拦河闸、船闸自动化集中控制系统的应用分析

刘沂衡

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着我国国民经济的不断发展，社会对水利工程的需求日益增长，水利设施的数量不断增加，对其自动化控制系统的要求也越来越高。某供水枢纽拦河闸、船闸是韩江水道的重要枢纽工程，其运行情况直接关系到下游的防洪安全、通航安全、生态安全和经济安全。通过采用计算机监控系统对某供水枢纽拦河闸、船闸进行自动化控制，既可提高工作效率和管理水平，又能减轻人员劳动强度，还可节约大量的人力成本。

1 系统总体设计

某供水枢纽拦河闸、船闸自动化集中控制系统将采用一种先进的计算机控制系统，该系统通过计算机实现了对所有机电设备的自动控制，对机电设备运行参数的监视、控制和记录，同时在计算机上完成各种操作和各种参数的计算，并通过通信网络将计算结果传送到远程监控中心进行分析、处理。使整个船闸或闸室的机电设备及其附属设备的布局更合理。

现场可以实现对机电设备的实时监测，也可以实现对机电设备运行参数的实时监测，还可以对整个船闸或闸室进行集中管理和控制。该系统采用计算机技术、通信技术、网络技术、自动化技术等实现对船闸或闸室的自动化管理。除计算机外，控制系统的硬件主要包括 PLC、人机界面（HMI）、各种传感器及执行器。它们共同完成系统对设备的监视、控制、测量、记录、显示等功能。

在某供水枢纽拦河闸、船闸控制系统中，可根据具体应用场合进行选择和配置，以满足相应的要求。现场主要采用 PLC 或触摸屏来完成对设备的监视和控制，同时也可以采用人机界面（HMI）来完成与外界的通信及信息交换。触摸屏主要实现人机交互和显示功能。计算机用于进行数据采集、处理和存储，并能通过以太网接口与其他系统进行通信，是现场操作控制与监控中心实现数据交换和通信的纽带[1]。

在拦河闸、船闸控制系统中，可根据应用场合选用不同功能的触摸屏或计算机；在船闸控制系统中，主要选择具有触摸屏功能的计算机。

2 硬件设备存在的问题

某供水枢纽原拦河闸计算机监控系统需安装在WINDOWS NT 架构下运行，如今WINDOWS NT 架构系统已停产，核心硬件设备多数已淘汰或停产，并且目前拦河闸计算机监控系统软件采用的WINDOWS SERVER 2000 系统平台已被认定为高风险系统软件平台，存在大量安全漏洞，系统安全性非常低。

拦河闸计算机监控系统现地设备由于运行时间长、现地设备室处于宽阔的江面上，运行环境恶劣，受空气潮湿、环境温度变化大等因素影响，陆续出现元器件氧化、老化及技术性能不稳定等现象。

另外，船闸、鱼闸计算机监控系统现地设备的陈旧老化等因素导致的系统响应缓慢、通信故障、蓝屏、死机等现象增多，并且部分现地设备的PLC 模件存在损坏现象，由于备品备件已停产，采购困难，目前已不能满足运行要求。

3 改造后的硬件设备结构

改造后的供水枢纽拦河闸、船闸计算机监控系统采用分层分布式结构，分为船闸中控层和生产调度控制中心层。在控制网通道上，拦河闸计算机监控系统考虑网络结构升级建设双环型网络结构，船闸计算机监控系统考虑网络结构升级建设双星型网络结构，计算机监控系统网络通过光纤连接，在通道限流或交换机设备故障导致系统通信中断时，系统自动切换到备用通道。

在船闸中控室布置1 台船闸操作员工作站，用于船闸的集中控制操作，布置1 台鱼闸操作员工作站，用于鱼闸的集中控制操作。通过船闸中控层操作员工作站完成数据采集与处理、控制命令下发、图形显示、数据记录与存储等应用，通信服务器与管理区单向传输运行数据。

在生产调度控制中心层的生产调度控制中心布置2 台拦河闸/船闸操作员工作站、1 台鱼闸操作员工作站，实现拦河闸、船闸生产调度控制中心集中控制的功能。

东溪拦河闸16 孔闸门和西溪拦河闸16 孔闸门分别设置一套LCU(配置双网)，形成一个大的双环网。自动化控制系统通过交换机与东溪和西溪拦河闸计算机监控系统下位机LCU 直接连接，收集拦河闸各闸门的运行数据，监视设备运行状况，包括闸门开启前的润滑水启停、闸门工作状态、开度荷载信息、水位信息等。所有数据通过通信传输与计算机网络传送至生产调度控制中心机房应用服务器。

船闸现地层由4 台船闸现地控制单元和1 台公用LCU(配电与鱼闸控制)现地控制单元组成，部署对应船闸/鱼闸的闸阀门与供配电现地分散控制业务，实现数据采集与处理、控制命令下发、图形显示、数据记录等应用等功能，实现船闸本地对各自闸阀门等设备进行现地控制等。

由于改造前船闸计算机监控系统的闸首LCU中配置有分散式UPS，业主反映使用体验良好，故在拦河闸、船闸计算机监控系统各现地闸门LCU 屏内单独配置一套UPS，装机容量2 kVA。

同时配备广播设备、工业电视系统和信号灯设备等辅助系统完成自动化控制。

鱼闸计算机监控系统的外围辅助(诱鱼灯、增氧机、配电箱等)暂不考虑更换，本次项目接入外围需控制设备[2]。

为实现船舶收费调度功能，在船闸中控室布置1 台调度收费客户端，在上、下游收费站各布置1 台收费调度工作站，作为调度收费客户端，采用B/S 结构，与一体化平台的调度服务器和原有WEB服务器连接，通过浏览器即可使用。收费调度系统设置在船闸中控室和生产调度控制中心，如图1所示。

图1 船闸自动化控制系统结构图

拦河闸及一体化平台建设采用全智能控制，主要设备包括：①PLC 智能设备：完成对各闸的运行状态采集，并根据各闸的闸位信息、闸位监测数据、水位信息，实现对各闸的精准控制；②智能仪表设备：通过采集闸室各相关参数，实现对闸室内运行状态的监测与控制；③其他设备：如闸门驱动装置、闸门安全保护装置等；④软件系统：包括PLC 软件、组态软件、人机界面等；⑤数据通信方式：通过RS485、RS232 等通信方式与一体化平台进行连接，实现远程访问，如PLC 与计算机之间、计算机与其它设备之间等（图2）。

图2 一体化平台结构图

4 软件平台搭建

根据实际情况，平台采用B/S 和C/S 结构相结合的方式，服务器采用阿里云进行搭建。应用服务器分别设置在机房A、机房B。应用服务器与数据中心的通信通过VPN 技术进行，可以实现两个机房之间的数据交换。

应用服务器平台由监控系统服务器、数据库备份服务器、应用服务管理等组成，承担了整个系统的核心功能。监控系统服务器对所监控的设备进行操作控制，完成数据采集与监视、报警处理、数据存储与检索、历史数据查询和打印等功能。数据库服务器提供各类历史数据库的维护与管理，支持对历史数据进行备份。应用服务管理作为监控系统软件平台的重要组成部分，为监控系统提供了一个安全可靠、稳定高效的软件平台，它包括软件登录、权限分配、系统配置管理、日志管理等功能模块，实现了用户操作权限的灵活分配和配置。数据库备份服务器提供数据备份服务，包括故障恢复功能，用户管理功能等，可以实现数据库的在线实时恢复，保证数据的安全可靠。在本平台中，管理系统的用户身份为管理员，可以通过管理员的操作权限控制各种操作的执行，从而保证了平台操作的安全性和可控性。系统的设计和部署是一个复杂的过程，需要考虑到诸多因素，如系统架构、性能、业务需求、技术实现等。本平台的设计和部署都是在充分考虑以上因素的基础上进行的，也是一次大胆的尝试，得到了不错的效果。运维管理系统是对工业现场进行全面监控、集中管理、集中报警、集中分析和统计的重要工具，实现了对设备运行状态的全面实时监测[3]。

5 各系统设计

①数据通信网络设计：采用高速、大容量、传输可靠性高的专用通信网络，各控制站采用专用以太网或无线通信方式接入网络，并配置相应的路由器，实现各控制站之间的高速数据传输。②图像监控系统：采用专用视频通信网络，配置相应的服务器及采集卡，实现视频图像实时采集和显示。③门禁系统：采用专用的智能控制系统，实现对门禁的控制和管理。在工作人员进入施工现场时，对施工现场的出入口、通道门、门禁控制设备进行自动开关。在施工人员离开现场时，对进出的人员进行自动识别和控制。④在施工现场设立相应的监控点，通过视频采集设备、网络视频传输设备和电子地图显示等手段，对施工现场进行远程监控。⑤紧急报警系统：在施工现场设立紧急报警设备，当出现意外情况时，可以通过紧急报警设备及时通知相关人员采取紧急措施，确保施工安全。

6 结语

综上所述，本文对某供水枢纽拦河闸、船闸自动化集中控制系统的应用及总体架构进行了分析，发现自动化集中控制系统具有较高的稳定性、安全性，能够对人员进行有效监控，并且通过先进的技术手段实现远程控制和数据收集，进而提升管理水平。希望能够为相关的技术人员提供一些帮助和参考。