段家貴
(唐山市陡河水庫(kù)管理處,河北 唐山 063021)
隨著科學(xué)的發(fā)展,我國(guó)水工建筑物建設(shè)的總體技術(shù)得到了很大的提高,而水閘的建設(shè)更是沒(méi)有絲毫的懈怠。這主要是因?yàn)樗l在整個(gè)水工建筑物中起著至關(guān)重要的作用,沒(méi)有可靠的水閘,一切防洪、抗災(zāi)都是紙上談兵。然而,傳統(tǒng)的人工管理水閘的簡(jiǎn)單方法在很大程度上限制了水閘作用的發(fā)揮,造成了人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi)。由此可見(jiàn),改造水閘的運(yùn)行管理迫在眉睫,實(shí)施自動(dòng)控制管理是水閘管理的必然發(fā)展趨勢(shì)。
隨之出現(xiàn)的新型閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠執(zhí)行準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)集現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)等多種高新技術(shù)于一身,實(shí)現(xiàn)了水情的自動(dòng)檢測(cè)與控制。水閘實(shí)行自動(dòng)化管理,從而大大解放了灌區(qū)、水庫(kù)、水電廠、河道、供水渠等地方的勞動(dòng)力。該系統(tǒng)所涉及的閘門(mén)造型從平板門(mén)到弧型門(mén)再到快速門(mén),運(yùn)行方式也不受限制,具體有液壓方式、卷?yè)P(yáng)機(jī)方式或螺桿方式。
西方一些國(guó)家早已在水庫(kù)和電站的大、中型閘門(mén)組運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了庫(kù)水位等的計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及閘門(mén)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制。而我國(guó)在這方面起步晚,從20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研究,通過(guò)引進(jìn)西方不同的RTU設(shè)備進(jìn)行消化吸收,結(jié)合中國(guó)國(guó)情,開(kāi)發(fā)出了具有我國(guó)特色的自動(dòng)監(jiān)控閘門(mén)系統(tǒng),并得到了我國(guó)水利工作者的廣泛認(rèn)同[1]。
在水閘自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常用的測(cè)量傳感器件有閘位傳感器、水位傳感器以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的測(cè)量。閘位傳感器又稱(chēng)閘門(mén)開(kāi)度傳感器(其原理很大程度上與水位傳感器相似),根據(jù)輸出信號(hào)的類(lèi)型不同可分為模擬式和數(shù)字式閘門(mén)開(kāi)度傳感器。早期的模擬式閘門(mén)開(kāi)度傳感器一般以精密線繞多圈電位器作為傳感器件,將閘門(mén)啟閉機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)裝置引至電位器的旋轉(zhuǎn)軸,在閘門(mén)啟閉的過(guò)程中電位器旋轉(zhuǎn)軸跟著轉(zhuǎn)動(dòng),使得電位器的動(dòng)臂與某一固定臂之間的阻值隨著閘門(mén)的升降而變化。當(dāng)在電位器的兩固定臂施加電壓時(shí),即可從動(dòng)臂取走一電位值。
通常,數(shù)字型的閘門(mén)傳感器可以分為編碼式的和計(jì)數(shù)式的,在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中主要是采用計(jì)數(shù)式的,其原理是將啟閉機(jī)的位移角進(jìn)行數(shù)據(jù)化,然后通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖對(duì)位移角進(jìn)行計(jì)數(shù)。記錄脈沖的儀器可以由霍爾器件或者干簧管組成,在記錄和保存時(shí)都有電源支持,輸出的數(shù)據(jù)格式一般是格雷碼、BCD碼或二進(jìn)制。
在閘群自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中,通信道是一個(gè)極其重要的部分。因?yàn)橥ㄐ诺赖目煽啃浴⒎€(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作,而且通常是系統(tǒng)里價(jià)格最為昂貴的部分。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要用于閘控站與中心站的通信,也包括閘控站之間或與水位站之間的通信。通信鏈路種類(lèi)可以是有線或無(wú)線的,常用的有超短波、微波、光纖和電纜等[2]。通信方式一般采用全集上應(yīng)警方式,即可由中心站觸發(fā)通信和閘控站觸發(fā)通信。
遠(yuǎn)程控制終端可以由各種各樣的元器件或部件組成。為了適應(yīng)遠(yuǎn)程控制的需要,國(guó)內(nèi)外一些研究部門(mén)和生產(chǎn)廠家,將遠(yuǎn)程終端站的主要控制部件組裝在一起,稱(chēng)為遠(yuǎn)程控制單元,即 RTU。RTU具有工作可靠、性能穩(wěn)定、功能齊全(并可選擇)、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)提高,現(xiàn)在已有許多定型的、性能優(yōu)越的RTU面市。作為系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行的工作站,遠(yuǎn)程控制單元通過(guò)本地控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,從而實(shí)現(xiàn)本地的控制。該單元能夠出色地完成連鎖控制的任務(wù),具體工作有前饋、反饋以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能等。
在采集數(shù)據(jù)時(shí),充當(dāng)著遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元的作用,從而連接到本站與中心站或其他站之間的通信和操作。遠(yuǎn)程控制單元中的模塊有CPU單元、能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入/輸出模塊、通信接口模塊以及與之相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備,具體如通信機(jī)、收發(fā)天線、機(jī)箱、電源等。在RTU的CPU中,需要事先下載執(zhí)行任務(wù)的程序,該程序編程語(yǔ)言可以采用Visual C++等編寫(xiě)[3]。
閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí),要求閘門(mén)收集信息穩(wěn)定,運(yùn)行可靠,閘控及配電保護(hù)措施設(shè)計(jì)完善。據(jù)以上特點(diǎn)及安全設(shè)計(jì)規(guī)范可知,自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)。
(1)以基本功能為基礎(chǔ)前提,以設(shè)備的實(shí)用性及可靠性為主,注重安全檢測(cè)和安全監(jiān)控,降低設(shè)備運(yùn)行的失誤和障礙發(fā)生率。
(2)閘門(mén)和配電室周?chē)懈鞣N不利于監(jiān)控系統(tǒng)的電磁干擾,在強(qiáng)電和雷電的干擾下,系統(tǒng)必須具備抵抗惡劣環(huán)境的能力。
(3)實(shí)行參數(shù)應(yīng)答式工作機(jī)制。
(4)操作應(yīng)該簡(jiǎn)單易懂,利于維修。
(5)閘群控制組網(wǎng)需靈活便于操作。
(6)閘群自動(dòng)監(jiān)控與自動(dòng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)配套,水情自動(dòng)預(yù)測(cè)應(yīng)該按照規(guī)范SL61 - 94執(zhí)行,符合用戶(hù)需要。
2.2.l可編程控制器(即PLC系統(tǒng))
PLC系統(tǒng)適用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制。其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、技術(shù)成熟、使用比較廣泛,價(jià)格合理,但它只局限于通信場(chǎng)臺(tái),在閘門(mén)自動(dòng)化中可用于單閘就地自動(dòng)控制。
2.2.2 分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(即SCADA系統(tǒng))
SCADA系統(tǒng)屬于中小規(guī)模的測(cè)控系統(tǒng),系統(tǒng)主要由三部分組成:遠(yuǎn)程控制單元 RTU、通信網(wǎng)絡(luò)及控制中心。它具有多種特點(diǎn),能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控,又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息資源共享。其中的一個(gè)系統(tǒng)既能夠配備有線通信系統(tǒng),又能夠配備無(wú)線通信系統(tǒng),而且無(wú)線通信系統(tǒng)更加適合廣泛的地域應(yīng)用環(huán)境。
SCADA系統(tǒng)主要可以應(yīng)用于石油、供電、水利這些行業(yè),在地理環(huán)境特別惡劣或者無(wú)人看守的情況下,尤其適合遠(yuǎn)程監(jiān)控,此系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比較高。目前中小規(guī)模閘群自動(dòng)控制和水利樞紐自動(dòng)控制系統(tǒng)中,已經(jīng)有很多的應(yīng)用案例及推廣前景。
陡河水庫(kù)位于陡河上游,在唐山市市區(qū)東北15km,是一座以防洪為主,兼供唐山市市區(qū)工業(yè)和生活用水及庫(kù)區(qū)周邊和下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程;引灤入唐工程修建后,又是引灤入唐終端調(diào)節(jié)水庫(kù)。
水庫(kù)興建于1955年,建成于1956年并投入運(yùn)行,歷經(jīng)1969~1971年續(xù)建,1976~1977年震后修復(fù),1988~1989年提高保壩標(biāo)準(zhǔn)工程建設(shè),到1990年全部完工,達(dá)到千年一遇設(shè)計(jì),萬(wàn)年一遇校核的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
陡河水庫(kù)是年調(diào)節(jié)水庫(kù),死水位28m(大沽高程,下同),汛限水位34m,正常蓄水位34m,設(shè)計(jì)洪水位40.3m,校核洪水位43.4m,總庫(kù)容5.152億m3,其中調(diào)節(jié)庫(kù)容4.414億m3,興利庫(kù)容0.684億m3。在實(shí)際運(yùn)用中,為保陡河電廠供水要求,水庫(kù)水位不低于30.0m,實(shí)際上水庫(kù)興利庫(kù)容僅為 0.557億 m3。因該庫(kù)距唐山市區(qū)近,是唐山市的頭頂庫(kù),運(yùn)行原則是在保證水庫(kù)工程安全的前提下確保唐山市區(qū)防洪和用水安全。
陡河閘測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)由陡河水情自動(dòng)測(cè)報(bào)分系統(tǒng)、陡河閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)以及超聲波流量測(cè)量子系統(tǒng)等組成。共含3個(gè)雨量遙測(cè)站、1個(gè)水位/雨量遙測(cè)站、1個(gè)三孔閘門(mén)的自動(dòng)監(jiān)控站,1個(gè)超聲波流量檢測(cè)站及陡河閘測(cè)控中心站。
陡河控站的主要作用如下。
(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)三孔閘門(mén)自動(dòng)進(jìn)行周期性、實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)信息采集,井對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
(2)自動(dòng)控制三孔閘門(mén)的啟、閉運(yùn)行。
(3)對(duì)各閘運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)工況及電源變化進(jìn)行檢查和報(bào)警處理。
(4)與中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,接受中心站調(diào)控命令,井反饋本站執(zhí)行命令后的狀態(tài)信息。
[1]劉小力,高祥.嵌入式系統(tǒng)在閘門(mén)控制中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè).2009,33(1)∶76-78.
[2]李彬,陳茹.伊朗 MOLLASADRA水電站底孔工作閘門(mén)及事故閘門(mén)設(shè)計(jì)[J].水利電力機(jī)械.2006(11).
[3]韓曉翠.基于單片機(jī)的中小水電站閘門(mén)控制系統(tǒng)[D].山東∶山東大學(xué),2007.