎn)加固時(shí)全部拆除。

2 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重建的必要性及擬建成目標(biāo)

2.1 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重建的必要性

1）筍塔水庫地處暴雨區(qū)域，集雨面積較大，庫容相對(duì)較小，汛期閘門啟閉頻繁；管理處與泄洪閘房相距近千米，對(duì)閘門控制不方便、不安全，不能滿足目前水庫防洪調(diào)度快速反應(yīng)的要求，因此重建閘門監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。

2）運(yùn)用信息技術(shù)（計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊技術(shù)）能及時(shí)、快捷、準(zhǔn)確、可靠地傳遞水、雨情，有效地提高洪水預(yù)報(bào)精度和延長洪水預(yù)見期，為制定防洪調(diào)度方案提供科學(xué)、快速、準(zhǔn)確的依據(jù)和手段，進(jìn)一步提高水庫防洪減災(zāi)能力，對(duì)保護(hù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全起著重要作用。

3）系統(tǒng)具有信息資源共享，網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查詢功能。通過分析水雨情資料、水位流量關(guān)系，有助于修正優(yōu)化防洪興利調(diào)度計(jì)劃，為水庫防汛、供水管理決策提供科學(xué)依據(jù)，充分利用水資源，最大限度地發(fā)揮防洪及供水等方面的效益。

4）對(duì)水庫有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，分析變化趨勢，為管理部門及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水庫的運(yùn)行狀況提供科學(xué)依據(jù)，極大地提高對(duì)水庫工程的科學(xué)管理水平。

2.2 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

1）對(duì)水庫流域內(nèi)水、雨情信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集和監(jiān)測。

2）可現(xiàn)地手動(dòng)或自動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制各扇閘門的啟閉停狀態(tài)，自動(dòng)檢測各扇閘門的開度、上游水位、泄洪流量；可實(shí)現(xiàn)定閘門開度、定泄流量的自動(dòng)控制功能。

3）建立數(shù)據(jù)庫，提供相關(guān)信息查詢服務(wù)。提供各時(shí)段的雨量、水庫水位、閘門狀態(tài)、泄流量、泄洪量統(tǒng)計(jì)等相關(guān)數(shù)據(jù)的報(bào)表，并可打印成紙質(zhì)資料。

4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋重要監(jiān)控區(qū)域（大壩概貌、水庫概貌、水庫水尺觀測、各扇閘門啟閉機(jī)動(dòng)作監(jiān)視、溢洪道泄流監(jiān)視等），24 h 在線智能監(jiān)控，要有良好的夜視能力，歷史數(shù)據(jù)存檔期不少于10 d。

5）系統(tǒng)具有直觀良好的操作界面。

6）系統(tǒng)應(yīng)具有可拓展性，為今后水庫建設(shè)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、大壩滲流和壩體沉陷位移變形監(jiān)測系統(tǒng)提供拓展平臺(tái)。

3 建設(shè)原則

1）實(shí)用性與先進(jìn)性。采用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，保證系統(tǒng)實(shí)用，隨機(jī)信息采樣周期及操作響應(yīng)時(shí)間短，實(shí)時(shí)性好。在開放性與標(biāo)準(zhǔn)化方面，采用開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級(jí)、擴(kuò)展和互聯(lián)。

2）可靠性與安全性。主要考慮兩個(gè)方面：一是充分利用現(xiàn)有的高可靠性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全可靠；二是采用成熟的采集設(shè)備、控制設(shè)備、傳輸設(shè)備等，采取必要的防護(hù)措施保證系統(tǒng)有較高的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力，并設(shè)置系統(tǒng)的用戶表及口令限制，確保系統(tǒng)能長期可靠地運(yùn)行。

3）經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性。在滿足工程需要的前提下，選用性能價(jià)格比高的設(shè)備；采用的設(shè)備充分考慮易擴(kuò)展、易升級(jí)換代，并且在擴(kuò)展或升級(jí)時(shí)可以最大限度地保護(hù)原有的硬件設(shè)備和軟件投資。

4）集成性和可維護(hù)性。系統(tǒng)采用功能模塊集成且相對(duì)獨(dú)立，一個(gè)功能模塊故障不影響其它功能模塊的工作；監(jiān)控主機(jī)具有自動(dòng)診斷功能，能判定故障位置，便于維護(hù)。

5）統(tǒng)一規(guī)劃和分步實(shí)施。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)、分步實(shí)施；系統(tǒng)應(yīng)留有擴(kuò)展的余地和接口，使系統(tǒng)易于規(guī)模擴(kuò)展和功能擴(kuò)展；為以后大壩沉陷、位移、滲漏監(jiān)測系統(tǒng)及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的續(xù)建提供平臺(tái)，避免重復(fù)建設(shè)。

4 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能

本系統(tǒng)分為3 個(gè)子系統(tǒng)：一是水雨情自動(dòng)測報(bào)子系統(tǒng)，二是視頻監(jiān)視子系統(tǒng)，三是閘門自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)。

4.1 水雨情自動(dòng)測報(bào)子系統(tǒng)

通過傳感器和監(jiān)測設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)水雨情信息的實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測。其由1 個(gè)水位雨量測站、2 個(gè)雨量測站和數(shù)據(jù)采集中心組成；監(jiān)測站主要包括傳感器（水位計(jì)及雨量計(jì)）、遙測終端機(jī)RTU、4G 通訊模塊、太陽能電池板、蓄電池、充電保護(hù)控制器、光纖收發(fā)器等；數(shù)據(jù)采集中心有路由器、前置機(jī)、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)等組成。

軟件功能：①雨情信息：系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)雨量查詢，可顯示各雨量站的名稱、24 h 內(nèi)的降雨情況，可以查看雨量數(shù)據(jù)報(bào)表。②水情信息：系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)水位查詢，并以閃爍提示方式顯示超汛限和超警戒水位?？梢圆榭此贿^程線和水位數(shù)據(jù)報(bào)表。

4.2 視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

通過現(xiàn)場攝像裝置，將現(xiàn)場實(shí)時(shí)情景以圖像準(zhǔn)確、快速、清晰地傳輸?shù)焦芾硖幈O(jiān)控中心，值班人員根據(jù)圖像直觀地掌握相關(guān)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀況和事故處理情況等；實(shí)時(shí)采集到的視頻信息存儲(chǔ)在服務(wù)器中，作為歷史資料以供查詢。

本視頻監(jiān)視子系統(tǒng)共設(shè)置9 個(gè)監(jiān)視點(diǎn)。設(shè)置3 個(gè)槍式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分別監(jiān)視3 個(gè)閘門啟閉機(jī)動(dòng)作情況，設(shè)置2 個(gè)球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分別監(jiān)視閘門處溢洪道上、下游泄洪情況，設(shè)置1 個(gè)球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)觀察水尺，設(shè)置2 個(gè)球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分別位于大壩左右側(cè)以監(jiān)視大壩，設(shè)置1 個(gè)球式紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)視庫區(qū)。

軟件功能：系統(tǒng)支持在統(tǒng)一平臺(tái)遠(yuǎn)程查看各視頻點(diǎn)信息，對(duì)各視頻監(jiān)視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任意切換查看；支持調(diào)整多畫面集成與分解及對(duì)視頻信息多畫面靈活調(diào)整的實(shí)時(shí)查看；并可以通過軟件控制現(xiàn)場的攝像機(jī)鏡頭以及云臺(tái)，調(diào)整光圈大小、焦距遠(yuǎn)近、變倍高低以及圖像角度等，滿足對(duì)現(xiàn)場多方位監(jiān)控需要；支持將視頻在內(nèi)外網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)上分級(jí)發(fā)布，當(dāng)工作人員外出時(shí)，能隨時(shí)通過不同網(wǎng)絡(luò)獲取視頻信息。

4.3 閘門自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)

閘門自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)可分為閘門監(jiān)控和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩部分。

閘門監(jiān)控采用3 層開放分布式結(jié)構(gòu)，其包括現(xiàn)地手動(dòng)控制層，現(xiàn)地集中控制層，管理處監(jiān)控中心（遠(yuǎn)程）控制層等部分。

1）現(xiàn)地手動(dòng)控制層設(shè)于閘門啟閉機(jī)端，每個(gè)閘門各配置一套，由啟閉電機(jī)、常規(guī)的繼電器、限位開關(guān)等組成控制回路，實(shí)現(xiàn)每扇閘門的啟、閉、?？刂?。

2）現(xiàn)地集中控制層設(shè)在溢洪道閘房內(nèi)，由LCU機(jī)柜內(nèi)的PLC 模塊、觸摸屏等組成。其自身軟、硬件能獨(dú)立完成運(yùn)行，主要功能有：①通過傳感器對(duì)水位、閘門開度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)均能在系統(tǒng)界面上顯示；②人工在觸摸屏上鍵入指令，實(shí)現(xiàn)閘門的控制；③實(shí)施管理處監(jiān)控中心主機(jī)的控制命令，控制閘門自動(dòng)升、降、停；④對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷，網(wǎng)絡(luò)和其它控制器故障不會(huì)影響其工作。

3）管理處監(jiān)控中心（遠(yuǎn)程）控制層設(shè)在水庫管理處，其由網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成，接收、儲(chǔ)存現(xiàn)地集中控制層的采集信息，值班人員可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的調(diào)整，形成調(diào)度指令并將指令下達(dá)。

4）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用全開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)等都使用符合開放系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的中文版操作系統(tǒng)。

4.4 閘門自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)軟件應(yīng)具備的主要功能

1）時(shí)鐘同步。能夠使系統(tǒng)中的智能電子設(shè)備獲得統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，這對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和安全保護(hù)具有重要的意義。

2）數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)地控制層能接收各傳感器的測量數(shù)據(jù)及故障信息，并發(fā)送到管理處中心控制層；且接收管理處監(jiān)控中心下達(dá)的各種控制指令。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過傳感器采集閘門運(yùn)行狀態(tài)及開度等各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以供查詢，準(zhǔn)確反映各設(shè)備的動(dòng)作情況。

4）可視化管理功能。通過分別裝在溢洪道閘門上下游附近的二個(gè)彩色球形攝像機(jī)與閘門聯(lián)動(dòng)對(duì)閘門工況進(jìn)行監(jiān)視，查看閘門上下游側(cè)水位、泄洪水流的形態(tài)。

5）計(jì)算統(tǒng)計(jì)。根據(jù)上下游水位、閘門開度確定泄洪流態(tài)，計(jì)算泄洪流量及泄洪水量；或根據(jù)水庫水位變化情況及庫容曲線確定上游來水量，并根據(jù)上下游水位、下泄流量、閘門的流量關(guān)系曲線等計(jì)算出開啟的閘門數(shù)和開度，自動(dòng)控制閘門啟閉實(shí)現(xiàn)控制水位和控制流量平衡。

6）控制與調(diào)節(jié)。操作人員在監(jiān)控中心主機(jī)或現(xiàn)地控制單元通過密碼登錄方式進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)則根據(jù)預(yù)定原則由操作人員輸入指令，完成對(duì)閘門的控制、調(diào)節(jié)，發(fā)生故障立即自動(dòng)停止閘門的動(dòng)作。

7）越限報(bào)警。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)要采集的參數(shù)項(xiàng)目設(shè)置上、下限值，當(dāng)系統(tǒng)檢測到越限等異常狀態(tài)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警且將異常狀態(tài)信號(hào)顯示于顯示屏上，并在數(shù)據(jù)庫中記錄下來，以供查詢。

8）自診斷、故障報(bào)警。系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析，能對(duì)硬件設(shè)備、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件的故障進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)故障征兆或故障，立即停止該部分設(shè)備的運(yùn)行（閉鎖相應(yīng)的控制輸出），報(bào)警、并自動(dòng)顯示和記錄。

9）記錄。對(duì)所采集的參數(shù)各按設(shè)定每隔一段時(shí)間保持一次，對(duì)閘門啟閉過程及前后狀態(tài)進(jìn)行記錄，以供查詢。

10）歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與查詢。中心站主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫能存儲(chǔ)本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，觸摸屏只能存儲(chǔ)少量的報(bào)警及過程數(shù)據(jù)；它們都提供查詢接口。

11）打印功能。對(duì)能在顯示器中顯示的采集數(shù)據(jù)、匯總報(bào)表及視頻圖像都能通過設(shè)定的打印機(jī)打印出來。

5 采用的安全措施

1）設(shè)置權(quán)限管理。各監(jiān)控站對(duì)閘門進(jìn)行監(jiān)控操作的先決條件是必須擁有系統(tǒng)控制權(quán)限，系統(tǒng)控制權(quán)限只有現(xiàn)場監(jiān)控站才能進(jìn)行授予、改變或收回。如果有幾個(gè)監(jiān)控站都擁有控制權(quán)限，他們同時(shí)發(fā)出操作閘門指令，系統(tǒng)則會(huì)比較他們的權(quán)限級(jí)別，權(quán)限級(jí)別比較高的指令獲得執(zhí)行，級(jí)別低的就會(huì)被屏蔽掉。

2）設(shè)置支持視頻子系統(tǒng)與閘門監(jiān)控子系統(tǒng)頁面集成，使閘門出水口實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像與閘門監(jiān)控子系統(tǒng)的監(jiān)控界面同一窗口顯示，讓操作人員在實(shí)施控制閘門時(shí)，能同時(shí)看到整個(gè)閘門及其啟閉機(jī)現(xiàn)場的真實(shí)反應(yīng)動(dòng)作，并能夠?qū)ΡO(jiān)控圖像的攝像機(jī)的云臺(tái)、變焦等進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

3）配置閘位上、下限位保護(hù)。將上、下限位開關(guān)分別接入閘門啟、閉電路，當(dāng)閘門運(yùn)動(dòng)至限制位置，自動(dòng)切斷控制電路，防止閘門開、關(guān)過頭。

4）設(shè)置電機(jī)保護(hù)器檢測電動(dòng)機(jī)電壓、電流，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載或缺相等故障時(shí)能隨時(shí)報(bào)警，并切斷控制電路，停止閘門啟閉。

5）PLC 軟件設(shè)計(jì)具有自檢功能，系統(tǒng)通電PLC 首先對(duì)各個(gè)傳感器輸入信號(hào)和控制狀態(tài)反饋信號(hào)進(jìn)行檢測，各個(gè)信號(hào)準(zhǔn)確無誤后才進(jìn)入運(yùn)行控制程序。

6）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用自鎖和互鎖功能。當(dāng)自檢測到故障時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入自鎖狀態(tài)，立即停止閘門運(yùn)行，只有故障排除后才能啟動(dòng)控制程序。

7）故障時(shí)緊急停機(jī)措施。在閘門啟閉電機(jī)動(dòng)力線路上接入斷路器，軟件設(shè)計(jì)為：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出閘門停止的控制命令2 s后，閘門仍繼續(xù)運(yùn)行，若電機(jī)動(dòng)力線路接觸器故障，就必須緊急斷開斷路器，切斷電機(jī)電源，停止閘門運(yùn)動(dòng)。

8）掉電保護(hù)。中心站在失去正常供電電源時(shí)，系統(tǒng)能迅速啟用備用直流電源供電，以保證在一段時(shí)間內(nèi)能繼續(xù)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存，避免信息丟失，當(dāng)主電源恢復(fù)供電時(shí)，又自動(dòng)切換為主電源供電。

9）設(shè)置“防火墻”。在網(wǎng)絡(luò)中，將內(nèi)部網(wǎng)和公眾訪問網(wǎng)（Internet）分開，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)執(zhí)行一種訪問控制尺度，它能允許你“同意”的人和數(shù)據(jù)進(jìn)入你的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將你“不同意”的人和數(shù)據(jù)拒之門外，保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)免受非法用戶入侵。

10）防雷設(shè)施。針對(duì)水庫的工程特點(diǎn)，要采用多個(gè)環(huán)節(jié)和多種措施進(jìn)行防雷保護(hù)，主要措施有：合理、規(guī)范的接地處理；電源防雷；儀器及引線防雷；通信系統(tǒng)防雷。

6 結(jié)語

重建后的筍塔水庫閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是一套經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、功能齊全、故障易檢修、防護(hù)措施到位的現(xiàn)代自動(dòng)化信息化的控制系統(tǒng)，它提高了閘門自動(dòng)化水平和管理效率，極大地改善了勞動(dòng)環(huán)境；對(duì)保障水庫安全運(yùn)行，進(jìn)一步提高水庫防洪減災(zāi)、調(diào)度運(yùn)行技術(shù)水平起著重要作用；促進(jìn)水庫發(fā)揮更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。