分析费县许家崖水库除险加固工程自动化监控系统

　　摘要 许家崖水库监控系统采用分布式控制集中管理，可编程逻辑控制器进行装置逻辑和整定计算的网络神经控制系统。当上位机发出指令时下位机响应解列，然后分布式控制中枢无压闭合实现开关量的控制。本文根据实况数据分析并设计出本系统，并通过仿真测试，针对控制较分散不统一验证了所提方案的可行性。

　　关键词：自动化监控;逻辑装置;水质自动检测;气象自动检测;整定计算

　　前言:山东水利不少接有可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的终端管理，当单侧联络控制通信线路发生瞬间故障时，由双冗余备用采集切换，数据采集中心依然是单侧采集末梢的通信端口，使自动化的监测控制质量无法保证。针对逻辑控制和通信闭锁问题，给出了装置逻辑和整定方面的分布式解决方案。通过对许家崖水库综自系统进行了小纵深大广域仿真测试，验证系统的可靠性。

　　1水库管理处监控中心

　　水库管理处监控中心主要有水库管理人员监控闸门的运行状态、闸门的各种参数、闸门的远程启闭控制;监控低压电气柜的电气参数及启闭机的电气参数并能远程对低压电气柜进行远程开关控制;主要监控水库的水文参数，包含水位、水温等;主要监控闸门、大坝及水库各个方面的视频监视;主要采集库区气象方面的数据及水库水质的监测。并可以通过水利专网上报水库的相关数据，接收上级的调度指令。

　　2、桥头堡集控站

　　桥头堡集控站主要包括对整个闸门监控系统的管理、数据的采集和处理、综合计算、事故故障信号的分析处理等。同时供运行值班人员使用，具有图形显示、运行监视、发操作控制命令、设定与变更工作方式、通信控制、系统诊断、修改定值，通过彩色显示器可以对全系统及所有被控对象的控制、设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。闸门监控工作站除完成对被控对象的监视控制外，还可实现与水库管理处管理平台计算机通信，是整个监控系统的控制核心。

　　2.1桥头堡闸门监控工作站功能

　　1)实时数据采集和处理

　　闸门监控工作站通过PROFIBUS-DP总线网络和工业以太网与PLC通信，进行实时数据的采集和处理;大坝测压监控工作站通过光缆以RS485口与大坝MCU通信，采集溢洪闸、大坝的应力、变形及渗压。

　　主要完成下列数据量的采集和处理：

　　(1)与上级通信工作站通信，并实时显示，执行上级调度中心命令。

　　(2)溢洪闸闸门位置。

　　(3)网络通信设备的状态。

　　(4)现地单元主要设备的状态。

　　(5)闸门上升或下降等接触器的状态。

　　(6)闸门启闭机保护装置的状态。

　　(7)动力电源及控制电源的状态。

　　(8)有关的操作状态。

　　(9)实时采集的水库水位数据。

　　(10)实时监测低压配电柜各测点的状态。

　　(11)实时采集溢洪闸大坝的应力、变形及渗压。

　　2).实时控制

　　操作人员通过选择不同的操作模式，用鼠标和标准键盘，对监控对象进行下列控制：

　　(1)单个闸门上升、下降。

　　(2)对溢洪闸成组闸门的控制。

　　3).运行监视

　　(1)过程监视

　　在控制台CRT上，模拟显示单台闸门和成组闸门的升降过程，及闸门开度数据，对闸门的升降过程进行过程监视。通过显示器上大坝应力形变及渗压实时数值、柱状图、曲线图监视大坝的安全。

　　(2)状态监控及报警

　　操作员工作站可对其监控对象进行安全运行监视。其中包括对电源断路器事故跳闸，运行接触器失电，保护动作大坝渗压及应力形变等状态的变化进行监视、显示;除此之外，还能对监控系统进行异常监视，当监控系统中硬件或软件发生故障时，可立即发出报警信号，并在CRT上显示记录，指示报警部位。系统能时刻监视闸门设备及监控系统本身的硬件和软件的运行状况，一旦发生故障，立即发出报警信号，显示报警部位和时间，并打印记录。

　　4).数据通信

　　监控工作站与现地PLC或MCU通采用总线网络结构，介质DP总线专用电缆和单模光缆。

　　5).系统故障诊断

　　主控级硬件故障诊断：可在线和离线自检计算机和外围设备的故障。故障诊断能定位到电路板。

　　主控级软件故障诊断：可在线和离线自检各种应用软件和系统软件故障。

　　3、闸门监控系统

　　许家崖闸门监控系统主要由5套溢洪闸机旁箱LCU和放水洞LCU、输水洞LCU、开度仪、水位计、网络传输设备、 避雷设备、PLC及触摸屏等组成。桥头堡闸门监控工作站与现地控制单元LCU采用PROFIBUS-DP总线或以太网连接，传输速率高，安全稳定性好。监控范围包括溢洪道、放水洞、输水隧洞。闸门监控系统的核心是LCU、PLC，在控制系统形成之前以及安装调试期间，通过LCU完成对闸门的控制操作与监视。

　　3.1.实时数据采集和处理

　　LCU可采集闸门位置、闸门上升或下降等接触器状态、闸门行程开关状态、保护装置状态等数据，经处理后上送主控级。

　　现地PLC实时采集各闸门启闭机电动机工况，并通过总线网络上传给主控级操作员工作站，实现对启闭机工作状态的实时监控。

　　现地LCU采集电源开关、电气设备的状态，水位信号。

　　3.2.实时控制

　　(1)现地PLC控制

　　在设备投运初期，闸门检修期及主控级发生故障时，操作人员可以根据现地单元上的信号数据显示，通过按钮和开关实现下列操作。

　　闸门上升或下降

　　中途停机

　　另外，LCU通过通信网络接收主控级的指令，自动完成闸门的开启或关闭，实现远程操作。

　　现场操作与远程操作通过设于现地控制单元上的转换开关进行切换。控制优先级为现地操作优先于远程操作。

　　(2)中控室控制

　　在现地控制屏上设有现地/远程转换开关，当开关打在远程控制时，可通过网络接受主控级的指令实现对闸门的控制。

　　(3)手动控制

　　在现地控制单元PLC发生故障时，能通过现地控制屏上的手动按钮和开关，实现手动操作，并有显示和指示。

　　3.3.通信功能

　　通过现地PLC的通信功能将采集到数据，PLC状态等信息经处理后通过网络上传至闸门监控工作站，并接受其命令;闸门监控工作站可将闸门工况通过网络传送至水库管理处监控中心，供工作人员调度决策。

　　3.4.溢洪闸上下游水位观测

　　为使观测成果准确，水位观测设在上、下游水位平顺、水面平稳、受风浪和泄流影响较小处。在距离溢洪闸底板上游6m处及下游翼墙各设置1个超声波水位计。

　　4、电力自动化系统

　　电力自动化系统由监控站和就地电力监测仪表组成，就地电力仪表采集电参数并通过数据总线传输到监控终端，实时监测配电回路状态，并对相应回路实施远程控制。同时电力自动化系统中S7-300PLC还通过PROFIBUS-DP总线与5个溢洪闸的LCU中S7-200PLC通讯，把5个溢洪闸的开度荷重、信号反馈、状态信息、控制信号上传至溢洪闸控制室监控工作站，并接受监控工作站的指令控制5个溢洪闸的启闭。

　　监测范围主要包括水库配电系统、低压配电柜、发电机、溢洪闸等。监控系统与水库综合自动化系统统一设计和实施。

　　5.大坝安全监测系统

　　大坝安全监测系统是水库特别是大中型水库的重要组成部分，主要用于大坝和涵闸变形、渗流、应力、温度等安全参数的在线实时监测，故障预测和报警，监测数据分析和处理，从而为防洪调度、水库安全优化运行提供决策依据。

　　大坝沉降观测设在大坝桩号0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900断面 上，共设27个测点。坝体测压管25个、坝基测压管24个。

　　大坝/溢洪闸安全监测的主要功能有：

　　1)变形监测及报警

　　(1)人工巡查

　　(2)表面位移的自动监测及报警

　　(3)坝体内部位移的自动监测(包括水平位移监测和垂直位移监测)及报警

　　(4)底板渗压监测

　　(5)裂缝与伸展缝的自动监测及报警

　　2)应力自动监测

　　包括孔隙水压力和土压力的监测、报警

　　3)水位等其他监测、报警。

　　6、视频监控系统

　　监控进入计算机网络，管理者分控及客户端均在办公室电脑上实现。 可以监控图像，控制及信息数字化后进入计算机，充分利用高科技手段进行系统管理和图像处理。 值班人员及领导分控管理，系统运行日志，警情处理，网上分控优先权管理，确保系统安全运行。领导分控管理，系统运行日志，警情处理，网上分控优先权管理，确保系统安全运行。许家崖水库高清视频监控系统采用全网络数字化系统，摄像机采用130万像素高清网络摄像机，录像机采用高清网络数字硬盘录像机。

　　7、水文自动监测系统

　　水文自动监测系统由监控中心工作站和水库现场水位计支架构件、太阳能供电系统、浮子式水位计(或超声波水位计)、水温传感器、数据采集模块和GPRS无线传输模块等组成，其传输是基于GSM数据网络传输。中心站与大坝测压系统共用，由监控系统完成数据处理、图形显示、报表编辑和打印、向相关测站发布指令等功能，并及时向上级部门报告水情。

　　7.1系统功能

　　1)自动采集水库水位、温度等水情信息2)图形方式显示水情数据3)太阳能自动供电，保证系统自动运行。

　　7.2地点：

　　1)水库上游温凉河入库口(超声波水位计)2)水库上游新庄河入库口(超声波水位计)3)输水隧洞口(超声波水位计)

　　8、水质自动监测系统

　　水质自动监测系统主要用于实时监测水库水源的的水质信息。 HJ/T91-2002 «地表水和污水监测技术规范»“水系的较大支流汇入前的河口处，以及湖泊、水库、主要河流河流的出入库应设置监测断面”。共设置水质自动监测站2处，分别测量水源地的COD、氨氮、PH值、溶解氧等，数据并通过GPRS无线网络将数据传输至管理中心，实现水源地水质的数字化管理。

　　9、气象自动监测系统

　　气象自动监测系统主要用于实时监测水库的气象信息。

　　本项目共设置气象自动监测站3处，分别测量水库所在地的降雨量、风速、温度等数据，并通过GPRS无线网络将数据传输至管理中心。

　　本系统主要设备包括翻斗式雨量计、风速仪、温度传感器、气象采集RTU、后备电源及避雷接地等。主要实现以下功能：

　　1)实时采集自动雨量站的降雨信息

　　2)查询历史气象资料

　　3)设定气象站的工作参数

　　4)阀值报警

　　具体实现过程如下：

　　通过翻斗式雨量计测量降雨量情况，通过风速仪测量风速数据，通过温度传感器测量气温数据，通过气象采集RTU将数据传输至所有的控制室，同时接受控制室的指令，实时采集各类数据。

　　水利论文投稿刊物：中国水土保持(月刊)创刊于1980年，是水利部主管、黄河水利委员会主办的对国内外公开发行的水土保持综合性科技期刊。初名《水土保持》，为双月刊,内部发行。

　　结束语

　　随着科技的进步，电气控制技术日趋完善，PLC技术操控灵活高效、稳定可靠，模块化组合及分布网络控制的工控特点，获得了工业自动化业界的好评，并且在军工领域及民用智能化家居控制系统中已开始逐步应用。在这场工业智能化的浪潮中，新一代PLC技术一定会在电气工程自动化应用方面绽放出绚丽的科技之花。

　　参考文献

　　[1] 霍宁.泵站监控系统及结构的发展趋势[J].水利水电自动化与大坝监测,2004年第4期.

　　[2] 徐继华.梯级泵站计算机监控系统的发展和应用[J].南水北调水利科技,200

　　作者简介：庄新军