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摘 要：本文详细介绍了闸门远程自动化监控系统，该系统具有功能完善、性能稳定、维护方便和精度高等优点，是水利工程安全运行的保证。本文从系统结构、系统硬件设计等方面进行分析研究，从各个环节提高闸门远程自动化监控系统的可靠性，以供参考借鉴。
关键词：闸门；自动化；系统结构；分析
随着自动化技术及计算机网络技术的不断发展，水利工程监控方式已从单一的集中监控发展到了自动化远程监控。其中闸门控制作为水利工程基本运行项目，其自动化远程监控系统应具备实时数据采集记录、操作控制简易准确等特点，为提高闸门远程自动化监控系统的可靠性，保证系统的正常运行，现对系统设计各个环节进行研究分析，包括供电线路、现场环境、 通信方式等，以提高系统运行能力。
1 系统结构
目前较为常用的监控手段有数字式集中监控系统、可编程序控制器（PLC）集中监控系统、STD 集中监控系统等。监控终端主要由PLC、传感器、工业控制机构成。监控终端将实时监测闸所辖的配电、机电设备等设施的运行状态， 采集工况数据，在设备工作异常时启动自动保护；接收监控管理中心工控机发出的控制命令， 根据命令向监控管理中心传输系统运行参数， 或控制机电设备合理运行。闸门远程监控系统使用的是现地PLC集中控制，功能包括闸门启闭控制和水文信息采集，管理单位通过以太网或总线建立监控终端，分布式结构是由多个管理单位工作站组成，管理者在远程工作站实现监控。其典型结构见图1。
在结构中看出现地控制单元是最直接的操作者，在其设计实施中需要采用降级操作。对改造项目保留原有手动操作，对新建闸门则在设计时就需要辅以手动控制方式。必须重视手、自动操作回路的电气互锁以及切换的合理设计。
2 系统硬件设计可靠性分析
2.1 供电线路
对整个控制系统提供安全稳定的供电线路是系统正常运行的基础。对于由各种控制元件构成的控制系统，雷击造成的损害是最严重和难以补救的。系统设计一般主要考虑感应雷，其入侵途径集中于进入控制系统的供电线路以及室外水文采集数据通信线路，因此需要建立接地系统，安装防雷装置，必要时采取多级保护。
提高电源质量也是提高供电线路稳定性的一个重要方面，闸控现场一般供电不够稳定，大功率的电机也容易造成电压波动。有些系统直接取用电机供电电源或直接加装开关电源后供给PLC控制单元，这难以保证提供的电源在PLC额定输入范围内，且会受到同一电网内其他设备用电干扰。因此，控制单元供电应与动力供电分开，必要时增加稳压滤波装置。在一些实时性要求比较高的地方应加配不间断电源。
另外，闸控电机一般采用正反转方式，主回路要保证相序的接入正确。为了维护方便，要具备相序检测功能。为达到更好的保护目的，还应考虑过压过流保护、紧急停机等。
2.2 现场环境
现场控制柜的工作环境主要包括机械、温湿、布线等。中低压设备及弱电装置对防护等级都有一定要求，特别是弱电装置对温湿度有较高要求。闸控现场一般湿度大、夏季炎热、冬季寒冷，要做好防潮、防高温、防冷凝等措施。
控制柜元器件的安装布线应符合电气设备安装规范，要注意中低压器件的安装间距、感性元件的消弧、信号线与功率线的隔离屏蔽、柜体的接地等。另外，闸控现场一般采用楼板结构，电机造成的振动易产生机械干扰，要求控制柜元器件安装牢固，必要时采用增加减振弹簧、橡胶垫脚等措施。控制柜的安装还要利于维护，元器件安装要做到更换方便，线路标识明确，线路更改必须做好记录。
2.3 采集与控制
在闸门远程监控系统中，前端模拟量采集主要包括闸门开度、启闭机动力状况、电参数、环境及水位与流量等。一般闸控相关传感器分布较远，水位计等安装于室外，这些数据的采集易受多方面因素影响。传感器的选择根据现场情况，除了考虑防尘、防震、耐腐蚀等环境适应能力外，主要考虑测量精度、量程和输出方式。测量精度的选择和量程有关，传动变比装置能够很好地将量程和精度结合起来，其一般由轴承和变比齿轮组成，在设计安装时要注意轴向连接的机械对正，必要时加装弹性连轴器。对于一些具有自收功能的开度传感器，要考虑弹簧的耐疲劳性，合理选择正常工作状态下的弹簧形态。
传感器的输出方式有多种，主要有电压、电流及总线传输。电压型输出一般工作在0～5V，传感器端变送电路比较容易实现，但其分布于电机周围且传输距离较远，输出信号易受干扰，因此一般模拟量输出的传感器要选用4～20mA或0～20mA的电流输出方式。对于控制闸门较多的水利工程，传感器分布远且数量多，全部采用电压或电流输出会造成布线的繁杂，可用总线传输或远程FO方式。总线协议有多种，可根据PLC或传感器来选择，一般情况下总线传输方式都要注意响应时间、抗阻匹配、站点容量等。
开关量采集主要包括操作按钮、启闭限位、控制回路工作状态、系统防护、电源状态等，开关量信号输入一般采用直流输入方式，所有I/O信号电源最好采用同一电源，对一些采用外部电源的开关量信号需要增加隔离继电器后引入。另外，有些系统设计中为防止触点抖动而替换部分机械类开关为非接触式限位开关，但非接触类开关往往不能直接接入控制回路，使其限位保护作用增加了不稳定环节。
开关量输出对象主要为闸门启闭电机的正反转和一些环境装置，控制回路的电气设计并不复杂，需要注意3点： ①PLC输出模块可分为晶体管、可控硅、继电器等3种，前两者分别适用于直流和交流负载，为减少管理人员的维护难度，最好选用继电器型；②正反转接触器须互锁，整个控制回路应采用两级串联接触器方式，以防止触点粘连不能及时切断回路；③所有保护都应直接接入控制回路，同时提供给PLC状态信号。
2.4 通信方式
在远程监控系统实施中通信是关键的一环，通信方式的选择不但影响着系统的架构，而且也对系统的稳定性有影响。以比较典型的3层架构来看，可把一套系统分为闸控现场、管理所工作站、远程工作站。闸控现场与管理所工作站通常采用有线的传输方式，为减少雷电等外部干扰，减少信号衰减的影响，可采用光缆作为传输介质，在此基础上采用通路冗余设计能大大增强两者间通信的可靠性。管理所工作站與远程工作站通信方式有多种，如无线专网、VPN，偏僻的地区可采用卫星通信。广域网级的通信不稳定因素过多，在设计时要从软件的角度来控制误传、漏传、中断、延迟等现象。 3 系统软件设计可靠性分析
系统软件主要有现地PLC与上位机程序。现地系统是实现远程监控的核心，要求其PLC程序不仅具有常规的控制功能，而且还要有数据处理、反馈检测、控制逻辑、通信等能力。上位机程序需要更多关注等级管理、数据记录及界面设计等。
现地PLC的数据处理主要包括对输入开关量信号的防抖动处理，对模拟量信号的数字滤波。比较常用的方法是：对开关量信号在硬件滤波基础上增加软件延时，防止信号的抖动；对模拟信号可采取连续多次采样取均值的方式。
反馈检测是指对输出控制信号作用于对象的状态反映，远程操作的关键在于对现地真实情况的掌控。因此，有必要对输出控制的实际效果进行跟踪反馈，如产生一个闸门开启动作后，要实时检测接触器是否吸合、闸门是否动作等，并进行判断和保护。
在控制逻辑方面，可通过程序设计来规避一些操作的冲突行为，如正反转的互锁、限位，手、自动操作切换，多级闸门的启动顺序等。另外，还需要根据当地闸门建设标准及水利工程的要求对一些启闭动作规范及范围进行约定。
系统通信包括现地设备的总线通信和现地与上位机之间的远程通信，对现地总线通信在编程时可适当延长工作站响应时间，在出现控制动作时要区分优先级，对同一控制对象相关站点集中采集；现地与上位机之间的通信往往会产生数据延时与丢失，因此要尽量减少通信的次数与数据量，简化上位机操作步骤，对一些运算尽量放在底层处理。
上位机程序设计中，对一些多用户监控系统要进行分级管理，明确操作权限和优先等级。应将日常数据处理成历史曲线，以便直观反映异常情况和管理人员判断。另外，在界面设计上力求简洁；为防止非规范操作造成的隐患，注意在退出操作界面时对指令的自动清除；对影响底层运行的参数类界面需单独放置并加以权限管理川。
4 闸门远程自动化监控系统可靠性的实现
要实现对闸门的远程控制，首先要选用稳定性好、处理速度快、可靠性高的可编程控制器作为控制系统的核心， 其次要辅助于软件限位、硬件限位、控制台切断强电系统的二次回路、过载保护、电视监控等手段来保证闸门的安全运行。
4.1 软件限位与硬件限位
限位是指闸门运行时对其进行上下限制的保护， 如果闸门超过了这个限制就会发生事故。软件限位比较灵活，可以通过程序设定限位的级别，当达到一定限位時系统就产生报警，情况紧急时闸门可自动停止运行。硬件限位主要是通过机械方式保护闸门安全，通常是通过主令开关来实现，这是最简单也比较可靠的保护。
4.2 控制台强制停机和系统过载保护
控制台具有切断强电系统二次回路以实现强制停机的功能， 工作人员可以通过紧急停机保证设备安全。同时在机电设备的本地控制系统中，可以增加闸门荷重传感器、电流热保护手段，当启闭机超过一定负载后，系统就自动切断电源以避免损坏设备。
4.3 电视监控等手段
远距离控制闸门安全运行的最大障碍是不能看到机电设备。随着电视监控手段的普及，在一些重要的设施上安装电视监控设施，管理人员就可以通过电视画面实时监视现场设备的运行。
5 结语
综上所述，闸门远程自动化监控系统大大方便了工作人员对于闸门的控制、监控工作，操作人员只需通过视频实时监控，就能准确得知现场的水位情况，并通过计算机及时控制闸门或排水泵的开关，极大地优化了闸门控制的运行和管理，提高了操作人员的工作效率。因此，通过对系统结构、系统软件设计等环节进行改进完善，提高闸门远程自动化监控系统的可靠性，对于水利工程来说具有极大的发展价值。
参考文献
[1]李盛成.基于网络技术的小水库远程监控系统[J].水利技术监督.2010（05）.
[2]宁方青、张世峰、张捍东.远程监控系统的数据传输技术[J].华东冶金学院学 报.1999（04）.
关键词：闸门；自动化；系统结构；分析
随着自动化技术及计算机网络技术的不断发展，水利工程监控方式已从单一的集中监控发展到了自动化远程监控。其中闸门控制作为水利工程基本运行项目，其自动化远程监控系统应具备实时数据采集记录、操作控制简易准确等特点，为提高闸门远程自动化监控系统的可靠性，保证系统的正常运行，现对系统设计各个环节进行研究分析，包括供电线路、现场环境、 通信方式等，以提高系统运行能力。
1 系统结构
目前较为常用的监控手段有数字式集中监控系统、可编程序控制器（PLC）集中监控系统、STD 集中监控系统等。监控终端主要由PLC、传感器、工业控制机构成。监控终端将实时监测闸所辖的配电、机电设备等设施的运行状态， 采集工况数据，在设备工作异常时启动自动保护；接收监控管理中心工控机发出的控制命令， 根据命令向监控管理中心传输系统运行参数， 或控制机电设备合理运行。闸门远程监控系统使用的是现地PLC集中控制，功能包括闸门启闭控制和水文信息采集，管理单位通过以太网或总线建立监控终端，分布式结构是由多个管理单位工作站组成，管理者在远程工作站实现监控。其典型结构见图1。
在结构中看出现地控制单元是最直接的操作者，在其设计实施中需要采用降级操作。对改造项目保留原有手动操作，对新建闸门则在设计时就需要辅以手动控制方式。必须重视手、自动操作回路的电气互锁以及切换的合理设计。
2 系统硬件设计可靠性分析
2.1 供电线路
对整个控制系统提供安全稳定的供电线路是系统正常运行的基础。对于由各种控制元件构成的控制系统，雷击造成的损害是最严重和难以补救的。系统设计一般主要考虑感应雷，其入侵途径集中于进入控制系统的供电线路以及室外水文采集数据通信线路，因此需要建立接地系统，安装防雷装置，必要时采取多级保护。
提高电源质量也是提高供电线路稳定性的一个重要方面，闸控现场一般供电不够稳定，大功率的电机也容易造成电压波动。有些系统直接取用电机供电电源或直接加装开关电源后供给PLC控制单元，这难以保证提供的电源在PLC额定输入范围内，且会受到同一电网内其他设备用电干扰。因此，控制单元供电应与动力供电分开，必要时增加稳压滤波装置。在一些实时性要求比较高的地方应加配不间断电源。
另外，闸控电机一般采用正反转方式，主回路要保证相序的接入正确。为了维护方便，要具备相序检测功能。为达到更好的保护目的，还应考虑过压过流保护、紧急停机等。
2.2 现场环境
现场控制柜的工作环境主要包括机械、温湿、布线等。中低压设备及弱电装置对防护等级都有一定要求，特别是弱电装置对温湿度有较高要求。闸控现场一般湿度大、夏季炎热、冬季寒冷，要做好防潮、防高温、防冷凝等措施。
控制柜元器件的安装布线应符合电气设备安装规范，要注意中低压器件的安装间距、感性元件的消弧、信号线与功率线的隔离屏蔽、柜体的接地等。另外，闸控现场一般采用楼板结构，电机造成的振动易产生机械干扰，要求控制柜元器件安装牢固，必要时采用增加减振弹簧、橡胶垫脚等措施。控制柜的安装还要利于维护，元器件安装要做到更换方便，线路标识明确，线路更改必须做好记录。
2.3 采集与控制
在闸门远程监控系统中，前端模拟量采集主要包括闸门开度、启闭机动力状况、电参数、环境及水位与流量等。一般闸控相关传感器分布较远，水位计等安装于室外，这些数据的采集易受多方面因素影响。传感器的选择根据现场情况，除了考虑防尘、防震、耐腐蚀等环境适应能力外，主要考虑测量精度、量程和输出方式。测量精度的选择和量程有关，传动变比装置能够很好地将量程和精度结合起来，其一般由轴承和变比齿轮组成，在设计安装时要注意轴向连接的机械对正，必要时加装弹性连轴器。对于一些具有自收功能的开度传感器，要考虑弹簧的耐疲劳性，合理选择正常工作状态下的弹簧形态。
传感器的输出方式有多种，主要有电压、电流及总线传输。电压型输出一般工作在0～5V，传感器端变送电路比较容易实现，但其分布于电机周围且传输距离较远，输出信号易受干扰，因此一般模拟量输出的传感器要选用4～20mA或0～20mA的电流输出方式。对于控制闸门较多的水利工程，传感器分布远且数量多，全部采用电压或电流输出会造成布线的繁杂，可用总线传输或远程FO方式。总线协议有多种，可根据PLC或传感器来选择，一般情况下总线传输方式都要注意响应时间、抗阻匹配、站点容量等。
开关量采集主要包括操作按钮、启闭限位、控制回路工作状态、系统防护、电源状态等，开关量信号输入一般采用直流输入方式，所有I/O信号电源最好采用同一电源，对一些采用外部电源的开关量信号需要增加隔离继电器后引入。另外，有些系统设计中为防止触点抖动而替换部分机械类开关为非接触式限位开关，但非接触类开关往往不能直接接入控制回路，使其限位保护作用增加了不稳定环节。
开关量输出对象主要为闸门启闭电机的正反转和一些环境装置，控制回路的电气设计并不复杂，需要注意3点： ①PLC输出模块可分为晶体管、可控硅、继电器等3种，前两者分别适用于直流和交流负载，为减少管理人员的维护难度，最好选用继电器型；②正反转接触器须互锁，整个控制回路应采用两级串联接触器方式，以防止触点粘连不能及时切断回路；③所有保护都应直接接入控制回路，同时提供给PLC状态信号。
2.4 通信方式
在远程监控系统实施中通信是关键的一环，通信方式的选择不但影响着系统的架构，而且也对系统的稳定性有影响。以比较典型的3层架构来看，可把一套系统分为闸控现场、管理所工作站、远程工作站。闸控现场与管理所工作站通常采用有线的传输方式，为减少雷电等外部干扰，减少信号衰减的影响，可采用光缆作为传输介质，在此基础上采用通路冗余设计能大大增强两者间通信的可靠性。管理所工作站與远程工作站通信方式有多种，如无线专网、VPN，偏僻的地区可采用卫星通信。广域网级的通信不稳定因素过多，在设计时要从软件的角度来控制误传、漏传、中断、延迟等现象。 3 系统软件设计可靠性分析
系统软件主要有现地PLC与上位机程序。现地系统是实现远程监控的核心，要求其PLC程序不仅具有常规的控制功能，而且还要有数据处理、反馈检测、控制逻辑、通信等能力。上位机程序需要更多关注等级管理、数据记录及界面设计等。
现地PLC的数据处理主要包括对输入开关量信号的防抖动处理，对模拟量信号的数字滤波。比较常用的方法是：对开关量信号在硬件滤波基础上增加软件延时，防止信号的抖动；对模拟信号可采取连续多次采样取均值的方式。
反馈检测是指对输出控制信号作用于对象的状态反映，远程操作的关键在于对现地真实情况的掌控。因此，有必要对输出控制的实际效果进行跟踪反馈，如产生一个闸门开启动作后，要实时检测接触器是否吸合、闸门是否动作等，并进行判断和保护。
在控制逻辑方面，可通过程序设计来规避一些操作的冲突行为，如正反转的互锁、限位，手、自动操作切换，多级闸门的启动顺序等。另外，还需要根据当地闸门建设标准及水利工程的要求对一些启闭动作规范及范围进行约定。
系统通信包括现地设备的总线通信和现地与上位机之间的远程通信，对现地总线通信在编程时可适当延长工作站响应时间，在出现控制动作时要区分优先级，对同一控制对象相关站点集中采集；现地与上位机之间的通信往往会产生数据延时与丢失，因此要尽量减少通信的次数与数据量，简化上位机操作步骤，对一些运算尽量放在底层处理。
上位机程序设计中，对一些多用户监控系统要进行分级管理，明确操作权限和优先等级。应将日常数据处理成历史曲线，以便直观反映异常情况和管理人员判断。另外，在界面设计上力求简洁；为防止非规范操作造成的隐患，注意在退出操作界面时对指令的自动清除；对影响底层运行的参数类界面需单独放置并加以权限管理川。
4 闸门远程自动化监控系统可靠性的实现
要实现对闸门的远程控制，首先要选用稳定性好、处理速度快、可靠性高的可编程控制器作为控制系统的核心， 其次要辅助于软件限位、硬件限位、控制台切断强电系统的二次回路、过载保护、电视监控等手段来保证闸门的安全运行。
4.1 软件限位与硬件限位
限位是指闸门运行时对其进行上下限制的保护， 如果闸门超过了这个限制就会发生事故。软件限位比较灵活，可以通过程序设定限位的级别，当达到一定限位時系统就产生报警，情况紧急时闸门可自动停止运行。硬件限位主要是通过机械方式保护闸门安全，通常是通过主令开关来实现，这是最简单也比较可靠的保护。
4.2 控制台强制停机和系统过载保护
控制台具有切断强电系统二次回路以实现强制停机的功能， 工作人员可以通过紧急停机保证设备安全。同时在机电设备的本地控制系统中，可以增加闸门荷重传感器、电流热保护手段，当启闭机超过一定负载后，系统就自动切断电源以避免损坏设备。
4.3 电视监控等手段
远距离控制闸门安全运行的最大障碍是不能看到机电设备。随着电视监控手段的普及，在一些重要的设施上安装电视监控设施，管理人员就可以通过电视画面实时监视现场设备的运行。
5 结语
综上所述，闸门远程自动化监控系统大大方便了工作人员对于闸门的控制、监控工作，操作人员只需通过视频实时监控，就能准确得知现场的水位情况，并通过计算机及时控制闸门或排水泵的开关，极大地优化了闸门控制的运行和管理，提高了操作人员的工作效率。因此，通过对系统结构、系统软件设计等环节进行改进完善，提高闸门远程自动化监控系统的可靠性，对于水利工程来说具有极大的发展价值。
参考文献
[1]李盛成.基于网络技术的小水库远程监控系统[J].水利技术监督.2010（05）.
[2]宁方青、张世峰、张捍东.远程监控系统的数据传输技术[J].华东冶金学院学 报.1999（04）.