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      基于水閘自動(dòng)控制的流程化放水預(yù)警系統(tǒng)

      2022-04-02 09:36:32屠慧林陸乙君白東東胡正松
      浙江水利科技 2022年2期
      關(guān)鍵詞:流程化警報(bào)導(dǎo)通

      余 磊,屠慧林,陸乙君,楊 勇,白東東,胡正松

      (1.平湖市水利局,浙江 平湖 314200;2.杭州智水工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州定川信息技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310020)

      1 問(wèn)題的提出

      隨著社會(huì)的發(fā)展,各行各業(yè)工業(yè)自動(dòng)化的普及,水利工程自動(dòng)化也在全國(guó)各地遍地開花,成為傳統(tǒng)水利工程防汛抗旱、運(yùn)行管理的利器。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用高效解決人工觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差大、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、系統(tǒng)繁瑣且維護(hù)難、防汛安全等問(wèn)題,對(duì)水利工程的高效運(yùn)行、降低人力、運(yùn)維成本等起到重要作用。

      水利工程自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn),主要在于第一時(shí)間獲得各閘站的運(yùn)行、檢修、停運(yùn)等狀況及隱患,通過(guò)前置放水預(yù)警,運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策并完成水閘及泵站的啟停。根據(jù)浙江省《大中型水閘運(yùn)行管理規(guī)程》的要求,水閘管理單位應(yīng)根據(jù)批準(zhǔn)的年度控制運(yùn)用計(jì)劃和有關(guān)防汛指揮機(jī)構(gòu)、水閘主管部門的調(diào)度指令按規(guī)定流程操作運(yùn)行,并按照水閘啟閉放水預(yù)警方案進(jìn)行預(yù)警工作。人工操作警報(bào)因其局限性而達(dá)不到預(yù)警方案要求,預(yù)警效果不佳;同時(shí)人工預(yù)警粗放式的管理也無(wú)法精細(xì)化符合閘站啟閉的預(yù)警流程及時(shí)限要求,無(wú)法保證閘門啟閉時(shí)上下游的安全。

      鑒于此,基于水閘自動(dòng)控制系統(tǒng),為更加契合浙江省各地放水預(yù)警方案需要,以浙江省某平原地區(qū)某水閘為例,在原有電動(dòng)預(yù)警警報(bào)的系統(tǒng)上,改造原預(yù)警控制柜,并相連閘門LCU柜,完成放水預(yù)警PLC程序及研發(fā)放水預(yù)警系統(tǒng)可視化界面編程及植入,最終建設(shè)一套符合各地市放水預(yù)警預(yù)案的水閘放水預(yù)警系統(tǒng),滿足水閘啟閉前不同預(yù)警要求的警示效果,契合放水預(yù)警方案的流程化及標(biāo)準(zhǔn)化,保護(hù)水利設(shè)施設(shè)備安全和沿岸群眾的財(cái)產(chǎn)生命安全。

      2 放水預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      水閘放水預(yù)警系統(tǒng)主要由電動(dòng)警報(bào)器、遠(yuǎn)程警報(bào)控制箱、原閘門LCU控制柜,PLC流程化預(yù)警程序及放水預(yù)警人機(jī)交互軟件,中控室工控機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。

      電動(dòng)警報(bào)器:發(fā)放警報(bào)信號(hào)的器具,用于發(fā)放預(yù)報(bào)、警報(bào)和解除警報(bào)的信號(hào)。本系統(tǒng)采用JDW450-2,7.5 kW電動(dòng)警報(bào)器。

      遠(yuǎn)程預(yù)警控制箱:升級(jí)原預(yù)警控制箱,加裝接觸器、輔助觸點(diǎn)、中間繼電器、旋鈕、按鈕等,可輸出電動(dòng)警報(bào)器電源信號(hào),遠(yuǎn)程/現(xiàn)地信號(hào),啟/停信號(hào),并可通過(guò)控制回路控制電動(dòng)警報(bào)器啟/停,同時(shí)提供遠(yuǎn)程對(duì)接接口至原閘門LCU控制柜用于遠(yuǎn)程控制。

      閘門放水預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程預(yù)警控制箱采集電動(dòng)警報(bào)器電源信號(hào)、遠(yuǎn)程/現(xiàn)地切換信號(hào)、警報(bào)開/關(guān)信號(hào)等,并通過(guò)放水預(yù)警人機(jī)交互軟件及PLC預(yù)警程序按預(yù)設(shè)流程控制接觸器吸合及斷開,達(dá)到預(yù)警系統(tǒng)流程化及標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)預(yù)警方案的預(yù)警要求。

      閘門放水預(yù)警控制系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)見圖1。

      圖1 閘門放水預(yù)警控制系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)圖

      3 放水預(yù)警控制流程

      本文以浙江省某平原地區(qū)某市一水閘放水預(yù)警為例。為保證水閘工程運(yùn)行安全,根據(jù)批準(zhǔn)的放水預(yù)案以及水閘控制運(yùn)行計(jì)劃,水閘啟閉前后用的警報(bào)預(yù)警應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)化流程定制,主要由預(yù)備警報(bào)、啟閘警報(bào)、閉閘警報(bào)、緊急啟閉警報(bào)組成。具體各警報(bào)流程:

      (1)預(yù)備警報(bào):表示將要開啟閘門泄洪。閘門開啟時(shí)通過(guò)人機(jī)交互軟件一鍵啟動(dòng)預(yù)備警報(bào),啟動(dòng)后連續(xù)2長(zhǎng)聲,每長(zhǎng)聲60 s,間隔30 s,完成后可自動(dòng)啟動(dòng)啟閘警報(bào),期間遇突發(fā)狀態(tài)可用停止按鈕將警報(bào)停止。

      (2)啟閘警報(bào):表示即可開啟閘門泄洪。預(yù)備警報(bào)發(fā)出15 min后自動(dòng)啟動(dòng)啟閉警報(bào),發(fā)送1長(zhǎng)聲2短聲,長(zhǎng)聲60 s,短聲30 s,間隔30 s,完成后自動(dòng)停止,期間遇突發(fā)狀態(tài)可用停止按鈕將警報(bào)停止。

      (3)閉閘警報(bào):表示泄洪結(jié)束進(jìn)行關(guān)閘操作。閘門需關(guān)閉時(shí)一鍵啟動(dòng)閉閘警報(bào),啟動(dòng)后1長(zhǎng)聲,60 s,完成后自動(dòng)停止,期間遇突發(fā)狀態(tài)可用停止按鈕將警報(bào)停止。

      (4)緊急啟閉警報(bào):表示險(xiǎn)情或遇急需開啟閘門。遇事需緊急啟閉時(shí)一鍵啟動(dòng)緊急啟閉警報(bào),啟動(dòng)后連讀短聲,每短聲15 s,間隔10 s,完成后自動(dòng)停止,期間遇突發(fā)狀態(tài)可用停止按鈕將警報(bào)停止。

      當(dāng)水閘需實(shí)施開閘放水預(yù)備時(shí)間,一般情況下需提前30 min,緊急情況下提前15 min實(shí)施預(yù)警,如遇不可抗力災(zāi)害無(wú)法實(shí)施時(shí)例外。水閘管理單位可通過(guò)人機(jī)交互軟件結(jié)合實(shí)際情況,有區(qū)別地進(jìn)行拉響警報(bào)操作。

      4 放水預(yù)警控制系統(tǒng)

      現(xiàn)有放水預(yù)警控制系統(tǒng)以三相斷路器直連電動(dòng)警報(bào)器較多,以通斷電源控制電動(dòng)警報(bào)開斷,可控性及可靠性均不高。通過(guò)加裝交流接觸器、輔助觸點(diǎn)、中間繼電器、旋鈕及按鈕、接線端子等,升級(jí)改造預(yù)警遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),構(gòu)建可靠及安全的一次電氣主接線及二次電氣控制回路,提供遠(yuǎn)程控制的輸入輸出接口,完成現(xiàn)地及遠(yuǎn)程電動(dòng)警報(bào)的開斷。放水預(yù)警控制系統(tǒng)電氣線路見圖2。

      圖2 放水預(yù)警遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電氣線路圖

      放水預(yù)警控制系統(tǒng)作為閘門啟閉機(jī)控制前安全保障的關(guān)鍵系統(tǒng),可采用現(xiàn)地控制和自動(dòng)控制2種方式,現(xiàn)地控制優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。放水預(yù)警控制系統(tǒng)現(xiàn)地控制主要是操作預(yù)警遠(yuǎn)程控制柜控制電動(dòng)警報(bào)開關(guān),目前現(xiàn)地控制單純靠人工經(jīng)驗(yàn),無(wú)法實(shí)現(xiàn)流程化預(yù)警控制的時(shí)長(zhǎng)和間隔要求。放水預(yù)警控制系統(tǒng)自動(dòng)控制利用原閘門現(xiàn)地LCU柜,通過(guò)PLC邏輯控制器編輯植入預(yù)警流程化程序,用人機(jī)交互軟件操作界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程流程化及標(biāo)準(zhǔn)化控制。放水預(yù)警控制系統(tǒng)與閘門啟閉控制系統(tǒng)配套使用,互為補(bǔ)充,又相對(duì)獨(dú)立。

      放水預(yù)警控制系統(tǒng)現(xiàn)地控制具體流程:將預(yù)警遠(yuǎn)程控制柜控制方式切換成現(xiàn)地模式,按下SB1電動(dòng)警報(bào)開啟按鈕,電動(dòng)警報(bào)啟動(dòng),按下SB2關(guān)閉按鈕,電動(dòng)警報(bào)關(guān)閉。操作人員為契合流程化預(yù)警警報(bào)要求,需按掐計(jì)時(shí)器,控制時(shí)長(zhǎng)及間隔,不易做到精準(zhǔn)化控制。

      放水預(yù)警控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)使用中央控制器西門子S7300 PLC,由電源模塊、CPU、通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊等組成。放水遠(yuǎn)程預(yù)警控制操作回路與數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊相連,點(diǎn)位分配:I0.5 現(xiàn)地/遠(yuǎn)程狀態(tài),I0.6 電源監(jiān)視裝填、Q24.4警報(bào)開啟輸出;M30.2預(yù)備警報(bào)啟動(dòng)按鈕、M30.4閉門警報(bào)啟動(dòng)按鈕、M30.6緊急啟閉警報(bào)按鈕;M32.4預(yù)備警報(bào)輸出、M32.5啟閘警報(bào)輸出、M32.6閉閘警報(bào)輸出、M32.7 緊急啟閉警報(bào)輸出;MW400預(yù)備警報(bào)時(shí)長(zhǎng)、MW412啟閘警報(bào)時(shí)長(zhǎng)、MW404閉閘警報(bào)時(shí)長(zhǎng)、MW408 緊急啟閉警報(bào)時(shí)長(zhǎng);T37預(yù)備警報(bào)計(jì)時(shí)器,T40啟閘警報(bào)計(jì)時(shí)器,T38閉閘警報(bào)計(jì)時(shí)器、T39 緊急啟閉警報(bào)計(jì)時(shí)器。根據(jù)即定的警報(bào)方案流程化,控制過(guò)程:

      首先切換至遠(yuǎn)程模式(I0.5),同時(shí)打開預(yù)警遠(yuǎn)程控制柜電源(I0.6)。

      預(yù)備警報(bào):按下預(yù)備警報(bào)按鈕M30.2,預(yù)警警報(bào)流程啟動(dòng),導(dǎo)通預(yù)備警報(bào)計(jì)時(shí)器器T37并開始計(jì)時(shí),當(dāng)MW400分別處于0~60,90~150 s內(nèi),預(yù)備警報(bào)輸出M32.4導(dǎo)通,警報(bào)開啟;當(dāng)MW400處于60~90 s內(nèi)時(shí),預(yù)備警報(bào)輸出M32.4斷開,警報(bào)關(guān)系;預(yù)備警報(bào)整體流程總計(jì)時(shí)長(zhǎng)150 s。

      啟閘警報(bào):預(yù)備警報(bào)完畢后900 s(15 min)后,啟閘警報(bào)自動(dòng)啟動(dòng),導(dǎo)通啟閘警報(bào)定時(shí)器T40并開始計(jì)時(shí),當(dāng)MW412分別處于0~30,60~90,120~180 s內(nèi)時(shí),啟閘警報(bào)輸出M32.5導(dǎo)通,警報(bào)開啟;當(dāng)MW412處于30~60,90~120 s內(nèi)時(shí),啟閘警報(bào)輸出M32.5斷開;啟閘警報(bào)整體流程總計(jì)時(shí)長(zhǎng)180 s。

      閉閘警報(bào):按下閉閘警報(bào)按鈕M30.4,閉閘警報(bào)開啟,導(dǎo)通閉閘警報(bào)定時(shí)器T38并開始計(jì)時(shí),當(dāng)MW404處于0~60 s內(nèi)時(shí),閉閘警報(bào)輸出M32.6導(dǎo)通,警報(bào)開啟;閉閘警報(bào)整體流程總計(jì)時(shí)長(zhǎng)60 s。

      緊急啟閉警報(bào):按下緊急啟閉警報(bào)按鈕M30.6緊急啟閉警報(bào)開啟,導(dǎo)通緊急啟閉警報(bào)定時(shí)器T39并開始計(jì)時(shí),當(dāng)MW408處于0~15,25~40,50~65,75~90,100~115 s內(nèi)時(shí),緊急啟閉警報(bào)輸出M32.7導(dǎo)通,警報(bào)開啟;當(dāng)MW408處于15~25,40~50,65~75,90~100 s內(nèi)時(shí),緊急啟閉警報(bào)輸出M32.7斷開,警報(bào)關(guān)閉。緊急啟閉警報(bào)整體流程總計(jì)時(shí)長(zhǎng)115 s;M32.4預(yù)備警報(bào)輸出、M32.5啟閘警報(bào)輸出、M32.6閉閘警報(bào)輸出、M32.7緊急啟閉警報(bào)輸出均直接導(dǎo)通Q24.4輸出至預(yù)警遠(yuǎn)程控制柜控制警報(bào)啟閉。

      預(yù)備警報(bào)、啟閘警報(bào)、閉閘警報(bào)、緊急啟閉警報(bào)的PLC控制程序根據(jù)上述流程要求編輯。

      5 放水預(yù)警人機(jī)交互軟件

      放水預(yù)警控制系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件(遠(yuǎn)程操控界面)以簡(jiǎn)潔、使用方便的原則研發(fā)。整個(gè)人機(jī)交互軟件分為由信息監(jiān)測(cè)模塊、警報(bào)控制模塊、時(shí)長(zhǎng)展示模塊3部分組成。信息監(jiān)測(cè)模塊包含:電源信號(hào)、控制方式、運(yùn)行狀態(tài);警報(bào)控制模塊包含普通警報(bào)控制、預(yù)備警報(bào)控制、啟閘警報(bào)控制、閉閘警報(bào)控制、緊急啟閉警報(bào)控制等;時(shí)長(zhǎng)展示模塊包含5類警報(bào)的控制時(shí)長(zhǎng)及警報(bào)啟停間隔等。

      人機(jī)交互軟件遠(yuǎn)程操控界面控制流程與PLC邏輯控制控制流程一致,不再贅述。

      人機(jī)交互軟件遠(yuǎn)程操控界面見圖3。

      圖3 人機(jī)交互軟件遠(yuǎn)程操控界面圖

      6 結(jié) 語(yǔ)

      放水預(yù)警控制系統(tǒng)本著節(jié)省投資、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便安裝的原則,實(shí)現(xiàn)閘門啟閉的流程化及標(biāo)準(zhǔn)化警報(bào)控制。系統(tǒng)的建立消除了人為控制的因素,放水預(yù)警控制系統(tǒng)與閘門自動(dòng)啟閉控制系統(tǒng)相互補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)不同警報(bào)要求的警報(bào)流程,大大減少人力控制警報(bào)的不精確性及不準(zhǔn)確性,對(duì)沿岸居民及水上作業(yè)群眾起到很好的預(yù)警效果。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用,對(duì)浙江省水庫(kù)、水閘由人工預(yù)警警報(bào)操作方式改造為預(yù)警自動(dòng)化控制提供了一個(gè)經(jīng)典案例。

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