基于水閘自動(dòng)控制的流程化放水預(yù)警系統(tǒng)

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。