水闸闸门监控系统(详细)

水闸闸门遥控与监测系统方案

1、概述

某水闸共5孔平板闸门，闸门宽度8米，闸身长40米。目前使用的水闸监控系统已经完全损坏，使用中存在以下问题：（1）不能实现定点控制闸门开度。目前各闸门的定点控制均由值班人员手动完成。由于现场控制站在闸顶楼上，值班人员只能凭现场聆听闸门与卡位相接的声音实现定点控制闸门开度，在下雨等噪音严重的情况下往往会因无法听到声音而难以定位，监控效率低，且存在安全隐患；

（2）闸门现场控制站的PLC坏掉，工作不稳定，其他装置是否损坏不确定；

（3）无法实现远程监控功能，不能满足监控管理自动化的要求。2、

系统工作范围

本系统功能的实现：

（1）五孔平板闸门的自动控制：通过工控机现地实现左右四扇闸门的全开、全关控制和中间闸门的全开、半开、全关控制。也可在监控室上位机远程控制闸门开度；

（2）五孔平板闸门的手动控制：在工控机故障或其他特殊情况下，采用手动控制方式实现各种控制；

（3）主要参数的采集与显示：采集各孔闸门位置及状态信号、上下游水位和闸基扬压力信号，并在控制面板和上位机上显示；

（4）视频监控功能：设多台定点视频监控摄像头对闸门进行监视，在监控

室可以实时对闸门进行监控。

系统监控内容

输入/输出信号统计

序号信号内容信号类型I/O点数1闸门开度数字信号1

2闸门上升状态开关量输入1×5

3闸门下降状态开关量输入1×5

4闸门停止开关量输入1×5

5全开限位开关量输入1×5

6危险限位开关量输入1×5

7半开限位开关量输入1×1

8电机开关开关量输出1×5

9电机方向开关量输出1×5

10LCD显示开关量输出11×5

闸门监控系统报警信号统计

序号报警内容

1闸门上升故障

2闸门下降故障

3闸门停止故障

4闸门上升卡滞

5闸门下降卡滞

6闸门超速

视频信号RS－485控制信号定点摄像机5

三可变摄像机11路

系统设计

考虑到水闸五孔闸门和启闭机分组监控的特点，本方案根据要求设计一套以工控机为主控设备并配置手动操作与执行设备组成的分层分布式计算机监控系统，该系统由一台上位机、一台现地工控机单元、摄像头、视频显示器等组成。在监控室可以通过显示器远程监视闸门的运行状况，并实现远程发送控制指令；现场控制站能接收来自上位机的控制指令进行控制，也可以单机独立控制，特殊情况下实现手动控制。

系统总体结构

监控系统总体由闸门监控子系统和视频监控子系统构成。总体框图如图1所示：

图1 水闸监控系统总体框图

闸门监控子系统由一台上位机、一套现地工控机监控单元、五套卷扬机专用变频器、现场传感元件和执行机构等设备组成。现地监控单元采用工控机作为主控设备，各单元配有一个操作员手动控制面板，可独立操作执行自动化操作，同时保留手动操作键。操作员盘具有二行液晶显示屏可显示闸位及运行信息。各单元可在脱网时独立自动操作与运行。闸门框上装设限位开关，实现闸门开度的定点控制。在现场控制站装指示灯，在半自动方式下给值班员闸门到位信息提示。闸门位置和上下游水位信号的采集采用先进的专用传感器。在闸身的安装两个水位计，测量水位高度。

视频监控系统由五台定点摄像机和一台三可变摄像机、硬盘录像机、视频监控站等组成。

系统控制面板

控制面板各按钮功能如下：

电源指示：控制系统的二次回路的电源指示，控制闸门时该灯一定要亮。

自动状态：当系统处于“自动控制”状态时，该灯一定要亮；当系统处于“手动”状态时，该灯一定不亮。

全开限位：当闸门处于全开位置时，该指示灯被点亮，此时闸门停止。

危险限位：当闸门处于最高位置时，该指示灯被点亮，此时闸门无法上升。

手动：当系统处于“自动”状态时（自动状态灯亮），如果需要手动控制闸门，按下此按钮，此时“自动状态”灯灭，可以进行手动操作。

上升：在“手动”状态时，按下该按钮，闸门开始上升，只有按下“停止”按钮，闸门才停止上升；当闸门上升时，该按钮的灯被点亮。

停止：无论何时只要闸门在运行当中，按下此按钮，闸门将停止运行。

下降：在“手动”状态时，按下该按钮，闸门开始下降，只有按下“停止”按钮，闸门才停止下降；当闸门下降是，该按钮的灯被点亮。

急停：无论何时按下该按钮，控制柜内的空气开关将自动脱开，此时闸门控制的一次电源被切断，闸门无法运行，只有把空气开关人工推上后，闸门才开始运行。注意推上空气开关手柄时，要先把手柄拉到最低位置后，才能推上空气开关。

全开：系统工作在“自动”状态，实现闸门的自动全开。

全关：系统工作在“自动”状态，实现闸门的自动全关。

系统监控软件

图4 远程监控软件界面图

系统工作原理

1. 现场传感部件工作原理

现场闸门开度传感器采用闸位计。闸位计工作原理如下：由传动部件，编码器等组成。编码盘随水位轮的转动作相应比例的旋转，不同的转角即组成不同的数码。采用齿轮传动，带动闸位计的传动轮运动，传动轮的转动将使编码器的数据作相应变化，通过数据接口将闸位计的格雷码数据经信号电缆传送给现地工控机入模件，完成闸门开度的数据采集工作。

水位计选用超声波水位计。进行液位的数据采集。液位信号可转换为电子信号，通过RS232接口传输到工控机。

2. 工控机工作原理

工控机选用国内著名工控机产品，由ups电源，光电隔离输入模件、输出模件，显示器、键盘鼠标等组成。控制部件经光电隔离输入模件采集现场传感部件的信号，现场执行机构的各种状态信号及现场的操作盘闸门控制信号，控制部件根据上位机传送过来的控制信号及闸门位置检测的信号，经输出模件发出闸门的启闭信号，经rs485接口将信号送给卷扬机专用变频器执行。控制回路具有多级联锁保护，由梯形逻辑进行控制。各单元可独立实现自动操作与运行。

3．限位控制器的工作原理

限位控制器选用法国施耐德XCKJ10541C型。在闸门框上安装限位开关，当闸门运行到定点位置上方12cm时，装于闸门上的模块撞击限位开关，限位开关的触点动作，实现电路的切换，闸门转为下降（或继续下降）10cm，闸门进入卡位，实现定点控制。同时，在现场控制站装设指示灯，限位开关触点动作的同时，指示灯进行指示，保证在半自动方式下，值班人员可以安全可靠的完成定点控制。

4. 中心站工作原理

中心站有一台上位机，上位机可通过tcpip协议远与工控机进行远程数据交换。上位机采集现场各种信号，发出闸门启闭信号，传送到现场的控制部件，由控制部件指挥执行机构作相应动作，达到闸门控制之目的。

5.视频监控系统的工作原理

视频监控系统作为闸门监控系统辅助系统，具有非常重要的意义。它能将

被监控现场的实时图像和数据等信息准确、清晰、快速地传送到控制室，控制室通过视频监控系统，能够实时、直接地了解和掌握各个被监控现场的当前实际情况，监控中心值班人员能够直接根据被监控现场发生的情况做出相应的反应和处理，更加实时有效地管理闸站。现场图像通过视频信号线接入视频服务主机，压缩后上网，提供远程查询服务。

全方位摄像机通过全方位云台350度水平旋转、正负45度垂直旋转和十倍镜头聚焦、变焦及调整光圈大小等，在无遮挡的情况下可以实现对监视区域300M 范围内的概况进行全网总体观察和局部重点观察。

本方案正是经过详细的考虑设计而成的，主要特点：

（1）该系统有前端彩色摄像机、三可变镜头、全方位云台、云台控制器、视频矩阵、视频服务器、视频监控站等设备组成、主要部件采用进口原装

名牌产品及国内名品，保证了系统的可靠性、先进性及可维护性。（2）辅助设备如定点防护罩、安装支架等国产设备，电缆采用国产优质产品，尽量降低了工程成本，同时又使监控中心整体效果美观大方，具有较高

的实用性。

（3）各个室外的全方位摄像点采用嵌入式铝合金室外防护罩，既美观又安全，且不引人注意，具有防雨等功能。

（4）系统操作简单，实用。

（5）系统搭配合理，使各部分均能发挥最大效益，具有较高的性价比。

系统功能

（Ⅰ）闸门监控系统功能

1.上位机功能

①．采集下位机（工控机）系统设备运行实时数据。

②．远程控制闸门的开度，具有群控制及单机控制功能，并动态显示闸门操作过程。

③．计算各闸门流量、合计流量。

④．具有闸门启、闭运行自动记录功能。

⑤．编制打印运行日志、月志、年统计表。

⑥．保留系统原手动操作功能。

⑦．建立实时数据库及历史数据库。

⑧．具有查询，报警功能。

⑨．具有良好的中文人机界面。显示功能：上、下游水位过程线，闸门开度柱状图，流量过程线等。

2.现地监控站（工控机）功能

①．接受上位机运行指令，采集现场闸门的位置和状态信号、上下游水位信号及现场各类设备运行实时参数与状态信号。

②．根据上位机下发指令进行各扇闸门的群控和单控，具有按给定开度或给定流量实现闸门开度的定点控制功能。

③．脱网单机运行，可以在现地控制柜上进行单门自动控制操作。

④．可以显示闸位信号与运行状态信号。

⑤．具有运行状态判别，故障多重保护功能：在停机指令发出后，可监控上升，下降接触器的实际状态。当接触器发生故障不能断开时，PLC将在规定的时间内发出主回路分断指令，将电机回路切断，保证设备运行的安全性。

⑥．具有现场手动控制功能：提供手动操作按钮、指示灯、闸位显示以及电机过流保护。

（Ⅱ）视频监视系统功能

1、视频信号的全方位显示。将六路视频信号传送到硬盘录像机，图像可以根据系统预定的时间在设置好的显示终端设备上显示并能进行自动切换，显示不同监控点的图像；同时监视主机可对监控点的三可变镜头的变焦、聚焦、光圈，全方位云台的上、下、左、右进行控制和操作，及时掌握各监控点区域范围内的运行情况。

2、视频信号的录制。通过数字硬盘录像机，可以自由的设定开始录制的起始时刻、时间长度等选项。有选择性的对视频信号进行录制，合理使用存储空间。

3、视频信号的远传。系统可将远端监控点传输到监控中心的视频信号通过图像服务器进行压缩处理，可通过电话线、LAN/WAN、ISDN、DNN等方式传输到所需要的远方任何一个地点。

4、系统的安全与保密性。在本视频监控系统中提供三级安全和保密控制：一是一般查询功能；二是操作功能，能对系统进行操作，既可以进行查询，也可以进行控制；三是系统管理员，除了具有操作员的一切功能外，还能对系统进行修改和扩充。为了保证系统安全性，各种登陆都需要口令。

5、系统的自我监测与维护。系统的软硬件具备自动的通讯监测和自我维护功能，对系统自身故障能及时给与告警和记录，同时误操作和部分故障不会导致系统崩溃。

6、系统软件提供在线的帮助功能，同时提供交互的学习功能。

系统部分设备配置及技术指标

1.限位开关(法国施耐德公司)

负载类型:中-重型负载

环境温度:工作-25℃- +70℃

抗振动:55HZ, ,符合IEC68-2-6

抗冲击:30gn,18ms,在任意位置,符合IEC68-2-27

防护等级:IP65(户外,防灰尘、雨水等)

机械寿命：1000万次

工作频率：每分钟120次

2.超声波水位计：烨立机电 YEH-Z型超声波物(液)位计

内置温度补偿，功率自适应，采用多项自研的专利技术，拥有全新的信号处理技术，极大的提高了仪表的测量精度，对干扰回波有明显得抑制功能。

安装、维护、标定简单。产品广泛适用于化工、水处理、水利、食品、粮食等行业的物位测量，具有安全、清洁、精度高、寿命长、稳定可靠、安装维护方便、读数简捷等特点。

2、产品安装介绍

●换能器发射面到最低液位的距离，应小于选购仪表的量程；

●换能器发射面到最高液位的距离，应大于选购仪表的盲区；

●换能器的发射面应该与液体表面保持平行，见图3－1；

●换能器的安装应尽量避开其正下方有遮挡物或泡沫的位置，见图3－2、图3－3；

●换能器的安装应尽量避开其正下方是进、出料口等液面有剧烈波动的位置，见图3－3；

图3－1 图3－2 图3－3

图3 换能器安装注意事宜

安装时，先用支架做一个或直接在铁板上打一个略大于探头的孔，将仪表放入，再用法兰从探头下方旋入拧紧。

注意：

换能器发射面跟液面一定要水平；

H为换能器发射面的安装高度，应小于选购仪表

的量程；

h为换能器发射面到池顶或最高液位的高度，应

大于仪表的盲区；

L为超声波换能器至池壁、河岸、堤防的距离。L

一般需要大于米以上。若壁不光滑、有明显的凸出、池壁可能会长出小树小草，则需要适当增加L的距离。

若L无法满足条件，或液面波动剧烈、液面存在大量泡沫、水渠宽度过小时，我们强烈建议您使用“静水井”的方法安装仪表。如右图所示：

仪表外形尺寸：

注：法兰尺寸会根据换能器的不同而有所改变，如有不同将不预先告知。

3、产品特点

稳定可靠

我们在电路设计时从电源部分起就选用高质量的模块、关键元器件的采购选择高稳定可靠的器件，可以直接替代国外进口仪表。

专利技术

专利的声波智能技术软件可进行智能化回波分析，无需任何调试及其它的特殊步骤，此技术具有动态思维、动态分析的功能。

精度高

我公司拥有的声波智能专利技术，使YEH系列超声波液位仪的精度大大提高，液位精度达到％，能够抗各种干扰波。

故障率低、易安装、易维护

本仪器是一种非接触式仪表，不跟液体直接接触，因此故障率较低。仪表提供多种安装方式，用户完全可以通过本手册进行仪表标定。

多种防护

仪表的防护等级达到IP65；所有的输入、输出线均具有防雷、防短路的保护功能。

4、产品规格

型号： YEH-Z选型代码：

测量范围： 0～10m

盲区：～

测距精度： %

测距分辨率： 1mm

压力： 4个大气压以下

仪表显示：自带LCD显示液位或空间距离

模拟输出： 4～20mA

数字输出： RS485、Modbus协议或定制协

议

开关量： 2路继电器（选配）

供电电压： DC24V 80mA或AC220V

环境温度：－20℃ ～＋60℃

防护等级： IP65

3、台达B系列变频器卷扬机专用变频器

机电系统配置

（1）台达B系列变频器型号：VFD045B43A；制动单元：VFDB4045；制动电阻: 10000W/欧姆。

（2）电机参数：型号：YZB250M1-6M；功率：37KW；额定转速：982r/min；电压：380V 电流：；5-50HZ恒转矩；50-100恒功率。

（3）圆柱齿轮减速器：型号：，传动比：，中心距：650mm。

电原理设计

基于台达B系列变频器的卷扬机调速系统电原理设计参见图2。系统控制使用变频器端子控制方式，包括正反转控制、多功能选择控制（MI端子）、多功能指示选择接点（信号输出），能耗制动由B系列变频器配套制动单元实现。

图2 电原理设计

多功能继电器输出RA,RC外接机械抱闸线包，从而达到控制机械抱闸的开启。一般变频器都设置为运转中指示，但变频器在启动和停止时的外部负载不一致，造成溜钩发生。所以台达针对此应用开发了机械抱闸控制，把启动和停止的动作频率分开，大大简化了调试时间，很好的达到理想效果。

如果应用在快速卷扬机，因电机的减速比小，所以在松闸瞬间，变频器要输出180%额定扭力来确保重物不溜钩；因此根据需要适当调整01-05，01-06的值，使变频器能够承受电流冲击。

卷扬机的行程速度越快，电机的减速比越小，变频器受到的瞬间电流会更大。电机的过载能力达到6倍额定电流，但变频器这能达到2倍的额定电流，所以必须增大变频器的功率，避免变频器过载损坏，参见表1。

4、数字闸位计

ZWJ-6智能遥控闸位计

ZWJ-6智能遥控闸位计是在消化吸收了德国、瑞士等国际最先进的技术、工艺的基础上，采用嵌入式微电脑处理器、精密的光电感应技术和紧凑精确的变速机构等研制而成的,是集多圈光电绝对编码器（或多圈接触式绝对编码器）的检测和智能仪表的显示功能于一体的智能遥控闸位计。

该闸位计通过遥控器即可进行预置(包括声光报警状态、上下限数据等)、编码器零点设定、内部参数设定（包括编码器的增量方向的选择、ZWJ-6地址、RS485通讯信号波特率的选择、 4-20mA 标准模拟量、修正系数的设定等）等功能的改变。输出的RS485串行通讯信号采用国际通用的MODBUD协议或正天协议（视用户需求而定），以便满足系统组网的要求。

该闸位计安装方便、适应性强、稳定可靠，集检测与A/D转换为一体、具有断电记忆跟踪功能，还可以开关量（可编程）的形式输出到限（上限、下限）保护信号，对闸门启闭机的安全运行起到了强大的保护作用。

5、研华工控机(IPC-610MB)

型号工控机(IPC-610MB)

主要参数支持母板的4U上架式机箱,配置为:AIMB-742VE主板/P4 256M/40G/光驱/软驱/键盘/鼠标

智慧工控 WITECH平板电脑

4 系统性能指标

系统实时性

根据标书要求，本系统实时性可达到如下指标：

单元控制级的响应能力

A 数据采集时间。

a 数字量输入点（DI、BCDI）采样周期<2s。

b 电量，采样周期<2s。

c 非电量，采样周期<2s。

B控制响应时间。

a 控制命令回答响应时间<2s。

b 接受控制命令到执行控制的响应时间<2s。

主控级的响应能力

A数据采集响应时间。

非电量，电量等模拟量和全部数字量可每两秒一次采集存储到实时数据库或等效实时存储区仲。

B人机通信响应时间。

a 在正常CPU负载率和通信负荷率情况下，调用画面时间<2s。

b 在已显示画面上动态数据刷新时间为2—5s可调。

c 单元控制器接收命令并回答响应的时间<2s。

d 报警或事故发生到LCD屏幕显示的时间<2s。

C主控制级控制响应时间

自动控制指令执行的响应时间<2s。

D主控级对调度系统数据采集和控制的时间响应时间，满足调度系统运动规约

的要求。

系统可靠性

泵站计算机监控系统能适应泵站的工作环境，具有高抗干扰能力，能长期可靠地运行。

工控机： MTBF≥3000小时

传感器： MTBF≥3000小时

系统安全

本系统具有下列措施来保证系统操作的安全性：

A 对系统每一功能和操作提供检查和校核，发现有误或受阻时能自动报警，撤消。

B 当操作有误时，能自动或手动地被禁止并报警。

C 对任何自动或手动操作可作提示指导和存贮记录。

D 在人机通信中设操作员控制权口令，可按十级建立。

E 按控制层次实现操作闭锁，其优先权顺序为：现地单元级最高，主控级第二，远方调度第三。

本系统具备下列保证通信安全性的措施：

系统设计保证信息传送中的错误不会导致系统关键性故障。主控级和单元控制器的通信包括控制信息时，对响应有效信息或未响应有效信息有明确肯定的指示。当通信失效时，可考虑预定次数重复通信，仍然失效则报警。

通道设备上提供适当的检查手段，以证实通道正常。

具有下列硬件、软件和固件安全措施

具有电源故障保护和自动重新启动。

能预置初始状态和重新预置。

有自检能力，检出故障时能自动报警。

软件的一般性故障可以登陆且具有无扰动自我恢复能力。

故障设备能自动切除或切换到备用设备上。

任何硬件和软件的故障都不会危及泵站系统的完善和人身的安全。

施工方案

本着“安全第一”的原则，拟采用如下施工方案：

（1）安装水位计、限位开关、指示灯等设备；

（2）拆除一号闸现地控制单元，接入新控制单元，单机调试、试运行；

（3）与监控室上位机联机调试、试运行；

（4）逐个拆除另外四个闸门旧控制单元，接入新控制单元，单机调试、试运行，联机调试、试运行；

（5）系统整体调试、试运行。

水闸闸门自动监控系统维修改造设备清单