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1、2014.09,项目六 水利工程管理信息技术,主讲人：张 峰,任务三 水闸（闸群）自动监控,一、概述,（一）水闸（闸群)自动监控系统 我国所建的水工建筑物当中，水闸占有很大的比例，这些水闸在防洪、抢险、排涝、抗旱以及水资源的分配中起着重要的作用。但是，长期以来水闸的运行管理一直是靠人工的方法，费时费力，严重制约着其效益的发挥。随着国民经济的发展，科学技术的进步，对水闸实行自动控制(或对闸群实现集中监控)是农业现代化水利工程管理科学化的必然。闸门自动监控系统是先进的实时数据采集与控制系统。系统是建立在现代通信技术、自动控制技术、计算机技术、自动远动设备及现代量测技术基础之上的，同时涉及到信息论、
2、继电线路理论和自动调节理论等来共同完成对目标系统的监测与控制，实现由中心控制站对被控各子站闸门的运行管理，主要用于灌区、水库、水电厂、河道、供水渠等的闸门控制。被控制的闸门可以是平板门、弧型门或快速门，运动方式可以是卷扬机方式、液压方式或螺杆方式。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（二）水闸(闸群)自动监控的特点 1.水闸一般均建在野外，暴露在空气中，对水闸实现自动化的控制运用多需要采用远动技术，尤其是在水资源分配系统中，这时需要对多座闸门联合调度，当采用自动化技术时，则应采用中央集中监控系统，或称“远距离综合自动化系统”，通常我们称之为闸群远方监控系统。2.水闸自动化设备工作条件十分恶劣，很多
3、设备装置常需要安装在野外，运行的气象条件复杂、环境差。此外有些对象所在地点交流电源供电不稳定，这样在研制和选择设备时必须特别注意在设备的稳定性、可靠性上下功夫，使设备在恶劣的条件下能安全运行，同时要考虑到设备有较灵活的供电方式，如耗电量少的弱电设备可以采用太阳能电池板充电的蓄电池组。,任务三 水闸（闸群）自动监控,3.由于河、渠中的水流往往是非恒定流，而水流又具有时滞性，这两点会严重地影响水闸自动化装置的稳定性，对此要有充分的估计。例如，利用水闸来控制渠道中水位为一恒定值时，可能此刻因下游水位低而自动装置指令执行机构使闸门开度加大，刚开大后，下游水位又超过给定值，于是自动装置又指令执行机构关小
4、闸门，再过一刻水位又低于给定值，于是闸门开度又得加大，如此反复，系统就呈现一个振动的、不稳定状态。这对自动化系统是极为不利的，设计时一定要避免这种情况发生。4.水闸自动控制系统中对可靠性和稳定性的要求高，抗干扰能力要强，而对动作时间的要求相对工业控制系统要宽。在系统结构上，一般均系控制点与被控制点之间的联系，而各被控制点之间相互联系较少。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（三）闸群自动监控系统结构 闸群自动监控系统一般分为两个层次，第一层为中央控制室，常设在水利工程管理机构所在地。第二层为测控站，设在被控闸门所在地或附近。对于大型水利工程系统、其闸群自动监控系统一般要分为三个层次，如江苏省大运河
5、监测调度系统，控制中心设在江苏省水利厅内，而控制分中心则设在闸群相对集中的管理单位内，如江都、淮阴等。分中心下辖有数座乃至数十座大中型水闸，各闸的运行调度由分中心负责，并向控制中心报告和接收有关指令等信息。,任务三 水闸（闸群）自动监控,1.中央控制室组成结构 中央控制室也称测控调度中心。一般为与行政管理机构相适应而设在管理局(处、站)内，其组成结构和水情测报中心大体相同，可参见图4-2。事实上，在水利工程管理现代化过程中，如建设多个自动化系统，则往往共一个中央控制室，使得资源共享。各有关设备也可互为利用，互为备用。,2.监控终端站 监控终端站是闸群监控系统的主要信息源及命令执行者，其主要任务
6、是根据中央控制室的遥测查询指令自动采集本站点的水情或工情数据，并发送给控制中心，或根据控制中心调度指令控制闸门运行。监控终端站一般由各类传感器、通信设备、RTU、中间继电器矩阵、电源等构成，典型闸群自动监控终端站结构框图如图5-1所示。其中传感器部分应根据实际情况设置，如一座水闸有若干个(孔)闸门，原则上每个闸门上都要安装闸门传感器。上、下游均应有水位计。有关工情的传感器，如电源电压、工作电流，闸门运行在开、关、停的状态，以及限位开关(防止控制系统失灵而引起破坏性后果)的工作状况等。水闸一般地处郊野，电源保障率不高，有条件的地方应自备发电机。同时应有直流备用电源，以防停电时仍能保持弱电部分工作
7、，使得检测数据不丢失并与中央控制室保持联系。,任务三 水闸（闸群）自动监控,图5-1 典型闸群自动监控终端站结构框图,任务三 水闸（闸群）自动监控,二、闸门自动监控系统总体设计,（一）系统总体设计的一般原则 闸门自动监控系统要求信息收集及时，闸门调度稳定可靠，闸控保护与配电保护设施完善。根据以上特点，结合设计运行的要求，自动化系统的设计应遵循如下的设计原则:(1)在具备基本功能的前提下，将设备的实用性和可靠性放在首位，并强调安全检测措施与安全控制措施，避免设备失误和设备故障运行。(2)针对在闸门和配电室周围均存在着多种不利于系统的各种电磁干扰源，特点是雷电和强电干扰，系统应具有抗恶劣环境的工作
8、能力。(3)采用参数应答式工作体制。(4)力求操作简单，维护方便。(5)对于闸群控制组网结构要简明、灵活.，便于扩充。(6)闸群自动监控如有水情自动测报系统相配合，其水情自动测报应按规范SL61一94执行，并符合用户的实际需要。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（二）系统工作体制的选择 早期的闸门自动控制系统多采用集中控制方式，即由中央控制室统一直接监测与调度控制。这种工作体制由于功能过于集中，命令信息传输量大等而导致系统运行可靠性降低，已逐步被淘汰。目前有3种工作体制，可根据系统规模和要求来选择。,任务三 水闸（闸群）自动监控,1.编程控制器(即PLC系统)PLC系统适用于现场的测量控制。其现
9、场测控功能强、性能稳定、可靠性高、技术成熟、使用比较广泛，价格合理，但它只局限于通信场合，在闸门自动化中可用于单闸就地自动控制。,2.分布式数据采集和监控系统(即SCADA系统)SCADA系统属中小规模的测控系统。系统主要由远程控制单元RTU、通信网络及控制中心三部分组成。它既具有现场测控功能强的特点，又具有信息资源系统共享的组网通信能力。其中一些系统既可配有线通信系统，又可配无线通信系统，而无线通信系统尤为适合地域广阔的应用环境。SCADA系统主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣或无人值守的情况进行远程控制，该系统性能价格比高，在中小规模闸群自动控制和水利枢纽自动控制中，已有
10、许多的应用及广泛应用的推广前景。,任务三 水闸（闸群）自动监控,3集散型分布式计算机控制系统(DCS系统)DCS系统是当今国际上流行的大规模控制系统，标准总线结构。该系统分为两个层次，上层为中心管理级(称中心站)，下层为现场控制级(称闸控站)。全系统由中心站主计算机统一进行管理，主要是对闸控站(包括水位站)进行自动监视、数据记录保存、状态报告、下达调控指令以及人机界面操作等。而闸控站则采用分布式控制结构，各站在本站主计算机管理下，分别由各自独立的CPU终端管理，独立完成本号闸门的监视、控制以及与主机的通信等。DCS系统适用于测控点较多、测控精度高、测控速度快的场合，其特点是分散控制和集中监视，
11、具有组网通信能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但系统成本较高。在我国20世纪90年代已有一些研究院所(如南京水利水文自动化研究所)研制了一些DCS系统，并成功地运用。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（三）系统总体功能设计 1.中心站主要功能(1)中心站对闸门进行实时的监视和控制，通过显示屏或监视器观察闸门运行状态。(2)中心站对接收的闸门实时数据进行处理后，依用户所提供的模型或要求进行存储、显示或打印。能实现操作命令记录，操作结果记录，具有资料存储、检索、查阅的能力。(3)中心站根据水位数据与供电监测的数据，决定可否调度并按照闸门调度运行方案进行群闸实时调度，由计算
12、机发出调度指令，自动控制相关闸门的运行。,任务三 水闸（闸群）自动监控,(4)控闸过程中，中心站计算机实时对被控闸门及供电质量进行监视和管理，若现场出现控制故障能实时报警，并提示相关的故障现象，存储、打印。(5)自动实时接收水情遥测系统所需测站的水位、雨量数据，实时自动接收闸前、后水位站发来的水位信息并转发给闸控站。(6)通过有线或无线通信，中心站可将所需的闸门信息、水位信息或电参量信息发送至上一级监控中心。中心站根据需要可选择配备同步闭路电视监视系统，实时观察远方闸门的动作，作为闸门计算机控制系统的辅助监视手段。,任务三 水闸（闸群）自动监控,2.闸控站(1)自动采集闸门开度(闸位)和有关配
13、电开关状态、电压、电流、压力等工况参数，误差与精度满足规范要求，并将参数自报给中心站，同时能响应中心站计算机发来的召测命令。(2)自动监测系统参数，判别电动机能否具备启动运行条件。(3)根据闸门调度运行方案，随时接收中心站计算机发出的闸门遥控指令，确认正确无误后，启动控制电路，控制相应闸门的升、降、停的运行，并实时反馈控制终端所监测闸门的各项参数及现场工况，控制精度满足用户要求。,任务三 水闸（闸群）自动监控,(4)在闸门运行过程中如出现倾斜、卡孔、越限、过速、反向运行以及供电不正常(如电压、电流越限、过流、断相)等故障，应立即停机并告警，同时向中心站发送有关信息、标识出可能的故障类别。(5)
14、具备本地/远方切换侧控的功能。进行本地的操作控制，主要是方便现场的功能调试与故障检测和维护。此外应留有人工操作方式，装备应急开关等。,任务三 水闸（闸群）自动监控,三、水闸自动监控的主要功能部件,任何一个自动化系统都需要各种各样的部件相互配合才能完成自动化任务，但对于一个具体的自动化系统，它既有与其他自动化系统相同的部件，如放大部件、执行部件，也一定会有与其他系统不同的部件。现就水闸自动监控系统的一些共性部件作重点介绍。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（一）测量传感部件 在水闸自动监测系统中常用的侧量传感器件有闸位传感器、水位传感器以及对现场工况的测量，如供电情况、闸门运行工况、系统非正常工作
15、状态和一些开关量的检测。测量传感部件的基本概念，我们已经在第四章作了介绍，这里重点介绍一下闸位传感器。闸位传感器又称闸门开度传感器(其原理很大程度上与水位传感器相似)，根据输出信号的类型不同可分为模拟式和数字式闸门开度传感器。,早期的模拟式闸门开度传感器一般以精密线绕多圈电位器作为传感器件，将闸门启闭机滚筒的转动通过传动装置引至电位器的旋转轴，在闸门启闭的过程中电位器旋转轴跟着转动，使得电位器的动稗与某一固定臂之间的阻值随着闸门的升降而变化。当在电位器的两固定臂施加一电压时，即可从动臂取走一电位值。这种传感器的优点是结构简单、成本低廉且信号传输只需要三芯电缆，传愉费用低，系统停电不会丢失闸门开
16、度信号。其不足是电信号有一定的温漂，但基本能满足水利工程中测量闸门开度的要求。数字式闸门开度传感器又分为计数式和直接编码式两种。计数式传感器的工作原理是对闸门启闭机某一转动轴的角位移通过计数脉冲进行计数。记录脉冲可由光电器件、干簧管或霍尔器件产生。这种传感器数据的记录过程和保存都需要有电源支持，一般备有可以浮充电的电池，其输出的数据格式可以是二进制、BCD码或格雷码。这种传感器的使用可靠性主要取决于充电电池，一旦电池失效则该传感器中的数据将全部丢失。故这种计数式闸门开度传感器应用较少。,任务三 水闸（闸群）自动监控,直接编码式闸门开度传感器是将启闭机某一转动轴的角位移通过码盘、微动开关、光电器
17、件或黑白条码直接按某一码制进行编码输出，它的数据不需要借助于电源来记录和保存，它的可靠性取决于码盘及其触针的可靠接触寿命、微动开关的机械和电气寿命、阅读黑白条码的光电器件的寿命。事实上，半导体光电器件的寿命最长，是直接编码式闸门开度传感器的首选。但这种传感器易出现较大的回旋差，即码盘从一个转动方向改变为相反方向转动时，在开度的一定变化范围内传感器的输出数据无变化。近年来，为消除回旋差，提高精度，进行了许多改进，如使传感器在全量程范围内其码盘转数增加(最多已达128圈)，每一圈分辨数据增多等。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（二）通信道 在闸群自动监控系统中，通信道是一个极其重要的部分，这不仅由
18、于通信道的可靠性、稳定性直接影响到整个系统的工作，而且有时是系统里价格最为昂贵的一部分。这里再介绍一下闸群自动监控系统通信网络的工作方式。系统通信网络主要用于闸控站与中心站的通信，也包括闸控站之间或与水位站之间的通信。通信链路种类可以是有线或无线的，常用的有超短波、微波、光纤和电缆辱。通信方式一般采用全双工应答方式，即可由中心站触发通信和闸控站触发通信。中心站触发通信方式包括巡检轮询方式、广播方式和控制命令下发方式。闸控站触发的通信方式包括事件触发方式和突发传输方式等。,任务三 水闸（闸群）自动监控,（三）远程控制单元（RTU)远程控制终端可以由各种各样的元器件或部件组成。为了适应远程控制的需
19、要，国内外一些研究部门和生产厂家，将远程终端站的主要控制部件组装在一起，称为远程控制单元，即RTU。RTU具有工作可靠、性能稳定、功能齐全(并可选择)、抗干扰能力强等一系列优点。经过多年的改进提高，现在已有许多定型的、性能优越的RTU面市。RTU主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中份个独立的工作站，RTU可以独立地完成连锁控制，包括前债控制、反镇控制以及控制调赞等，进行数据采集时作为一远程数据通信单元，完成或响应本站与中心站或其他站的通信和遥控任务。RTU的主要配置有CPU模板、含存储器的I/O模板、通信接口单元以及通:信机、天线、电源、机箱等辅助设备。RTU能执行的任务
20、流程取决于下载到CPU中的程序，CPU的程序可用工程中常用的编程语言编写。如C语言、汇编语言等。,任务三 水闸（闸群）自动监控,在闸群自动监控系统中，RTU起着比较、放大变换、计算和控制、信号的接收与发送等作用。RPU能定期或随机采集测t传感部件的输出数据并赴行处理，经编码后发送到控制中心，同时也可在现场进行打印、显示、存盘等，RTU接收控制中心指令，提供数字量输出，实现对闸门的自动控制。RTU允许进行闸门控制的编程。同时，RTU有一个为警告和事件的时间标记而设计的实时时钟;RTU能被定期查询报告特殊情况，数据超过了上下限将由RTU自动传送直到被中心计算机获知，RTU软件包括诊断和判断RTU本
21、身与传感器是否正常等。,任务三 水闸（闸群）自动监控,四、某省洪湖闸测控自动化系统简介,1.系统主要功能(1)自动收集各遥测站的实时雨t、水位数据以及闸门开启状态和实时值，并对所采集到的数据进行处理和存储。(2)当洪水位达到预定值时，人库站超声波测流仪自动投人运行，监测人库的水位和流量。(3)根据洪水调度方案，中心下达闸门运行控制命令。使洪湖闸三孔闸门自动启闭，并在闸门自动运行过程中实时自动监测闸门及电压、电流变化，在闸门运行过程中发生倾斜、卡孔、越限、逆向运行时，以及电机过压、过流、断相运行时，立即发出声、光报警信号并立即停止闸门运行。,任务三 水闸（闸群）自动监控,(4)随时显示各遥测站的
22、工作状态、雨量直方图、水位过程线以及闸控站闸门工作状态，并实时发出水位、闸位越限信号。(5)打印输出各种水情及闸门运行状态图表、数据，并建立数据库。(6)运用洪水预报模型进行实时洪水预报，并显示、打印预报结果。,任务三 水闸（闸群）自动监控,2.系统主要结构 洪湖闸测控自动化系统由布吉河水情自动测报分系，统、洪湖闸门自动监控子系统以及草铺超声波流量测量子系统等组成。共含3个雨量遥测站、1个水位/雨量遥测站、1个三孔闸门的自动监控站，1个超声波流量检测站及洪湖闸测控中心站。其硬件结构框图见图5-2。其中，由于布吉河水位变幅大，根据超声波测流的技术特点，为精确测量洪水流量，设置了高度不同的三组超声
23、波换能器探头。,图5-2 系统结构框图,任务三 水闸（闸群）自动监控,3.系统主要的技术特点(1)提高闸控站可靠性措施 闸控站的主要作用是:对现场三孔闸门自动进行周期性、实时性现场信息采集，并对数据进行处理。自动控制三孔闸门的启、闭运行。对各闸运行数据、现场工况及电源变化进行检查和报警处理。与中心站进行数据交换，接受中心站调控命令，并反馈本站执行命令后的状态信息。由于闸控站机房临近高压线及配电间，因此闸控站必须将可靠性、安全性、实用性放在十分重要的位位置，具体措施如下:选用高可靠性防强干扰的工业级一体化现场工控机(AWS-822)。这比目前国内通常采用的分布式系统，每个闸门采用一个PLC或单片
24、机为主组成的RTU进行测控的系统抗干扰性更优越。,任务三 水闸（闸群）自动监控,洪湖闸每孔净宽7in，为确保对何门平衡状态的监视和使闸门平衡运行，在每孔闸门两端各安装了1台闸位计，并直接与闸门线性连接，不会发生线性误差，保证了闸位监测精度。采用自动控制水池搅拌机运行以及自动控制各闸门的润滑液的电磁阀启闭的方法，给启动前及运行中的闸门喷洒润滑液，以减少闸门启动和运行中的四周阻力，保持闸门运行平衡。多重保护措施。如闸位越限拒收拒动功能;运行中阿门发生倾斜、卡孔、越限、过速、反向运行以及供电电压、电流越限、过流、断相时立即报警并停机。备有紧急停机按键，并保留原手动开、关机功能，使自动与手动互不影响，
25、互为备份。,任务三 水闸（闸群）自动监控,(2)自动控制的超声波测流。为解决枯水期不工作，而汛期能自动施测的问题，该侧流系统采取平时超声波测流仪不断监测水位，当水深达到lm时，超声波测流仪立即进行流速监测，并将结果存储和打印。(3)系统的水情遥测站采用自报式工作方式，并采用多项节能措施使整个无人遥测站耗电极低，选用了小功率太阳能电池和蓄电池供电。(4)中心站软件采用汉化的Windows用户界面。具有多窗口显示功能以及快捷方便的人机对话功能，并能在不同的窗口中实时显示系统运行的最新状态，系统菜单随时动态变化，显示软件提供在线帮助功能，方便用户掌握。闸门监测站一体化工控机采用VISUAL BASIC控制软件，使其实时采集数据速度快，能定时触发A/D转换数据，且速度快。采用中断方式传翰数据，并且有清新的易于操作的图标人机界面，操作使用简便。,任务三 水闸（闸群）自动监控,The End，Thank You!,任务三 水闸（闸群）自动监控,
