三堡船闸输水廊道工程闸门监控系统改造\优化实施方案
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摘要：机电一体化液压式启闭机是技术性较强的机型，日常运行中有时出现问题，而有些问题的解决靠人力难以实现。本文以一项工程实施监控改造为实例，论述了采用自动化监控解决问题的可行性。
关键词：计算机监控;视频监控;闸门开度;油缸纠偏
Abstract: The mechanical and electrical integration of hydraulic hoist machine technology is strong, sometimes problems in daily operation, and solve some problems difficult to achieve by human. Taking a project implementation monitoring transformation as an example, discusses the feasibility of using automatic monitoring problem solving.
Key words: computer monitoring; video monitoring; the gate opening cylinder rectification;
中图分类号：G623.58文献标识码：A文章编号：
1 工程概括
杭州市三堡船闸输水廊道工程是将钱塘江的水引入运河，起到运河景观配水的作用，是“运河申遗”的重要配套工程之一。工程于2006年10月开始设计、同年11月施工， 2007年3月正式竣工通水。工程位于三堡船闸东侧，由输水廊道和廊道两端的进、出水闸组成。在钱塘江水质允许的条件下(主要是非潮汛期间)，钱塘江水的含沙量和含盐量均满足运河水质要求时，则开闸引水；当水质不符合条件或船舶遇险、航道测量等特殊情况时，则关闭闸门。
工程采用“一”字型布置方式，从外至里依次布置的主要建筑物有进口喇叭段、进口明渠、进水闸（4×3.5m）、引水箱涵（4×3.5m）、输水砼管（直径3.5m）、出水闸（4×3.5m）、出口箱涵、出口喇叭段等，其中进水闸和出水闸采用平面滑动钢闸门，闸门启闭设备选用机电一体化液压式启闭机。
工程设计年引水量5亿m3，日平均引水量140万m3，设计流量为25 m3/s，最大引水流量35m3/s。工程投入使用以来，有效的改善了运河水质，提升了城市品质生活，也为运河申遗做出了重要贡献。
2 改造、优化的原因
为了更好的提升对运河引配水的科学管理，及时响应上级各项引配水防汛指令，提高引配水工程运行的安全性、可靠性以及值班运行人员的工作效率，需对引配水闸门的现场操作改造升级为远程监视和控制。同时，设置一套视频监控系统实时监视闸门、启闭机等设备的外部运行环境。
本次改造、优化是在原有现地操作的基础上进行，因此，原有的设备及控制系统保留，仅对其进行功能性优化，如增加故障监视、分析及处理能力；增加远程监控功能等。
对原有PLC控制系统程序进一步优化，增加故障信号输入点；增加水位、流量监测信号。
增设一套远程监控系统，在中控室即能对现场所有机、电、液设备进行远程监视和操作，当故障信号越限时，发出可视动态和语音报警。
建立一套闸门启闭过程中的自动控制系统，如故障严重时，能自动停机；左右油缸差值较大时，运行中自动纠偏；闸门静止状态下跌时，能自动复位等。
建立一套视频监控系统，在进出水闸、启闭机房、以及进出水口设置摄像机，以达到对引配水设备工作状态和设施的环境安全监察，和异常情况时能及时作出操作处理响应，确保其安全运行。
4 建设目标
建设的目标主要有二大类：建设1套闸门计算机监控系统；建设1套闸门视频监控系统。
5 计算机监控系统
5.1 设计原则
监控系统按照无人值班（少人值守），以计算机监控为主，简易常规控制为辅的原则进行总体设计，设计充分注意计算机监控系统与常规控制设备的协调配合。简易常规控制可在主控站与现场控制单元通信中断（或主控站故障）时作操作备用。
在保证可靠性、实用性和实时性等要求的前提下，系统配置和设备选型符合工业控制自动化迅速发展的特点，充分利用自动化领域的先进技术，达到国内先进水平。系统软硬件人机界面友好，操作方便简明，便于各级领导和管理人员使用。
5.2 系统结构
计算机监控系统结构图
5.3 主要内容
系统主要建设或改造内容分为三个部分：主控站、网络通讯系统和2个闸门现地控制站。
主控站（包括硬件设备和应用软件系统）：将闸门控制信号通过光纤通讯系统和线缆直连接入应用软件系统，操作人员在控制中心站通过应用软件系统以及人机接口设备实现对闸门的远程遥控、运行状态监视等。控制中心内部采用局域网进行通信，各计算机通过以太网交换机进行信息传送。
网络通讯系统：建设2个闸门控制站与控制中心之间的光缆网络。
闸门现地控制站改造：闸门现地控制站的主要功能，现地开启和关闭闸门；现地监视闸门的运行和故障情况；采集闸门运行状态开关量和模拟量信号，经处理后与主控站通讯；当主控站故障或通讯中断时，也能独立完成对闸门的控制和运行状态监视。由于闸门现地控制站已建成，并投入使用多年，液压启闭机控制系统采用PLC，因此本次改造可充分利用原有的设备进行，不另设现地LCU系统，改造的主要内容有：对闸门现地控制站原有的PLC根据需要进行功能扩展，如增加故障和运行状态I/O点数；建立PLC与主控站的通讯连接；增加PLC控制闸室、启闭机室照明控制系统。
5.4 技术要求
通过本次监控改造、优化达到的技术性能有：
（1）操作方面
通过中控室上位机人机接口设备实现远程开启、关闭闸门功能。
通过中控室上位机人机接口设备实现远程单个左侧或右侧闸门的开启、关闭功能。
（2）运行过程中
闸门开启或关闭达到PLC设定开度值时，PLC自动停机。
由原来的单变频电机优化为双变频电机，增设1台变频器用于自动纠偏。闸门开启过程中，当左右侧油缸差异≥40mm时，变频电机跟踪工频电机，自动纠偏，纠偏后稳定提升至设定开度值。
（3）通常待机状态
闸门静止状态出现一侧下跌小于设定开度值20mm时，PLC自动开启下跌侧油缸，待油缸提升至额定开度时，自动停机。
远程可视界面
静态显示：主要有左右侧闸门开度额定设定值、油泵运行状态指示、电机故障指示、电源监视、油缸油位指示、油缸油压指示、内河水位、水位流量值等。
动态显示：显示闸门实时开启、关闭开度值；模拟显示闸门动态运行状态图画；模拟显示油缸动态运行状态图画；模拟显示工程整体动态配水图画，画面显示钱塘江—进水闸—涵洞—出水闸—运河的横面图画。钱塘江、涵洞、运河有动态的水形，进水闸、出水闸与河床间有动态的开度，（出水口能根据实际流量大小呈现水浪图示）画面有钱塘江水位、运河水位、出水流量显示；模拟显示电气运行状态，画面主要呈现电气主电路工作状态。由进电空开-PLC指令-左变频器-右变频器-热继电器-油泵电机等，工作中正常的通路为红色，其中某部件不工作时变绿色，故障时，某部件将黄色；模拟显示液压系统，画面主要呈现油缸液压主通道工作状态，分别为油缸杆缩（提升门）和油缸杆伸（下降门）两种状态：1）由液压泵正转--压力阀--缸杆顶部油管--油缸无杆腔--缸杆边侧油管--油箱；2）由液压泵反转--压力阀--缸杆边侧油管--油缸无杆腔--缸杆顶部油管-缸杆边侧进油管-油箱。
操作命令显示：开启/关闭按钮、开度设定值按钮等。
（5）记录查询显示：操作查询、故障查询、流量查询。
（6）制表打印：根据选择的记录查询结果，以表格或统计形式汇编A3或A4格式，进行选择打印。
5.5 控制流程
（1）左右油缸就地/远程操作工作流程
开闸门：
进入闸门开度设置界面——设置闸门开度值——按开门钮——两油泵电机得电同时正向启动——左右油缸同时提升——当两缸差值大于4㎝时——变频电机跟踪工频电机进行纠偏——左右油缸继续提升/纠偏——闸门升至开度设置值—电机停止同时停止。
关闸门：
进入闸门开度设置界面——设置闸门开度值——按关门钮——两油泵电机得电同时反向启动——左右油缸同时下降——当两缸差值大于4㎝时——变频电机跟踪工频电机进行纠偏——左右油缸继续下降/纠偏——闸门降至开度设置值——电机同时停止。
故障与报警：
当闸门在自动运行升降过程中——当两侧的开度值差≥3㎝时——报警——开度值差≥4㎝时——自动停机。
紧急停机：
当闸门在自动升降过程中——若遇卡门或异常情况时——按停止键——电机停止。
自动运行复位：
运行中出现故障自动停机——故障处理后——按此钮——故障解除。
（2）闸门静止状态时下跌自复位
闸门在开度设置值静止状态——当闸门左侧油缸下降值≥开度设置值2㎝时——左缸电机自动正向启动——左油缸提升——当升至原开度设置值——变频电机停止工作——闸门保持平整状态。
闸门在开度设置值静止状态——当闸门右侧油缸下降值≥开度设置值2㎝时——右侧电机自动正向启动——右油缸提升——当升至原开度设置值——变频电机停止工作——闸门保持平整状态。
（3）左右油缸就地手动操作流程
开闸门：
1）根据闸门实际左右的平行情况，单独按住 左开闸 或 右开闸 点动式按钮（单独油缸正向启动）或着同时按住柜门上 左开闸 右开闸 的点动式按钮——两油泵电机正向启动——左右油缸同时工作——闸门提升。
2）当手松开左开闸 右开闸点动式按钮后，电机停止工作。
关闸门：
1）根据闸门实际左右的平行情况，单独按住 左开闸 或 右开闸 点动式按钮（单独油缸反向启动）或着同时按住柜门上 左关闸 右关闸 点动式按钮——两油泵电机反向启动——左右油缸同时工作——闸门下降。
2）当手松开左关闸 右关闸点动式按钮后，电机停止工作。
（4）单侧油缸手动操作远程工作流程
1）当闸门左油缸低于右油缸4cm时——点动一次界面开左闸 按钮——左变频泵电机启动——左油缸工作——闸门左侧提升——当左油缸提升高度为3㎝时电机停止。
2）当闸门左油缸高于右油缸4cm时——点动一次界面开右闸 按钮——右变频泵电机启动——右油缸工作——闸门右侧提升——当右油缸提升高度为3㎝时电机停止。
6、结束语
机电一体化液压式启闭机由于安装较为隐蔽，无上部建筑、启闭力较大等特点一直是城市泵闸工程中常选用的机型，由于其本身技术、结构的复杂性，液压式启闭机在运行过程容易出现问题，而现实中，大部分液压式启闭机都使用简单的现地操作，当出现故障时，如左右侧闸门不平衡，靠人为现地操作难以解决问题，还应依靠PLC等微机技术进行自动纠偏，排除故障。笔者认为，在以后的工程设计、建造中，通过技术经济比较后，液压式启闭机应优先采用全自动化控制为主。