闸门自动化控制系统详解

闸门计算机监控系统

工作内容

本工程全部计算机监控系统设备的采购、安装调试、系统开发及现场调试工作，实现节制闸闸门启闭机、电气设备等的自动控制和监测。

监控对象

本工程计算机监控系统监控监测对象主要有：1台主变压器、高低压配电设备、节制闸启闭机及闸门等。

监控系统结构

计算机控制系统主要完成1#～7#闸门的集中控制，实时掌握闸门的工况。

（1）计算机控制系统结构

该系统采用分层分布式控制，分中控室集中控制层、现地控制层。在中控室内工程师操作站设工控机2台，互为冗余备用，其中1台兼做数据库服务器，用于闸门运行数据的存储，并在网络交换机上预留光口，以便于未来上级管理调度系统通信；现地控制层设闸门现地控制柜控制闸门的工作运行情况。中控室集中控制层上位机与现地层级之间采用光纤星型连接，现地层级通过交换机接入以太网。

（2）闸门现地PLC控制

闸门现地控制柜内配置有可编程控制器（PLC）、液晶触摸显示屏、闸门开度荷重一体化显示仪、I/O机架、中间继电器、按钮、信号灯等元件，可实现下述功能：

1）可通过PLC现地及远程控制闸门启闭机的升、降、停；

2）可通过按钮闸门控制柜硬接点手动控制闸门启闭机的升、降、停。

3）可对闸门进行升、降、停预置。

4）闸门开度荷重一体化显示仪可对闸门的闸门开度、荷重进行显示。

5）对闸门可进行机械或电气限位保护。?

系统功能

1总体要求

计算机监控系统应迅速、准确、有效地完成对节制闸设备进行运行监视、控制、保护、以及调度运行管理等工作。

计算机监控系统应该具有如下功能：

（1） 数据采集和处理

（2） 监视与报警

（3） 控制与调节

（4） 系统自诊断与恢复

（5） 数据记录与存储

（6） 人机接口

（7） 时钟同步

（8） 数据通信

2数据采集与处理

（1）监控主机应能接收现地控制单元上传的各类实时数据，包括模拟量、开关量、电度量、综合量和SOE事件顺序记录、越复限事件记录等。按收到的数据进行数据库刷新、报警登录；接收上级调度系统下发的命令以及接收其它系统发来的数据。

（2）现地控制单元应能自动采集被控对象的各类实时数据，并在事故或者故障情况时自动记录事故、故障发生时刻的相关数据。

（3）系统应对采集的数据进行如下处理：

应对模拟量数据进行数据滤波、合理性检查、工程单位变换、数据变化及越限检测等，并根据规定产生报警和报告；

状态数据处理应包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性和合理性判断，并根据规定产生报警和报告；

事件顺序记录处理应记录各个重要事件的动作顺序、事件发生时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）、事件名称、事件性质，并根据规定产生报警和报告。

（4）系统应自动计算或统计下列数据：

全站开机台数计算；

单机及全站当班、当日、当月、当年的运行台时数累计；

单机及全站的日、月、年用电量（有功、无功）累计；

3监视与报警

（1）系统应能通过监视器或大屏幕对闸门启闭机、高低压配电等主要设备的运行工况进行监视。

（2）应能对闸门开启和关闭过程、变配电系统送停电过程、辅助设备操作的过程等进行监视；当发生过程受阻时，能给出明确的受阻原因。

（3）应在发生下列异常情况时报警：

主机各类温度越限；

保护装置告警、动作；

变压器温度过高；

各类控制流程中控制操作失败信息；

闸门启闭机故障；

（4）当发生电气保护动作时，能将故障发生前后的相关参数和开关位置变化按发生的时间顺序记录下来，并可显示、打印和存入历史数据库。

（5）系统应能采用发出声光信息和窗口显示信息等方式进行报警。事故报警音响和故障报警音响应有明显区别，声音可手动或自动解除。报警信息显示窗口不应被其它窗口遮挡，报警信息应包括报警对象、发生时间、报警性质、确认时间、消除时间等。应用不同的颜色区分报警的级别、报警确认状态、当前报警状态。若当前画面具有该报警对象，则该对象标志（或参数）应闪光及变化颜色，闪光信号应在运行人员确认后方可解除。

（6）应能够在包含某一报警点的任何一个画面对该报警进行确认，其它包含该报警点的画面也同时被确认；若某一已经确认的报警再一次发出报警时，应具备报警重闪功能，同时以适当的显示方式标明其重复报警的次数。

4控制与调节

（1）控制与调节的对象

监控系统实现如下对象的控制与调节：

节制闸：包括闸门启闭机等设备；

配电设备：包括变压器、进出线相关的各类断路器、开关等；

（2）控制与调节的内容

各控制对象主要的控制内容包括如下：

1） 对主机的控制与调节应包括：

闸门的开机、停机顺序控制；

闸门的紧急事故停机控制，紧急事故停机启动源包括人工命令及事故信号自启动两种方式；

2） 对配电设备的控制与调节应包括：

变压器投、切控制操作；

进出线开关合分操作。

6） 运行人员应能通过站控级或现地控制单元的人机接口进行控制操作，完成对其它设备的控制与调节。

（3）控制方式

系统的控制方式分为三级，不同控制方式的切换应采用转换开关等硬件装置进行切换。控制方式按优先级由高至低依次为：

现地手动控制：操作人员在设备现场通过按钮或者开关直接启动、停止设备；

现地控制单元控制：操作人员通过设置在现地控制单元内的人机接口（触摸屏）启动、停止设备，并能监视设备启动或者停止的过程；

站控级控制：操作人员在中控室内通过监控主机发布启动/停止设备的命令至现地控制单元，由现地控制单元完成相关控制操作。操作员可通过监控画面监视设备的启动或者停止过程。

5系统自诊断与恢复

（1）监控系统应实现对自身的硬件及软件进行故障自检和自诊断功能。在发生故障时应能保证故障不扩大，且能在一定程度上实现自恢复。监控系统自身的故障不应影响被控对象的安全。

（2）站控级应具有计算机硬件设备、软件进程异常、通信接口、与现地控制单元的通信、与上级调度系统的通信、与其它系统的通信等故障的自检能力。当诊断出故障时，应采用语音、事件简报、模拟光字等方式自动报警。

（3）现地控制单元应能在线进行硬件自诊断。在线诊断到故障后应主动报警，并闭锁相关控制操作。现地控制单元硬件诊断内容应包括：

CPU模件异常

输入/输出模件故障

输入/输出点故障

接口模件故障

通信控制模件故障

电源故障

（4）监控系统在进行在线自诊断时不应影响系统的正常监控功能。

（5）对于冗余设备，当主用设备出现故障时，系统应自动、无扰动地切换到备用设备。对于冗余的通信系统，应自动切换到备用通道。

（6）硬件系统在失电故障恢复后，应能自恢复运行；软件系统在硬件及接口故障排除后，应能自恢复运行。

6数据记录与存储

（1）监控系统应对采集及处理过的实时数据进行记录，实现对系统中任何一个实时模拟量数据（原始输入信号或中间计算值）进行连续记录。记录的时间间隔（分辨率）可以根据需要设置，最小时间间隔可达到1s。记录的数据应支持实时趋势曲线显示，能够在实时趋势曲线上选择显示任何一个点的数值和时间标签。

（2）监控系统应建立历史数据库，能够存储系统中主要的输入信号（模拟量和开关量）以及重要的中间计算数据。记录的时间间隔（分辨率）可以根据需要设置，最小时间间隔可达到1s。若以1s 的采样周期存储，系统最少应能够存储30天的历史数据，作为整个监控的公用数据库。

（3）历史数据库的数据记录与存储应满足用户对历史数据的多种检索方式，如历史趋势曲线、日报表、月报表、事件查询等。

（4）历史数据库应实现自动清理、备份等功能。包括可通过程序设置完成过期数据的自动清理；能够定期或在存储介质空间占用率大于一定值，以一定的方式提醒运行人员将数据转存至外部存储介质，或可自动转存到外部存储介质上。

（5）历史数据库存储的数据包括如下：

1）电气量及非电气量：

各种事故和故障记录；

变压器温度；

闸门运行状态、开度；

等等。

2）状态输入量：

断路器合分状态；

手车工作位置、试验位置；

配电设备断路器、刀闸合分状态；

开关电气闭锁状态；

等等。

4）其它各类运行、操作信息：

控制操作信息：应对启闭机、配电设备的各类控制及调节操作信息（包括控制命令启动、控制过程记录、控制结果反馈）进行记录，记录信息包括操作时间、操作内容、操作人员信息等；

定值变更信息：应对所有的定值（设定值、限值等）变更情况进行记录，记录信息包括变更时间、变更后的值等；

状态量变位信息：应对现场设备运行过程中发生的状态量动作、复归等变位信息进行记录，记录信息包括变位发生时间、内容及特征数据等；

故障和事故信息：应对现场设备运行过程中发生的各类故障和事故信息进行记录，记录信息包括故障和事故的发生时间、性质及特征数据等；

参数越复限信息：应对现场设备运行的参数越复限情况进行记录及统计，记录信息包括越复限发生的时间、内容及特征数据等；

自诊断信息：对系统运行过程中产生的各类自诊断信息进行记录，记录信息包括自诊断信息的发生时间、性质及特征数据等。

7人机接口

本系统均通过站控级工程师/操作员工作站或现地LCU接口设备完成画面显示、打印制表、设置参数及操作控制等人机联系功能。

（1）站控级运行人员控制操作台基本功能及操作要求

作为工程运行人员监视和控制机组运行的主要手段，运行人员与本系统的交互作用将通过运行人员控制操作台使用LCD、打印机、键盘、鼠标或跟踪球等来实现。

（2）屏幕显示画面的编排

屏幕显示画面的编排应至少具有时间显示区、画面静态及动态信息主显示区、报警信息显示区、人机对话显示区。

（3）画面图符及显示颜色要求

上述各类画面中的图形符号及显示颜色要求应至少满足以下要求：

1）电气接线图中相关电气设备图形符号应满足《水利水电工程制图标准》要求，各电压等级的颜色应符合NDGJ8-89有关规定。

2）电气接线图中机组、断路器、隔离开关、接地开关等的图符动态刷新颜色应满足：

设备运行状态：粉红色

设备停机备用状态：黄色

断路器、隔离开关、接地开关合闸状态：红色

断路器、隔离开关、接地开关分闸状态：绿色

3）与操作显示信息颜色要求如下。

报警事故信息：红色

报警故障信息：黄色

状态复归信息：白色

操作信息：绿色

4）刷新颜色要求如下。

?参数正常：绿色

参数越限：红色（或闪光）（越上极限或下极限）；黄色（越上限或下限）

（4）监控系统控制操作命令输入应满足下列要求：

运行人员通过键盘或鼠标除进行选择画面和屏幕管理操作之外，为完成相应技术条款的操作控制任务，功能设计上应采取以下技术措施，但不限于此。

1）控制操作应首先调用有关画面进行对象选择，被选中的控制对象应突出显示，经运行人员确认后方可执行有关控制操作；

2）被控对象的选择和控制操作只能在同一操作计算机上进行；

3）控制操作的人机接口应充分利用具有被控对象的显示画面、操作按键及操作对话区三者相结合的方式，操作过程中应有必要的可靠性校核及闭锁功能；

4）控制操作的执行过程应能清晰、直观及动态的反应在相关画面上；

5）监控系统可提供对高压系统开关、低压系统开关等设备的直接控制操作界面，供系统调试或者紧急情况下使用，但能使用这个操作界面的操作员必须拥有最高级别的操作权限。

（5）各种参数的设置或修改

（6）报警处理

1）监控对象达到事故或故障状态时，应立即发出报警音响和信息。报警音响应将事故和故障区别开来，声音应能手动或自动解除。

2）显示信息应在当前画面上显示报警语句，报警语句应说明报警对象、报警性质和报警时间，其显示颜色应随报警信息类别而改变。若当前画面具有该报警对象，则该对象标志（或参数）闪光及其颜色变化。闪光信号应在运行人员确认后方可解除。

3）确认的误报警，运行人员可退出该报警点。

（7）命令无效和删除

1）任何人机联系请求无效时应显示出错信息。

2）任何操作命令在执行到某一步时，如不进行下一步操作（在执行之前）则应能自动删除或人工删除。

（8）制表打印与记录

主要包含各类操作记录、各类事故及故障记录、各类运行报表打印、各类曲线打印、各类趋势曲线记录、事故追忆及相关量记录、各种典型操作票、画面拷贝等。这些报表和记录应能自动（定时、随机）或由运行人员在上位机上选择和控制打印机打印。

（9）现地LCU基本功能要求

现地LCU基本功能要求如下，但不限于此。

运行人员应能在现地LCU上的功能按钮或触摸屏选择测量或控制。

现地LCU上应具有中控室控制和现地控制两者的切换功能，在处于现地控制方式时，中控室控制方式应不起作用，但不应影响数据采集和传送到中控室上位机。

应能在现地LCU上通过触摸屏对有关参数值进行设置和修改。

功能按钮或触摸屏的操作应做到安全、可靠和简便。

8数据通信

数据通信分为三类：

站内设备通信：本系统与其它智能测控设备之间的通信；

本系统与站内其它系统的通信：包括与机组在线监测装置的通信、与视频监控系；统通信、与信息管理系统的通信等；

本系统与上级调度系统之间的通信：与上级调度系统通信。

9时钟同步

监控系统应通过配置的时钟同步设备，实现站控级计算机设备、现地控制单元、微机保护设备的时钟同步。其中：

站控级计算机设备采用与时钟同步设备进行数据通信（串行口或网络接口）的方式获取秒级精度的时钟信号；

现地控制单元采用与站控级监控主机进行数据通信（网络接口）的方式获取秒级精度的时钟信号，并通过时钟同步设备输出的硬对时或编码对时信号获取毫秒级精度的时钟信号；

微机保护设备采用与现地控制单元进行数据通信的方式获取秒级精度的时钟信号，并通过时钟同步设备输出的硬对时或编码对时信号获取毫秒级精度的时钟信号。