（模式识别与智能系统专业论文）水闸群自动控制系统的研究和应用.pdf

一卜j 业楚型型堂生一 水闸群自动控制系统的研究和应用 模式识别与智能系统专业 研究生：孙锐指导教师：古钟璧 水闸群自动控制在水资源优化利用中占据极为重要的地位，也是近年来一 个需求比较旺盛的领域。但对它的研究，尤其是实际应用现在还处在较初级 阶段，这已严重地制约了水利信息化发展的步伐。 本论文的工程背景是四川省新津县通济堰灌区渠首引水枢纽工程的水闸 群自动控制系统，该系统由泄洪、冲沙、进水三组共2 2 孔闸构成，日常承担 着防洪、灌溉和生活供水的重责。因此，本文在比较了近年来主流的几种闸 控系统优缺点后，综合了现今工业控制中成熟的技术，构建了一个完整地基 于p l c 的分布式水闸群自动控制系统实例。该系统较之传统的闸控系统具有 如下明显优势：较高的智能化、较强的稳定性、较好的可扩展性以及一定的 后备冗余系统。 本文给出的该闸控系统实例是采用西门子s 7 系列p l c 为基础控制单元、 p r o f i b u s d p 为现场总线、w i n c c 为上位机组态软件组建的智能控制网络，并 通过完善的外围信息采集系统、软件系统以及后备控制系统共同构成了一个 功能强大的水闸群自动控制系统。该闸控系统的总体结构采用了三层式结构： 现地控制层、集中控制层、决策层，该结构的建立是实现闸控系统朝更高智 能化以及跨流域调度发展的基础。在闸控系统的三层结构功能划分上，现地 层为现场控制层面，集控层为远程控制和综合管理层面，决策层为跨流域调 度层面。本文给出的闸控系统在现场控制层面，采用了p r o f i b u s d p 工业现 场总线作为集控层与现地层之间的通讯方式。2 2 孔闸门的从站? l c 通过 p r o f i b u s d p 总线与集中控制层的主站p l c 采用主一从方式连网通讯，现场各 种外围设备的状态信息均通过从站上传到主站中，同时主站也通过分布在相 应闸门旁的从站向现场控制和保护设备发送命令。在集中控制层面，采用的 卜型堂型型堂l 。 工业以太网的蠛讯方式。主站p l c 通过以太网口巅接与上位机和通讯服务器 连接，采弼颤太丽通谲的方式与上位税交互信息，两通讯服务器采翔联弼方 式读取上位机上的存档信息。上位机采用w i n c c 软件对底层通讯平台进行组 态和建立人瓿交互器琵，著提供阏络接强傣逶讽驻务器读敬嫠惑。瓣逶通鼹 务器在中心站( 决策层) 招测数据时，通过公网上传读取的存档信息。 本文首先介绍了如何在现今主流的现场总线类溅申，选择种满足系统要 求、彀价眈高的现场总线。并且，在该类糍总线的基础上，如何组建以p l c 为核一f l , 单元的分布式控制系统网络。其次，通过详细介绍现地层和集控层控 剿系绕懿实褒方式，绘溅了一个宠整貔瓣群控髑系绞豹设计窝实褒逡疆。 美键词：水闻群岛动控制p l c 现场憨线维惑软件 i i 四川大学硕十学付论文 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fs l u i c e g r o u p a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m m a j o r ：p a t t e mr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m m a s t e r ：s u nr u it u t o r ：g uz h o n g b i i ti ss i g n i f i c a n tf o ra u t o m a t i cc o n t r o lo fs l u i c e - g r o u pt om i l i z ew a t e rr e s o u r c e r a t i o n a l l y , w h i c hi sa l s oah u g ed e m a n d i n gf i e l dl a t e s ty e a r s b u tt h er e s e a r c ho fi t ， e s p e c i a l l yt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa r cs t i l lj l i s tb e g i n n i n g t h i ss i t u a t i o nh a s r e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f w a t e rc o n s e r v a n c yb a d l y t h ep r o j e c tb a c k g r o t m do ft h i s p a p e ri ss l u i c e g r o u pa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mf o ri r r i g a t i o nc h a n n e lp r o j e e ti ns i e h u a np r o v i n c ex i n j i nc o n t r yt o n g i i y a n i r r i g a t i o na r e a t h es y s t e mc o n s i s t so f2 2s l u i c ew h i c ha r eg r o u p e dt h r e eg r o u p s ， o n eg r o u pi sf o rf l o o dd i s c h a r g e ，o n ei sf o rr u s hs a n d ，a n dt h eo t h e ri sf o rw a t e r i m p o r t e d i ti sr e s p o n s i b l ef o rp r e v e n t i n gf l o o d ，i r r i g a t i o n ，l i f ew a t e rs u p p l y i n g e v e r y d a y s o ，t h i sp a p e rc o m p a r e sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a l s l u i c e - g r o u p c o n t r o l s y s t e m s r p e r l t y e a r s ，t h e ni n t e g r a t e sw e l l - a p p l i e d t e c h n o l o g i e si nm o d e mi n d u s t r i a lc o n t r o la r e a ，f i n a l l yc o n s t r u c t sap r a c t i c a l s l u i c e g r o u pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd i s t r i b u t e dp l c t h ec o n s t r u c t e d s y s t e mi sm o r ci n t e l l i g e n t ，m o r es t a b l e ，e a s i e rt oe x p a n da n d $ o r o er e d u n d a n c i e s t h a nt r a d i t i o n a ls y s t e m t h ep r a c t i c a ls l u i c e g r o u pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma d o p t ss i e m e n ss 7s e r i e s p l ct oc o n t r o li nl o c a l ，p r o f i b u s d pf i e l d b u sa n dw i n c ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t oe s t a b l i s ha d v a n c e dc o n t r o l n e t w o r k c o m b i n i n gp e r i p h e r y i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n s y s t e m ，a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n da d d i t i o n a lc o n t r o l d e v i c e s 。a c o m p e t e n ts l u i c e g r o u pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sd o n e t h es y s t e m sf r a m ei s t h r e el a y e r s ：l o c a lc o n t r o ll a y e r , c e n t r a lc o n t r o ll a y e ra n dd e c i s i o n - m a k i n gl a y e r , i 四川大学硕十学仔论文 w h i c hi sf u n d a m e n t a lt or e a l i z es l u i c e - g r o u pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt op r o g r e s s i n t e l l i g e n t l ya n dc o n f i g u r ea m o n gd r a i n a g ea r e a i nf u n c t i o n ，l o c a lc o n t r o ll a y e ri s t oc o n t r o lt h el o c a lo b j e c t ，c e n t r a lc o n t r o ll a y e ri st oc o n t r o lr e m o t e l ya n dm a n a g e t o t a l l y , d e c i s i o n m a k i n gl a y e ri st oc o n f i g u r ea m o n gd r a i n a g ea r e a p r o f i b u s - d p f i e l d b u si sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nl o c a lc o n t r o ll a y e ra n dc e n t r a l c o n t r o ll a y e ri nt h es y s t e m 2 2c l i e n ts t a t i o ns l u i c e sp l ca d o p th o s t - c l i e n tm o d et o c o m m u n i c a t ew i t hc e n t r a lc o n t r o ll a y e rh o s ts t a t i o np l cv i ap r o f i b u s d pf i e l d b u s ， a l lt h ep e r i p h e r yd e v i c e ss t a t u si n f o r m a t i o nt r a n s f e r sf r o mc l i e n ts t a t i o nt oh o s t s t a t i o n , i nt h es m r l et i m e ，h o s ts t a t i o ns e n d sc o n t r o la n dp r o t e c td e m a n dt oc l i e n t s t a t i o no fs l u i c e o nc e n t r a lc o n t r o ll a y e r , i n d u s t r i a le t h e m e ti sa d o p t e d h o s t s t a t i o nc o n n e c t sw i t hc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i v es e v e rb yt h ei n t e f f a c eo f e t h e m e t h o s ts t a t i o nc o m m u n i c a t e sw i t hc o m p u t e rv i ae t h e r n e tm o d e c o m m u n i c a t i v es e v e rr e a dt h ed o c u m e mi n f o r m a t i o nv i ae t h e m e tm o d e w i n c ci s u s e di nc o m p u t e rt oc o n f i g u r eb n t t o mc o m m u n i c a t i o na n dc r e a t eh m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a e e ) ，a n dp r o v i d e sn e t w o r ki n t e r f a c ef o rc o m m u n i c a t i v es e v e rt o r e a d w h e nc o m m u n i c a t i v es e v e ri nc e n t r a ls t a t i o n ( d e c i s i o n m a k i n gl a y e r ) s e n d c o m m a n dr e m o t e l bt h ed o c u m e n ti n f o r m a t i o ni st r a n s f e r r e dv i ap u b l i cn e t w o r k f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sh o wt oc h o o s ef i e l d b u sw h i c hi sc o m f o r t a b l e ， h i g hr a t eo fc a p a b i l i t ya n de x p e n s ei nr e c e n tp o p u l a r k i n d so ff i c d b u s a n db a s e d o nt h ec h o s e nf i e l d b u s 。c o n s t r u c t sad i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r ka d o p t i n gp l ca s k e yu n i t s a f t e rt h a t ，i n t r o d u c e st h er e a l i z e dm a n n e r o fl o c a ll a y e ra n dc e n t r a ll a y e r , f i n a l l ys h o wt h ew h o l es l u i c e - g r o u pc o n t r o ls y s t e ma n di t sd e s i g na n dr e a l i z a t i o n p r o c e s s k e yw o r d ：s l u i c e g r o u p ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，p l c ，f i e l d b u s ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 四j i 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 我国水资源严重短缺，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之。我国 人均水资源拥有量仅为世界平均水平的四分之一，而且水资源时空分布不均。 近年来我国连续遭受严重干旱，旱灾发生的频率和影响范围扩大，持续时间 和遭受的损失增加【l j 。另一方面，我国水资源利用方式租放，用水效益不高。 以四川省都江堰灌区为例，该灌区是全国第一个实灌面积突破1 0 0 0 万亩的特 大型灌区，其规模居全国之冠。但由于灌区原有工程建设标准低、配套差、 老损严重、工程管理设施和手段落后，至今在很大程度上仍靠人工来测报水 位、传递信息和操作设备。灌区的这种粗放、落后的工程管理和测控手段， 致使信息传递时效性差，无法做到水量调配的合理和优化，水利用系数极低， 严重制约了灌区的优化管理和进一步发展。 信息化、自动化在电力系统中的应用早就很成熟，在国民经济的各个行业 中处于领先地位，但在水利行业中却鲜有应用。同时，在水资源信息化当中， 闸群控制又是其中一个非常重要的环节。因为，要做到水资源的优化调度， 最终必须通过调节闸群来实现。但由于长期以来，人们对水资源本身重视不 够，在其上投入的资金、人力严重不足。因此，尽管闸群的控制在水资源优 化利用中占据极为重要的地位，但并未引起人们足够的重视。目前，绝大部 分的水闸控制上，还继续沿用传统的手工操作启闭和记录运行情况的方式。 在该方式下运行，既达不到较高的可靠性要求，也存在着较严重的安全隐患。 同时闸室多依河道而建，闸门间距少则近百米，多则上千米。因无法实现集 中控制，至使闸门反应时间慢，无法应对特殊情况。如突发性大水。加之目 前闸室调水主要由工作人员靠经验目测，造成了水资源的大量浪费。所以， 水闸控制实现自动化，闸群实现优化调度非常必要，且具有重要的工程实际 意义和很大的社会经济效益。 在国内的水利行业中，单孔或几孔的小型水闸自动化工程不少，但是大、 中型水闸群的自动化调度在国内还比较少，相信这将会是水利自动化发展的 方向。因此，本文就水闸群自动控制的课题进行了研究，并将其应用在通济 婴型盔兰堡兰焦丝塞 堰灌区渠首水闸群自动控制系统的工程实例中，经过实践证明在现地控制、 集中远控和远控后备等方面取得了较好的实际工程效果。 1 2 本文研究的工程背景与意义 本文的研究是结合四川省通济堰灌区引水枢纽工程中的水闸群自动控制 系统的工程实例进行的通济堰开凿于西汉末年( 公元2 5 年) ，悠久的历史仅 次于都江堰，属大型水利工程。自新中国成立以来，通济堰历经了5 次扩建 和渠系配套改造，灌区工农业的稳定增产、增收和水资源的综合开发利用都 大大超越了前人。但是，通济堰的渠首引水枢纽一直沿用1 7 3 3 年修建的临时 拦河坝，由竹笼装卵石和砂石堆筑央块而成。多年来，工程老化问题严重， 灌区用水日显不足，渠道渗漏严重，汛期防洪压力逐年增加，全灌区灌溉水 利用水系数仅仅0 2 8 6 。 通济堰引水枢纽工程的建设分为两部分。首先是引水拦河坝的修建，拦河 坝总长4 1 7 米，有1 7 2 米长的溢流坝，2 4 5 米长的泄洪、冲沙闸。设有1 4 孔 泄洪闸，3 孔冲砂闸，安装了1 7 台固定式卷扬机。其次是渠首进水闸的改造， 更换使用了近4 0 年的5 孔闸门电机。工程建设完成后，不仅可有效调节灌区 内时段缺水，确保春灌用水，还对灌区内防洪、改善水质、发展水产养殖、 满足工业用水等产生综合效益；另一方面，撤除过去的低坝后，泄洪闸、冲 沙闸正常运转，能有效解决河道排砂、防洪问题，对新津改善城市景观、打 造旅游业、保护环境等均起到很好的作用。 闸群调控足通济堰灌区渠首运行管理的主要工作内容之一，闸群自动化程 度的高低直接影响到通济堰灌区的经济效益。因此在引水枢纽工程水工建设 过程中，同时进行了枢纽工程1 7 孔闸门和进水闸5 孔闸门的远程自动化工程 建设该工程建成后，对渠首2 2 孔现有闸门全部实施了远端集中监控，并实 现了按闸门开度控制和目标水位控制的方式，实时调节坝前水位和进水口流 量。闸控工程从2 0 0 6 年1 月调试验收完成至今，设备运行平稳。安全可靠。 提高了通济堰渠首闸群运行响应能力，做到了及时准确地调节进水闸流量和 增强了渠首防洪抗旱的能力。在通济堰灌渠生产调度中，该系统已经成为不 可或缺的重要部分。 2 四肌i 大学硕士学付论文 1 3 本文的主要研究内容 本文内容是以四川省通济堰引水枢纽工程的闸群自动化工程实例为核心， 详细叙述了通济堰灌区渠首拦河坝1 7 孔闸门和进水闸5 孔闸门的自动化控 制、水情自动测报以及网络监控系统的实现方式。 系统采用p l c 总线技术将控制系统分为集控单元层( 上位机) 、远程控制 层( 中心站) 和现地控制层( 现地设备) 三级。通过该系统，操作员可在中 控室及时了解现场闸门的各种运行状态，分析故障原因，并及时根据现场情 况做出相应的调整和控制【2 1 1 3 1 。现场控制设各p l c 将收集到的各种信息通过总 线源源不断的送到中控室上位机；同时上位机也可把操作人员发出的命令通 过总线准确无误的传送给现场控制设备，从而实现根据需水要求及时调整闸 门开度的功能。在p l c 网络出现不可修复的故障情况下，操作人员还可启用 设置在中控室内的备用系统，对闸群进行紧急手动远程控制。在需要现场控 制闸门启闭时，操作人员也可在相应闸门旁的现地控制柜上进行操作，同样 可以通过控制柜上的文本屏观测到闸门的实时开度和荷重。本文以该实际工 程为背景，其研究的主要内容如下； ( 1 ) 讨论了水利行业中闸群自动化控制系统的作用和重要性，以及它的 发展历史、现状和发展方向； ( 2 ) 讨论了先后出现的、应用较成熟的三种闸群控制系统的各自优、缺 点及应用范围，并简单介绍了这三种系统的具体结构和应用的现状，以及在 本闸控系统中选择总线型系统构架的具体原因； ( 3 ) 探讨了一些在当今工业环境中应用比较成熟的现场总线技术的特 点和主流的分布式p l c 组网方式，并重点讨论了选择p r o f i b u s - d p 总线作为 本闸控系统设备层控制总线的优势； ( 4 ) 在综合国内外工业级控制系统成功案例后，构建了一个满足通济堰 闸群系统功能要求的分布式闸门监控系统解决方案。该方案把可编程控制器 ( p l c ) 、工业控制计算机结合起来，同时把系统硬件可靠性和软件系统的智 能性较好的结合起来。构建了一个较完善的闸控系统的框架： ( 5 ) 从系统集成的角度出发，在考虑整个系统的可靠性、经济性的基础 3 四川大学硕士学付论文 上，详细介绍了如何实现拦河坝1 7 孔闸门、进水闸5 孔甲i 门共2 2 孔闸门的 本地与远程自动控制，以及按目标水位自动调节的功能； ( 6 ) 最后介绍了如何提高系统长期正常、稳定运行的能力，在此本文实 现了闸门荷重、运行状态等参数的实时监测以及故障自诊断、自修复的功能， 以增强系统的监控和容错能力。并且提供了一套远程闸门手动控制系统用于 远程集控操作的紧急后备系统，以提高系统的紧急事故保护能力。 1 4 本章小节 本节先简单讨论了我国水资源相对短缺的事实与灌区粗放式调节用水的 现状之间的不协调，并指出了造成这种不协调的原因是灌区自动化、信息化 程度低，无法有效的控制和调节水资源的分配。随后，指出了解决该问题的 首要任务是建设功能完善的水闸群自动控制系统，同时本节也对文中提出的 控制方案所涉及的工程应用背景及工程建成后取得的直接效益作了简单介 绍。最后，介绍了本文的组织结构和相应内容。 4 四川大学硕士学位论文 2 水闸群自动控制系统概述 2 1 水闸群自动控制系统的发展历程 承担防汛抗旱、灌溉等任务的大、中型水利枢纽运行的优劣将直接影响着 它所承担的职责，如何获取和利用水情信息，妥善处理各种矛盾，合理进行 控制决策，在保证防洪安全的前提下，实现水利枢纽洪水实时调度，获得尽 可能大的水利枢纽综合效益，是目前水利枢纽闸群自动控制系统亟待解决的 重要课题之- - ”。由于水利枢纽闸群系统在水电领域特殊的地位、作用和特点， 决定了研究其控制、维护、技术管理综合集成自动化系统，全面提高其自动 化水平，优化水利枢纽泄洪闸门系统的整体性能有着特殊的意义【4 l 。 研究水利枢纽闸群自动控制系统足确保大坝及流域人民生命财产安全的 需要。水利枢纽泄洪闸门控制系统是水利枢纽中执行水利调度命令的重要环 节，其可靠性直接关系到水工建筑甚至流域人民生命财产的安全，具有重大 的社会影响。这就对闸门系统的可靠性提出了很高要求【i ”。 随着自动化领域的不断发展，闸门控制领域也随之迅速发展，从七十年代 开始，闸门监控系统体系结构经历了从传统的现地手动目测控制系统，到以 工业计算机为基础的集中式数据采集和监控系统的普及嘲。闸群的控制方式有 了较大的转变，同时也大幅提高了闸群的响应能力和操控精确度。值得一提 的是，在此发展过程中，以微控制器为基础的集散型控制系统也得到了一定 的应用。该控制方式的出现极大地推动该领域向小型化、高精度化以及快速 响应化方向发展。但目前这两种新的控制方式都或多或少的存在以下几个方 面的问题： ( 1 ) 控制能力不强，采用这两种控制方式的现有闸群孔数都比较小且间 隔距离比较近。主要因为这两种控制方式在大、中规模闸群应用时，受制于 系统数据处理能力和通讯传输能力的限制。 ( 2 ) 智能性和开放性不强，因而系统不灵活，使用周期不长，不同厂商 开发的系统日j 缺乏兼容性和互换性。使用户难以更新现有的系统，从而造成 较大的浪费。 ( 3 ) 稳定性和耐用性不强，因而加大了系统的维护成本。在控制、维护、 四川大学硕士学位论文 。 管理3 个领域分别由不同部门或系统负责管理实施时，常常造成功能的重复 与资源的低利用率。 ( 4 ) 直观性和易操作性不强，因而增加了系统的操作难度。较高的计算 机操作和维护水平，对现阶段水利行业的从业人员来说要求还是过高了些。 近年来，计算机网络与通信技术得到了突飞猛进的发展，人类开始进入信 息化时代，也为解决闸门自动控制领域中目前所存在的上述问题提供了良好 的机遇和可行的技术手段。基于这两方面的因素，新型的闸f - j 自动化控制方 案基于p l c 的分布式闸群控制系统诞生了。此种系统中p l c 主要用于代 替传统的由继电器、接触器构成的基本控制和通讯传输单元，有着控制响应 速度快、控制功能强大、控制范围广、系统稳定和操作简单等非常明显的优 势。因此，在现阶段，国内较重要的大、中规模闸群控制系统一般都优先考 虑采用p l c 为核心器件进行组阿和构建软硬件平台。但由于p l c 系统的平台 搭建费用较高，国内水利行业上的应用还比较少，行业内在这方面积累的经 验还不足。不过相信随着集成电路和计算机通讯技术的进一步发展，该控制 方式会在水利闸群自动控制中得到广泛的应用。 2 2 水闸群自动控制系统的研究方向 承担发电、舫洪等任务的大、中型水剧枢纽在汛期运行的优劣，不仅直接 影响着防洪安全，而且与工农业生产效益关系极大【3 1 。如何获取和利用水情信 息，妥善处理各种矛盾，合理进行控制决策，在保证防洪安全的前提下，实 现水利枢纽洪水实时调度，获得尽可能大的水利枢纽综合效益，是目前水利 枢纽泄洪闸f - j 自动化系统亟待解决的重要课题之一。由于水利枢纽闸门系统 在工农业领域特殊的地位，作用和特点，决定了研究其控制、维护、技术管 理综合集成自动化系统，全面提高其自动化水平，优化水利枢纽泄洪闸门系 统的整体性能有着特殊的意义。 现有的闸门自动控制系统一般采取分布式控制系统( d c s ) 结构，在一 定程度上提高了系统的自动化程度，提高了设备的可靠性。但是由于水利闸 群所处的工作环境普遍比较恶劣，其液压系统、传感设备装置等元器件老化 较快，经常出现误动、拒动现象。并且部分元器件( 如液压表) 只能在现地 6 四川大甲硕士学位论文 操作时观测，信息一般没有数字化，更没有进行存储。因此集控系统平台上 缺乏设备及系统健康状态信息，更无法对系统的健康状态做出预测、评价。 也不能够发现影响系统安全的潜在危险，使设备带病运行，最终可能导致设 备损坏，这在很大程度上影响了系统的安全可靠性 2 1 。 从设备的检修维护方面看，现有的闸门自动化系统基本上还是采取事后维 修，或者定期检修这样较为传统的检修维护策略。而在技术管理领域基本上 还处于空白阶段，没有进行系统的设计、规划、实施。因此，将控制、维护 和技术管理集成系统应用于水利闸群自动化系统，形成水利枢纽闸群集成自 动化系统，可以在很大程度上提高系统的可靠性和稳定性，保证水调命令的 正确执行。同时，为水利枢纽“无人值班”( 少人值守) 做出贡献哪。 特别是近年来，为了提高水利工程效益和管理水平，精简管理人员，适应 现代化水利的要求，必须利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监 控技术形成水利闸群控制、维护和技术管理综合集成自动化系统。这有利于 对闸群、泵站等工程准确、可靠地进行群测、群控，继而将水情、闸群工况 和运行状态等信息共享，建立实时和历史数据库供流域机构及有关部门监督 和分析统计。为防汛抗旱、水资源管理、水工程应用等水事活动提供各类信 息，规范工情、险情、灾情信息的上报流程和制度，实现及时、准确、可靠 的信息采集、管理和传输。通过对水利枢纽泄洪闸门系统的运行状态和健康 状态实施实时监控，可以提高调度运行响应速度和能力，实现在线优化调度， 充分发挥水利枢纽工程信息在国民经济建设和社会发展中的作用”。 因此，功能综合化、互联网络化、开放性和标准性即将成为新一代泄洪闸 门综合集成自动化系统特征。利用计算机、通信、自动化技术以及网络技术， 通过对水利枢纽闸群的控制系统进行控制、维护、管理集成自动化系统改造， 不仅可以使水利枢纽的泄洪控制从单一的现地监控、集中监控发展到分层分 布式监控同时，可以达到以下目的： ( 1 ) 在保证设备安全的前提下，尽可能地提高水利枢纽闸群集成自动化 系统的可利用率实时检测闸门的运行状态和健康状态，能对系统发生的故 障进行准确定位，及时发现异常和隐患，从而避免和减少设备事故，把经济 损失尽可能地减小 ( 2 ) 使闸群集成自动化系统结构、功能更加标准化，规范化，保证系统 婴型盔堂堡主堂堡堡皇 具有良好的可维护性和扩展性，同时也便于系统的更新换代和系统之自j 的信 息交互。 ( 3 ) 通过规范化技术管理域的过程模型，确保在技术管理域收集全面、 可靠的技术资料信息，为控制和维修决策服务。自动采集、管理和传输系统 各类运行、维护、技术管理信息，保证在控制、维护和技术管理领域之日j 信 息的集成和共享，全面优化水利枢纽泄洪闸门的整体效益。 ( 4 ) 使水利枢纽闸群自动化系统能够更好地为实现水利工程的远处监 控及整个流域水资源的合理调配和资源优化配置服务，在整个流域甚至全局 范围内优化经济效益。 2 3 几类水闸群自动控制系统介绍 2 3 1 以工控机为核心的集中控制系统 图zl 系统总体结构圈 四川大学硕十学位论文 一个完整的以工控机为核心的集中式闸门控制系统分为现地控制部分和 集中控制部分。( 如图2 1 所示，虚线框内的为集中控制部分可放置于控制中 心，虚线框外的为现地控制部分装设在闸门控制现场。) 集中控制部分可对分 布式闸群进行集中调控和视频监视，现地控制部分主要足用于采集现场各种 数据信息和设备的现场检修控制。此种形式地闸群控制系统有着结构简单、 操作方便、投资小的优点，但由于其控制方式和通讯系统的固有特点，在大、 中型闸群控制的应用上有着较大的缺陷。在都江堰灌区的小型闸群控制中， 普遍采用这种控制方式p 】。该类型系统的主要结构如下： ( 1 ) 现地控制部分 1 ) 闸门本地控制模块：本地设置升、降、停控制按钮，电气接线上通过 直接控制电机接触器线包的方式，在本地控制闸门的启闭，本地控制主要用 于闸门的捡修启闭和紧急情况下的备用启闭。 2 ) 闸位采集模块：采用电子或机械式的传感器直接连接闸门旋转结构获 取闸位信息，并通过工业级现场总线( 一般采用r s 4 8 5 总线) 实时上传到集 控中心的工控电脑中，工控电脑一般采用较成熟的板载r s 4 8 5 口接受信息。 3 ) 水位采集模块；在指定的水位点投放水位仪探头，并就近装设信号适 配器，将小信号的模拟量输出信号转化为标准的工业总线信号( 一般采用 r s 4 8 5 信号) ，同时实时上传到集控中心的工控电脑中。 4 ) 视频采集模块：根据现场地形在本地装设工业级红外摄像头，通过视 频信号线传输到集控中心。工控电脑加设视频模数转化的p c i 总线硬件卡， 且根据实际情况选择相应输入通道数的视频卡，将视频模拟信号转化为数字 信号用于监控器显示和硬盘储存。 ( 2 ) 集中控制部分 1 ) 触摸屏监控设备：人机交互界面采用液晶触摸屏方式，用户通过触摸 点击对系统进行操作。主要用于各水位点实时数据的监测、闸门位置及运行 状况的视频监测、闸门运行开环，闭环控制、流量和水量关系曲线的查询以及 相关历史图表的调阅等。 2 ) 闸门远程控制设备：集控中心的闸门远程控制设备分为睡套。一是触 摸屏上的智能控制方式，各闸门现地控制单元通过控制线与工控电脑的板载 d i d o 卡相连接，系统通过控制d v d o 卡的无源触点控制远程闸门的启闭。 9 四川大学硕士学位论文 二是手动控制按钮方式，手动的功能按钮组直接通过控制线与远程对应的现 地控制单元连接，在工控电脑故障情况下完成闸门的紧急启闭功能，以此作 为集中控制的安全备用系统。 2 3 | 2 以微控制器为基础的集散控制系统 以工控机为核心的集控系统由于在闸门现地控制层只起到了信息收集和 上传的功能，因此集控中心承担了闸群系统中所有的计算和控制任务，这就 使得集控中心的智能设备在性能、稳定性和安全性方面的要求与闸群孔数成 线性陡增的关系。同时，现地层的信息未经过任何处理或压缩，就直接通过 工业现场总线上传到集控中心，这也必然导致总线的数据流量和集控设备的 信息处理量随着闸群孔数增加而呈几何递增的趋势。这使得该种方式的系统 在大、中型闸群控制中，必然受制于相应的硬件设备性能和价格的限制。因 此，加强现地层设备的智能化和通讯功能成了必由之路。以微处理器为基础 的集散控制系统准确的讲应该是一过渡型系统，在实际应用中不如前者普及。 但是，由于它提出了清晰的分层控制思路，明确了闸群控制系统的发展方向， 因此在闸群控制系统发展进程中，它的出现是具有非常重要的意义1 “2 ”。该 方式的闸群控制系统，由于其固有的缺陷，在实际应用中不如其他两种形式 广泛，但在通济堰渠首的5 孔进水闸曾采用该种控制方式。 该方式的控制系统一般也分为现地层和集控层，集控层与现地层之间仅通 过工业总线连接，取消了相互之日j 大量的直连控制电缆。每孔闸门现地设备 增加了一个以单片机为核心的智能模块，负责上传现地层相关信息和接受通 过总线下传的集控层命令，同时通过相应的d u d o 通讯口执行集控层命令和 收集必要的开关量信息【9 】f 2 5 】。该方式控制系统的具体改进之处如下： ( 1 ) 取消直连控制电缆：集控层与现地层之间的命令下达和状态信息上 传，由于现地层增加了智能单元，不再需要直连控制电缆来传递。这些开关 量信息可在各自本地处理后直接通过总线传递。因此，大大减少了设计和安 装检修工作量，也减小了系统后期维护工作量。 ( 2 ) 改进了总线方式：智能设备将本地的水位和闸位信息进行处理、整 合、压缩后通过总线上传到集控中心。同时，智能设备可根据不同的应用要 四川大学硕士学位论文 求采用不同的通讯协议方式，增强了总线的通讯能力，因此相应地拓宽了 系统的应用范围。 ( 3 ) 可取消视频监控部分：基于系统的稳定性和响应速度方面的考虑， 以工控机为核心的集控系统中视频监控部分是必不可少的。但是在增加了现 地智能设备后，系统在这方面的能力大大增强了，因此视频部分已可独立存 在，而不作为必要部分考虑。 2 3 3 基于p l c 的分布式水闸群控制系统 以微处理器为基础的集散控制系统在闸群控制领域所取得的成绩，迸一步 推动分层控制思想的深化，确定了该领域的发展方向。与此同时，该控制方 式的固有缺陷也逐渐引起业界的重视，无统一的业界标准、设备开发周期长、 系统稳定性欠缺、维护人员要求高等缺陷部限制了该种控制方式的进一步发 展m 。另一方面，随着计算机网路技术的发展和硬件功能的增强，使得在工业 商端控制中应用广泛的分层式p l c 系统进入水闸群控制领域成为必然。 图2 2p l c 系统总体结构图 l l 四川大学硕士学位论文 如图2 2 足一个较标准的p l c 闸群控制系统的总体结构图，其可分为三层 式结构：现地控制层、集中控制层和远程监控层。现地控制层的每孔闸门配 鬣一个现地p l c ，收集闸位、水位和各种现场开关量、模拟量信息并上传至集 控层p l c ，同时接受集控p l c 的命令并通过接1 2 执行。集控层p l c 主要目的是 作为上位机和现地p l c 交互信息的硬件中转站，有着速度快、功能强大和稳 定性高等特点。集控层上位机的人机交互系统一般由相应的组态软件构成， 在监控闸群系统的同时，肩负着与远程监控层交互信息的功能，因此远地监 控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制的状况 2 3 1 【4 0 i 。具体来说， 与之前的两种系统相比，该控制方案有着以下显著优点。 ( 1 ) 现地p l c 功能强大；由于是工业级产品，现地层p l c 均为模块化结 构，设计、安装、维护非常方便：且功能强大、稳定性商、可扩展性强；设 备接口种类的选择面也很广。 ( 2 ) 现场总线适应范围广：p l c 现场总线在通讯速度、距离、防电磁干 扰和实际使用寿命等方面的指标都有大幅的提升，使得其在各类规模的闸群 控制系统中的应用都无太大的局限性。 “。( 3 ) 集控层功能增强：集控层在上位机和现地p l c 之间加设了高性能的 主控p l c ，作为硬件的信息中转站，使得集控层工作更稳定；同时，由于分担 了上位机的大部分工作，因此上位机可增加上传通讯的功能，使得建立更高 级的远地监控层成为现实。 ( 4 ) 增加了远地监控层：在闸群控制的发展方向上，江河流域控制以及 跨流域控制是其中重要的一项内容。因此，远地监控层的建立成为必然趋势， 而p l c 系统的强大功能为其建立打下了i 呸实的基础。 2 4 本章小节 本章介绍了水闸群自动控制从纯手工操作到综合自动化的发展历程，仍然 相对落后的现状和将朝更高智能化、跨流域调度发展的前进方向。讨论了先 后出现、应用较多的三种闸群控制系统的各自的优缺点及应用范围，并通过 比较详细地介绍了这三种系统各自的体系结构和应用现状。 四川大学硕士学竹论文 3 水闸群自动控制系统总体设计 本控制系统以四川省通济堰渠首引水枢纽工程大型闸群控制系统为背景， 通过对当前国内闸群控制系统状况与技术发展趋势的分析，希望能从体系结 构到技术路线方面探讨先进的闸群控制系统的实现方法。 3 1 系统设计思想 3 1 1 分层递阶的体系结构 构建先进、科学、合理的系统体系结构框架，是系统总体方案设计优先考 虑的问题。本系统采用分层递阶的体系结构设计思想，如图3 1 所示。由现 地控制层、集中控制层、决策层三层递阶组成，各层功能层次清晰、层次连 接科学合理，遵循从下往上智能程度越高，从上往下控制精度与越高的智能 系统结构原则，代表了综合自动化系统的设计方向。 图3 1 系统体系结构框图 四川丈学硕七学位论文 3 1 2 基于现场总线的分布式测控网络技术 现场总线足为了适应工业控制高稳定、高可靠、强实时性要求而专门开发 的新一代控制网络技术，代表了工程控制技术的发展趋势。本系统采用现场 总线技术实现闸群的综合自动化控制，极大地提高了系统的稳定性与可靠性， 而系统长期运行的稳定性与可靠性是闸门控制系统获得成功的首要条件。现 场总线技术采用专用控制总线，大大减少了电缆铺设的数量，减低了系统的 施工复杂度，从而减少了系统的不稳定因素，提高了系统的稳定性与安全性。 可编程逻辑控制器( p l c ) 因其功能强大、采用现场总线接口、可靠性极 高而成为最莺要的过程控制装置。本系统以从p l c 为现场控制单元，以主p l c 为通信与控制管理单元，通过现场总线构成分布式测控网络系统，实现了闸 群控制系统的集中管理、分散控制，有效地避免了传统集中控制的风险，十 分容易实现模块化没计，进一步增强了系统的综合控制功能，提高了运行的 稳定性和可靠性。 3 1 3 测、监、管、控、信一体化功能 系统可快速集成视频联动监控系统、大屏幕调度显示系统，形成集检测、 监视、管理、控制、通信于一身的水利调度中心，并可进一步向上层扩展。 高度的可扩展性可以为通济堰灌区的闸群联合调度留下快速开发接口，为实 现通济堰灌区水环境综合治理工程联合水量调度打下呸实的基础。 3 1 4 强有力的后备保障系统 本系统提供了一套强有力的后备保障系统，可在p l c 网络出现不可恢复 故障时。在集中控制中心对远程闸门系统进行紧急的启闭操作。该后备系统 与p l c 网络相互独立，可各自独立运行。其可使得p l c 网络故障时，操作人 员也可远程紧急启闭闸门，避免了由于恶劣天气下造成的人员伤亡和财产损 失，也大大提高了系统的反应能力和应对突发事件的能力。 1 4 四川大学硕士学位论文 3 2 闸控系统的工程需求 3 2 1 闸控系统的现场地形 图3 2 控制现场地形 如图3 2 所示，本系统的控制对象为进水闸5 孔、泄洪闸1 4 孔、冲沙闸 3 孔共2 2 孔闸门，且闸门控制中心( 集控层) 距离控制现场均较远，尤其是 在防洪期闯担负重要责任的泄洪闸群控制现场( 其位于拦河坝的第二层) 。 3 2 2 闸控系统的总体需求 ( 1 ) 对闸门进行本地和远程的启闭控制： 1 ) 任意一孔闸门都能在中控室进行远程控制。远程控制包括上位机的开 环闭环启闭操作和远程的硬连接按钮操作，并且中控室内设置的上位机操作 与硬连接按钮操作必须相互独立、互为备用。 2 ) 任意一孔闸门都能在现场进行本地控制，本地控制为每孔闸门所配套 四川大学硕士学骨论文 的控制柜上的