水闸自动化监控系统研究

■叶锐敏 ■嘉善县太浦河管理所，浙江 嘉兴 314100

信息化是世界经济和社会发展的大趋势，我国产业结构实现升级以及向工业化、现代化转变必须依赖信息化技术的应用，我国也应将提高信息化水平在作为推动我国经济发展的主要手段之一。水利工程作为我国的社会和经济发展的重要基础设施，水利的现代化也离不开信息技术的支持。政府要解决新世纪水的问题，必须应用自动化控制系统，实现水闸自动化控制，实现传统水利向数字水利转变，才能进一步发挥水利工程的效益。

1 水闸自动化监控系统设计

根据水闸自动化监控系统的作用与功能，水闸自动化监控系统采用分级分布式系统结构设计，自动化监控系统结构见图1。该系统结构通过安装在水位井、液压泵、电器柜等部位的传感器和其它相关仪表，通过地面控制装置实现对水位、水压、闸高等参数的收集，再通过通讯系统将传感器和仪表收集的数据传输至控制中心计［1］;控制中心对数据进行分析和存储，根据是数据反映的内容向现场控制单元发送控制命令，实现设备开启或关闭。设备运行期间，控制中心对设备运行状态进行实时监控，如监控液压系统和启闭机运行状态，一旦发现设备和系统运行异常，立即通过音频、灯光、文字等方式向操作人员发出警报。根据水闸自动化监控系统的运行原理，自动监控系统主要包括数据采集控制系统、数据传输系统和控制中心三个部分。

图1 自动化监控系统结构

2 数据采集控制系统选择研究

数据采集控制系统的关键装置为现地控制装置，主要负责采集现场数据和信息。网络连接各个设备，实现数据共享，共同完成控制和管理功能。数据采集控制系统包括可编程逻辑控制器各类电器仪表。

2.1 可编程控制器

现地控制装置主要为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它不仅能采集先创数据和各类信息，还能作为设备控制驱动装置。本系统选用德国西门子S7-300 系列产品，用于系统运行状态数据采集，并作为油泵、启闭机和通航灯等设备的控制驱动。该系列可编程逻辑控制器专为自动化监控系统设计，控制器零部件性能高，能满足系统对各类设备自动化控制需求。该控制器还包括大量用户程序，如定时器、计算器、复杂数学计算、通讯等内容，达到对监视人机交互的作用，发现人工输入状态异常后，可改变输出状态，实现控制目的［2］。S7-300 系类可编程逻辑控制器的灵活性强，可根据不同的用途选择不同规格的CPU，实现合理配置。

2.2 过程仪表及传感器等设备

此外，数据采集控制系统还包括大量仪表和传感器，属于信息转换部件。仪表和传感器收集的水位、液压等信息后，将信息转换成电信号，经数据传输系统传输至控制中心。过程仪表、传感器等采集设备主要包括压力传感器、投入式水位传感器、浮子式水位传感器、电量仪表、闸门高度变送器，分别用于测量液压系统的油压、测量闸室水位、采集水位值、采集被采电流，与上位机连接实现数据交换、计算闸门高度。

3 数据传输系统设计

由于采集控制点相对集中，因而可采用工业以太网通讯方式实现控制室主站系统、新老闸现地控制柜的PLC 数据通信，并且由于新闸和老闸距离间隔较远，因而可采用光导纤维作为数据传输媒介，而不能采用双绞线直连方式。上级信息数据采用公用电话通道，并根据TCP/IP协议实现数据传播。

3.1 基于以太网的系统网络结构

数据传输系统可基于以太网设计，将整个闸门自动监控系统分为3层，上层为管理信息层或管理级，负责连接上级管理部门内局域网;中间层为监控级，为内部局域网上互相联网的监控主义和服务器;下层为现地级，是现场各设备网络层。现地控制级设备主要为可编程控制器和输出继电器等设备，多分布于启闭机室等近设备端。现地控制级与各类传感器相连，负责采集设备运行信息数据和信号，还与控制级工控主机，监控工控主机的控制命令;搜集现场信息数据，并以获得的数据信息为依据，实现现场执行机构的逻辑控制。现地级采用大规模的可编程逻辑控制器以及其它模块组成现地监控单元，工业以太网负责通讯，将高质量双绞线连接监控级的交换机，将现地级信息传递至控制工控机。配备数据服务器，记录实时和历史数据参数，方便用户查询［3］。以太网贯穿于整个闸门监控系统，达到直接快速通信以及对监控和管理信息的集成。以太网还具备同步传输数据、文字、图像的功能，可方便工作人员监控多种类型软件和远程修改参数。

3.2 数据传输协议及传输媒介

异构型网络互联的最大问题在于不同协议之间的转换，异构计算机之间实现通信互连需要进行多次转换，n 台计算机则需要转换协议n(n-1)次。而基于TCP/IP 的网络通讯协议可以减少异构计算机通信互连需转换协议的次数，n 台计算机只需转换n 次通信协议，并编写TCP/IP 协议支持下的通信程序，即可实现通信互连。

新闸和老闸距离间隔较远，新闸和老闸之间采用光纤连接。光纤通讯的原理为将传输信息首先转换成电信号，将其调制到激光器发出的光束上，通过光纤发送光信号［4］。接收端检测器将收集的光信号再转换成电信号，恢复原信息。和传统数据传输媒介相比，光纤通讯具有容量大、衰减小、抗干扰性能力强、抗腐蚀性强、温度使用范围广、安全性高、成本低的特点，非常适合用于数据传输介质。

4 控制中心主站系统设计

控制中心计算机系统以windows 系统为操作平台，构成网络体系。并配置为通信监控处理机、数据服务器以及工作站，构建可伸缩结构控制系统［5］。由于水闸自动监控系统需要处理大量数据，并且存在自动监控现地设备受外界因素干扰作用强，因而需要采用高配置、冗余设计，确保系统整体的可靠性。对于数据处理量较少的部分，可采用高性价比的设备，如现地控制装置，减少成本。另外，在通讯系统和通讯方式选择上，需要根据项目大小选择合适的通讯系统和方式。如通讯距离较短，可采用网络通信方式，既保证通信系统的可靠性，还能提高系统整体的性能指标。

5 结语

实现水闸自动化监控系统精确掌握水闸水位运行情况，及时搜集实时水位数据，提高系统运行焦虑，减少故障，节省水电，降低人工劳动强度。总而言之，水闸自动化监控系统具有极高的社会经济效益。本文就水闸自动化监控系统的各个主体结构设计及设备选择进行分析，但是由于自动控制系统的实际应用环境非常复杂，系统设备不仅需要面临直接雷击风险，还需要面临雷击引起的电源和通信线路中感应电流涌浪带来的风险。因此，设计水闸自动化监控系统时还需要加强抗干扰研究，减少因雷击引起的仪器仪表损坏，降低损失，最大限度的发挥自动化监控系统的经济效益和社会效益。

［1］邱明.基于水电站自动监控系统的构建研究［J］.科技资讯，2014，09(28):13-14.

［2］徐艳.现代光纤通信传输技术的应用分析［J］.电子世界，2014，06(18):274-275.

［3］申林，徐丹.自动化系统在水闸工程应用中的问题与解决方法［J］.小水电，2015，12(03):66-67.

［4］柳文述.城域网中配电自动化关键技术的研究［J］.湖北民族学院学报(自然科学版)，2015，09(02):215-217 +224.

［5］王辉，罗震，韩智.浅析自动化监控系统在水闸运行管理中的应用［J］.科技信息，2013，13(10):406-407.