计算机监控与视频监视系统在二河闸的应用（王一球,曹宝华）

摘 要:水闸工程传统控制方式为人工根据水文站提供的上下游水位、流量情况，现场对称操作，由于信息滞后，人工操作不可能做到根据上下游水位变化情况随时快速实现给定流量的控制，对于大型水闸还存在着孔数多工作面长，操作人员多效率低等情况。在防汛调度过程中更存在着信息反馈不及时，决策部门无法实时掌握工程现场水情信息及工程状况而在一定程度上影响防汛调度工作。江苏省二河闸为改变较为落后的传统控制方式，借助工程加固机遇，利用自动化技术组建了一个分层分布式网络多媒体远程计算机监控及视频监视管理系统，该系统的建成和运用大大提高了二河闸闸门控制技术，实现了对二河闸更为科学准确和合理的调度管理，提高了工程运行管理水平。

关键词：自动化技术 水利工程 二河闸应用

一、概述

二河闸位于江苏省洪泽县东北8km处的洪泽湖大堤上，是淮河入海水道、分淮入沂、引沂济淮工程的总口门，发挥防洪、灌溉、引沂济淮等综合效益。该工程建于1958年，是大I型水工建筑物，设计流量3000m3/s，校核流量为9000m3/s。二河闸共35孔，每孔净宽10m，孔高8m，总宽402m。闸门为双吊点弧形门，配套QH2×225KN绳鼓式启闭机，工作行程14.0m，配套13kW电机。该闸在边墩与两岸墙之间各装有一套水轮发电机，年发电能力120万kWh。工程自建成以来，已发挥显著的综合效益，为促进淮河与沂、沭、泗地区的经济发展和社会稳定，发挥了重要作用。

二、本系统的创新点

二河闸原采用的控制方式是人工就地控制，由于孔数较多，闸门启闭时又要求对称操作，这样现场操作人员较多，操作方式较为落后，由于工程调度的控制参数——上下游水位来自于水文站，信息滞后，人工控制情况下不可能做到根据上下游水位变化情况随时快速实现给定流量的控制，在一定程度上也影响防汛调度工作，为改变这种较为落后的控制方式，江苏省淮沭新河管理处引进国外先进技术，建成了二河闸计算机监控与视频监视系统，提高了二河闸闸门控制技术，实现了对二河闸更为科学准确和合理的调度，系统刚建成运行就经受了2007年淮河洪水的考验，为省和淮河防汛指挥机构合理、及时、准确调度淮河洪水，提高水情调度时效性，最终战胜这场继1954年以来的淮河最大洪水作出了重大贡献。

1.定流量动态群控自动调节的实现

系统上位机监控组态软件采用美国WONDERWARE公司的Intouch7.11监控组态软件，实时关系型数据库系统采用INSQL专用数据库。由于本系统的控制对象是35孔闸门，群控操作一般对应的是较大流量的控制，在大流量控制时，有多种操作方式可能出现。如，在相同流量下开启孔数可能不同，开启位置也可能不同。在市电供电时，同时运行的电机不允许超过20台，在柴油发电机自供电时，不允许超过12台。在上位机界面显示上，如何将35孔门运行情况实时在监控画面上以一幅画面直观反映出来，都是在小型闸门监控系统中不会遇到的情况。针对大型闸门监控的特殊性，我们采用如下方式解决这些问题。

将PLC机柜分为6组，其中5组每组控制7孔闸门，另1组控制35KV变电所及水电站。在上位机上可以灵活选择所要参与控制的PLC，另外，在每组PLC下，还可再设置要运行的具体闸门数。在选择完运行的PLC及闸门后，计算机自动将给定流量所对应的开度均摊到每孔闸门。上位机根据实测的上下游水位和流量关系曲线，分段计算出对应每次开启的安全流量所对应的开高，分步逐次将开高和命令传送给各PLC，PLC按收到指令，自动将各闸门依次开到指定位置。当本组PLC执行完命令后，返回给上位机一个信号，当第一次命令下发，所有PLC运行完毕后，上位机再根据上下游的变化，计算出下一次安全流量下对应的各孔开度，再将新的指令发布给各PLC。一直到各闸门开启到给定流量所对应的闸门位置处。在群控方式保持期间，计算机时刻监视当前水位下的流量变化情况，检测实测流量是否在允许误差范围之内，如出范围，上位机将自动发布新的指令，将闸门控制在误差范围之内。

在同一时刻，上位机只发布给两组PLC控制命令，每组PLC收到命令后，采用分步延时方式，逐次按顺序启闭闸门，闸门上升时，按先开中间，再延时对称开两边的方式避开电机启动瞬间电流扰动的问题。同样，闸门下降时，先关两边，再延时依次关到中间。保证了闸门运行的安全性。

在群控运行时，在同一幅监控画面上可同时监视三组PLC所对应的闸门。由于发布命令时，最多同时两组PLC在运行，在画面上，采用过度变量替换法将正运行的PLC所对应的闸门参数替换在画面上，不在运行的PLC可暂不显示。以此解决大型闸门孔数多，在群控方式时，不能同时全部出现在同一画面的问题。

2.系统的总体结构

系统按照安全、可靠、标准化、实用性为主的要求进行设计，在设备选型上力求性能价格比最优，系统采用分层分布式结构，总体结构如图1所示。系统由远程调度网、管理所计算机局域网、闸门自动监控子系统、视频语音监视子系统组成，分为远程控制（省厅、管理处）、站控制、现地控制、手动控制等控制级别。根据工程实际需要及项目许可经费，本方案核心设备在国际知名公司中按性价比最优进行选取，外围及辅助设备在国内名牌中按实用为主进行选取。

（1）闸门自动监控子系统主要设备。经过设备比选，本系统闸门开度、水位高度仪选用江苏省江都水利工程管理处科研所生产的WDC31型传感器，该传感器基于单片机开发，采用UDZ型编码器、四位LCD数字显示、微功耗CMOS电路，性能稳定可靠；配备XL显示仪表，用MODBUS通讯方式输出测量变换数据，适用于各种高精度绝对位移测量场合。PLC是现场控制的重要组成部分，本方案选用可靠性较好的GEVersamax程序控制器作为现场控制部件，VersaMax是目前唯一的一种既可以作为其它主控设备的I/O模块，又可以单独构成PLC系统，还可以作为分布式控制系统（最大点数为256I/O）的产品，其强大功能和通用性的统一，为控制系统提供最高的性能，适合在环境较差无人工作的条件下运行。中心站选用西门子SIMATICAL40工控机作为上位机，远程控制闸门的启闭，工控机的技术性能指标好，适合长期工作。

（2）视频语音监视子系统主要设备。根据水利行业的特殊性，经过设备比选，本系统选用性价比优的CARVE高分辨率低照度彩色/黑白日夜转换一体化智能球型摄像机，可360°连续旋转、64个预制位，集成多种协议，两点间自动扫描，标准RS-485控制。集控室配置CARVEIHP系列视频控制主机，该主机集视频矩阵、多路选择、画面分割、字符叠加等功能于一体，全工业控制标准硬件组建，网络化设计，信号以H.264图像压缩标准和G.722语音压缩标准进行硬件压缩。

（3）网络及其它主要设备。网络交换机选用华为公司产品，服务器、工作站、投影仪等选用联想公司产品。华为、联想公司的设备性能价格比高，售后服务方便及时。

3.软件设计

人机界面中文化、图表化，操作过程有必要的校核及闭锁，并对操作过程仿真、语音提示，对不同的操作管理人员提供了不同的安全操作等级和权限，软件进行抗干扰设计。

（1）控制部分的软件分为中心站监控软件和PLC控制软件。PLC控制软件对闸门不同步、卡滞、自动下落、越速等故障，均能发出故障告警并立即停机。中心站监控软件选用Intouch组态软件进行开发，当中心站监控软件发出闸门启闭命令时，PLC进行命令巡回确认，无误后进行闸门的启闭控制。数据库设有网络实时数据库、历史数据库和基于WEB发布的查询系统，提高了系统数据的实时性、共享性和安全性。

（2）视频监控系统应用软件主要用于对系统中的所有摄像机镜头、云台、画面分割、录像机设备状态等实施控制和状态反馈，本系统选用成熟的专业监控软件，系统基于标准的C/S和B/S双重结构，方便用户上手。工作人员通过视频监视设施能够对现场关键设备的运行状态（声音、外观、设备现状等情况）进行直接的观察了解，帮助运行人员进行综合判断。视频监视系统能够与微机监控系统相连，实现联动摄像，支持WEB浏览及远程控制管理，瘦身的WIN2000系统和键盘锁定功能，防止用户误操作，提高系统的稳定型。

三、系统功能

1.微机监控系统

（1）数据采集与处理功能

系统对上下游水位、闸门开度、电气运行参数（低压电气系统）、越限报警等进行周期采集，对事故信号、开关量信号以中断方式迅速响应。采集处理包括接点防抖动处理，硬件及软件滤波，基准时间补偿，数据有效性合理性判断，标度变换，检错纠错处理。系统对巡测的各种实时数据、状态信号进行必要处理，生成流量曲线、水位曲线、设备运行时间表等，建立本地实时数据库（监控主机上）和历史数据库(数据库服务器上)。

（2）控制与调节功能

优化调度自动运行。系统能根据需要的过闸流量，随上下游水位的变化，按优化调度方案，自动确定闸门开启的扇数、开度，实现工程最佳状态运行。

人工操作自动控制和调节。系统能根据给定指令自动完成开、关闸操作（单闸控、双闸控、流量控制等）。

急停控制及手动控制。系统在运行中遇到意外情况，可自动紧急停机，隔离故障设备。系统还保留原手动操作功能，具有平滑切换及闭锁功能。

（3）运行监视和事故报警

操作过程中语音同步提示，并能跟踪测试运行过程中的情况。系统测试各开关状态、各运行数据，发现异常情况，及时推出报警窗口、报警语音及报警电话，提示报警原因，等待处理。系统能提供用户最近500条命令和500条报警记录。

（4）参数在线修改、维护

具有各种整定值、限值设定功能，并允许信号量值及状态设定。

（5）画面显示

可以显示闸门操作过程及实时参数，提供多种图形、表格、曲线，刷新速度快且操作简单。

（6）生产管理

能对各设备的运行情况进行统计记录，并能自动生成各类报表、日志，并打印存档。

（7）系统诊断

对主机自检和过程故障检测（包括对I/0过程通道在线自动检测），检测的内容有通道数据有效性、合理性判断，故障点自动查找及故障自动报警等功能。

（8）仿真培训

系统提供水闸停运期间，对运行人员的操作培训、监控系统的维护培训、事故处理培训、软件开发培训及管理培训。

2.视频监视系统

（1）监视部位

能对工程上下游河道、工程上下游侧、启闭机房、发电机组、变电所、集控室、管理中心等部位及关键设备的运行状态（声音、外观、设备现状等）进行全方位、多角度监视。

（2）联动功能

系统能根据微机监控系统提供的报警信息，及时自动地将摄像机的镜头对准其现场，对报警点按预定方案进行现场录像取证。

（3）热点报警

在设定区域内图像发生变化时，系统能自动发出报警（报警语音及报警电话），并转入实时录像。

（4）长延时录像

系统可将视频图像和音频信号完全同步采集，并实时压缩为数字格式（MPG4）存储于大容量的硬盘上。

（5）网络传输、管理

视音频同步信号以组播方式在网络传输，支持WEB浏览及远程控制管理（标准的C/S和B/S双重结构）。

四、主要抗干扰措施

电源、电缆：本系统电源经避雷器保护，大功率在线式不间断供电电源（UPS）集中供电；电缆采用屏蔽信号电缆，光纤以太网现场总线。

硬件抗干扰：PLC机架输入、输出信号采用光电隔离加中间继电器等隔离保护措施，传感器、水位计等仪表输入、输出具有光电隔离功能；现场监控单元采用悬浮接地技术，屏蔽层单点直接接地；系统控制输出模件具有光电隔离及断电输出双重隔离，不会产生地线干扰和其他干扰。

软件抗干扰：数据采集经过合理性判别和数字滤波、工频整形采样处理，命令传送经过巡回认证，以防误操作。此外系统采用信息冗余技术，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

五、结语

随着科学技术的发展，自动化技术在水利工程测量、控制、保护、监视、管理等领域将得到更广泛应用，并将成为数字水利的基础，水利行业防汛抗旱必不可少的工具。此方案于2005年7月实施完成，两年多系统运行稳定可靠，该系统的实现大大提高了二河闸工程现代化管理水平，在二河闸防洪、抗旱、排涝、灌溉、保京杭大运河水位等调度控制方面起着越来越重要的作用。

作者简介

王一球，1971.7生，男，工程师；曹宝华，1977.1生，男，工程师。