閘門控制需求分析

                               閘門控制需求分析

                         上海申弘閥門有限公司

一、閘門現地控制單元 
閘門現地控制單元一般安裝在閘門啟閉機房或者系統配電中心，由可編程控制器、智能閘門測控儀、控制電器、邏輯保護電路、操作按鈕（觸摸屏）、狀態指示燈、電流電壓采集顯示表等組成，成套于一臺機柜內，通過接線端子與閘位傳感器、荷重傳感器、機械限位、閉鎖保護、啟閉機電機、三相交流電源進線等連接。具有以下功能： 
1、顯示功能:數字顯示閘位、荷重、行程設定值、荷重兩極報警設定值、電網電壓、運行電流等參數；提升，降落等各種運行狀態指示。 
2、參數設定:通過按鍵設定行程值、上下限位值、荷重兩級報警設定值等參數。 
3、操作閘門：通過按鍵可提升、降落閘門到位置。 
4、安全保護：具有數字電子限位、機械限位、負載過荷、工作超時、閘門啟閉機過電流、方式閉鎖等多重保護功能，確保閘門運行安全可靠。 
5、通訊功能: 
•可遠程修改參數，遵循后一次有效原則；  •實時過程參數、運行狀態上傳；  
•接收并執行遠程遙控控制命令，提升、降落閘門到位置。

 6、多種控制方式:  
•手動控制：在智能閘門測控儀、PLC計算機等設備發生故障的情況下，可手動提升、降落閘門。 
•自動控制：預置閘門行程設定值，可提升、降落閘門到位置。  

•遠程控制：接收并執行遠程遙控命令，提升、降落閘門到位置。 三種控制方式的優先級依次是手動控制、自動控制、遠程控制。 技術參數： 
電源電壓：三相AC380V ± 10%  

運行環境：－10 ～＋50 ℃， RH≤90%

測量范圍：0-40m  

測控精度：≤1cm 
通訊方式：現場總線、光纖 系統功能： 
上位機是系統的指揮、監控中心，它可以與上級管理中心聯網。 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。通過上位機與PLC的通訊功能指揮系統運行和修改參數。 PLC是系統現地控制核心，可以獨立控制閘門系統正常運行。 自動監測被控閘門開度及工況，LED顯示 計算機監測記錄閘門運行參數和運行狀態 自動監測閘門上下游水位，并根據上下游水位調整閘門開度 根據操作規程自動控制閘門啟閉 具有手動/自動轉換功能 有必要聯動的設備具有合理的聯動功能 具有梯形連鎖功能 實時遠程遙控單個、多個閘門啟閉定時打印、召喚打印各種運行報表自動生成日報表、月報表、年報表 可定開度自動控制、定水位或定流量自動控制 
計算各閘門過流量、合計流量及各泄水建筑累計過水總量 具有故障報警、故障位置分析處理功能 
具有操作過程查詢、檢索功能技術指標自動生成閘門運行實時數據庫、歷史數據庫、事件數據庫 

1、 數據采集與處理 
這部分功能包括對實時數據的采集、進行必要的數據預處理并以一定的格式存入實時數據庫。通常按照信號性質的不同把它分分為模擬量、開關量及脈沖數字量等，其采集及處理方法也各不相同。 
（1） 模擬量的采集與處理 
這一類實時量包括電氣模擬量、非電氣模擬量及溫度量，對它們的采集范圍、處理方式以及各量的變化規律的變化規律各不相同，所要求的采集周期也各不相同。 
電氣模擬量系指電壓、電流、頻率及功率、功率因素等電氣信號量。非電氣模擬量主要指壓力、流量、水位、位移等信號量。溫度量也屬于非電氣模擬量，出于其采集的信號是測溫電阻，且其變化速度一般也比較緩慢，因此將其單列出來。其處理包括預防回路斷線及斷線檢測功能、信號抗干擾、數字濾波、誤差補償、數據有效性合理性判斷、標度換算、梯度計算、越限判斷、越限報警，后經格式化處理后形成實時數據并存入實時數據庫。 
（2） 開關量的采集 
開關量采集包括中斷型開關量和非中斷型開關量兩種。中斷型開關量信號指計算機監控系統能以中斷方式迅速響應事故信號、斷路器分合及重要繼電保護的動作信號。采集這些信號并做出一系列必要的反應及自動操作。中斷型開關量信號輸入為無源接點輸入，中斷方式接收。 
非中斷型開關量信號。包括各類故障信號、斷路器及隔離開關位置信號、機組設備運行狀態信號、手動自動方式選擇的位置信號等。計算機監控系統對這些信號的采集方式為定期掃描。對信號的處理包括光電隔離、接點防抖動處理、硬件及軟件濾波、基準時間補償、數據有效性合理判斷、啟動相關量處理功能（如啟動事故順序記錄、發事故報警音響、畫面自動推出以及自動停機等）。 
2、運行安全監視 
（1）運行實時監視及參數在線修改 
計算機監控系統可以使運行值班人員通過LED對各主設備及輔助設備的運行狀態進行實時監視控制及在線修改參數。 
（2） 參數越復限報警記錄 
監控系統將對某些參數以及計算機數據進行范圍監視，進行趨勢分析，可預先設定其限制范圍，當它們越限或越復*要作相應的處理。這些處理包括越限報警、越復*的自動顯示、記錄和打印；啟動相關量分析功能，作故障原因提示。 
（3） 事故順序記錄 
當閘門發生事故時，計算機監控系統將立即以中斷方式響應并自動顯示、記錄和打印事故名稱及時間；記錄、顯示和打印相關設備的動作情況；自動推出相關畫面；對事故原因進行分析并提示處理方法；計算機監控系統能將發生的事故及設備的動作情況按其發生的先后順序記錄下來。 
（4） 故障狀變顯示記錄 
計算機監控系統定時掃描查詢各故障信號，一旦發生故障，故障報警信號將在CRT上以為醒目的方式即時地顯示出來，以供值班人員查看。 
（5） 趨勢分析判斷 
對閘門啟閉機定子溫度、軸承溫度、電機電流、電壓、功率、主變壓器供電等進行趨勢分析；對閘門上、下游水位，水閘開啟高度，過閘流量，閘門實時荷重，即時流量等參數的變化趨勢曲線進行分析，趨勢變化速率超過上、下限值時向各工作站值守人員發出報警信號。 
3、 運行指導 
（1） 開、停機過程監視 
當開、停機指令下達后，計算機監控系統能以流程圖的形式實時顯示全部開、機的過程中每一步驟及執行情況，提示在開、停機過程受阻時部位及其原因，進行開環運行指導甚至閉環自動控制操作。 
（2） 一次設備操作指導當閘門一次設備要進行啟閘操作時，計算機監控系統將能根據當前的運行狀態及隔離開關閉鎖條件，判斷該設備在當前是否允許操作并給出相應的標志。 
（3）用電系統操作指導 
計算機監控系統能判斷某個用電斷路器或刀閘在當前是否允許操作并給出相應的標志。 
4、 控制與調節 
（1） 操作員通過操作員工作站的顯示器、鍵盤等，對監控對象進行下列控制與調節，但不限于此。 
a. 閘門啟閉；

b. 閘門開度； 
c. 閘門無功功率增減；

d. 閘門聯合運行的投/切； 
e.380V、220V及以上的斷路器及0.4KV用電的進線開關的合/分及閉鎖；

f. 各輔助設備的操作；

g. 各種整定值和限值的設定；

h. 計算機系統設備投/切； 
i. 報警復歸：當運行人員已了解事故或事件的情況后，可對報警信號手動復歸； 
j. 能提供設備安全標記系統，可由操作員手動或應用程序自動實現禁止對被選中設備的控制。 
計算機監控系統能根據設定的流量及當前的運行狀態及各閘門各自的特定情況確定當前各閘門的*啟閉順序，根據閘門運行要求按順序實現自動開、停機操作，同時還可自動調整每臺參加聯合運行閘門開度，并保證在運行方式發生變化時對電力系統所產生的擾動小。 
5、 調度管理 （

1） 監視 
在中控室液晶顯示器上，顯示閘門的運行情況。 主要監視內容有：

a. 閘門運行工況

b. 閘門輔助設備運行情況

c. 變壓器運行工況

d. 380V隔離開關的位置

e. 線路運行工況

f. 公用設備運行工況

g.用電運行方式  

h. 越限、越復限、故障、事故的顯示，報警并自動顯示有參數并推出相關畫面  

i. 過程監視：監視機組運行工況的轉換過程  

j. 監控系統異常監視：監控系統的硬件或軟件發生事故則立 即發出報警信號，并在LED及打印機上顯示記錄，指示故障部位。  

（2） 記錄、報告所有監控對象的操作、報警事件及實時參數報表等可記錄下來，并能以中文格式在LED上顯示，在打印機上打印。打印記錄分為定時打印記錄、事故故障打印記錄、操作打印記錄及召喚打印記錄等工作方式。能在打印機和繪圖儀上打印各種現場水情報表、歷史數據庫中的歷史水情報表和曲線、歷史圖片、報警曲線等信息。  

記錄、報告的主要內容有：

a. 操作事件記錄

b. 報警事件記錄 c. 定值變更記錄

d. 報告

e. 各種統計表

f. 趨勢記錄

 g. 事故追憶和相關量記錄

（3） 信息資料數據庫系統  對從實地采集來的數據進行管理、分析、統計、生成報表并打印輸出。具體，我們要分析水閘日引、排水流量；具備上、下游水勢突變信息的捕獲；依據上下游水位分析閘門開啟需求；分析階段引流、排泄流量。輸出內容包括：  

a、各閘門上、下游日水位過程線。水位報表。 
b、各閘門引、排歷時及對應流量報表。

 c、輸出實時流量變化曲線，工作效率變化曲線。

 d、輸出水位、電機轉速、輸入功率、能源單耗等數據報表。  當閘門某一參數越*，監控系統同時顯示打印其相關參數的對應數值。

（4）、數據庫維護  能實時地維護實時數據庫和歷史數據庫，包括對數據庫記錄的增加、刪除、修改、查詢和數據庫數據的備份。  

（5）、系統維護與設置  用戶能根據自己的需要和興趣愛好來設置系統的工作環境，通過設置現場站點的基本參數、數據采集處理、通訊及控制的功能參數來設置系統的運行環境。系統還具有即時幫助和操作指導文件等幫助功能。包括系統自診斷、操作指南、幫助說明等。    

二、系統主要性能指標  

1．環境參數  中控室:環境溫度：15℃-35 ℃   相對濕度：40%-88%  現  場:環境溫度：-10℃-+45℃  相對濕度：5%-95%（無凝露）

2．實時性  數字量采集周期<1S  模擬量采集周期   電量≤1S   非電量≤10S 實時數據庫更新時間＜1.5S 控制命令響應時間：  控制命令回答響應時間＜1S   主控級對現場系統數據采集和控制的響應時間≤2S 調用新畫面的響應時間：  從運行人員發出一個新的圖像調用指令開始到圖像*顯示在LED上 為止的LED響應時間＜1S;  報警或事件發生到LED屏幕顯示和發出響聲的時間＜1.5S。  3、可靠性 
本系統設備的MTBF參數如下：  主控計算機（含硬盤）>12000h 現地控制單元PLC>20000h  4、可維修性  可維修性參數MTTR＜0.5h  設備具有自診治斷和尋找故障程序，能定位到模塊，在現場更換故障部件后即恢復正常；  具有便于試驗和隔離故障的斷開點； PLC的I/O模塊可帶電插拔。 5、可用率  系統可用率在整個系統交接前的試運行期間30天內不低于99.9%，在設備驗收后的兩年保證期內達到98.8%。

有狀態顯示 有故障自診斷能力 可帶電插拔 開關量輸出模塊： 
為繼電器輸出 隔離電阻>10MΩ 負載電流>2A 有故障自診斷能力 可帶電插拔 模擬量輸入模塊: 
轉換分辨率：16位 
轉換精度：不大于正負0.1%FS 差模抑制比≥95dB 共模抑制比≥ 105dB 隔離電壓>1780Vrms 有狀態顯示和故障診斷 可帶電插拔 繼電保護裝置 
IS：裝置的設定電流（電動機實際運行額定電流反應到CT二次側的值）；整定范圍為：2-，級差0．01A； 
IX：短路保證的整定值，啟動時間內：（2-12），級差0．1A；運行時間內：（2-8）， 級差0．1A； 
I1：電動機實際運行電流的正序分量；過負荷保護整定的過電流（2-5），級差0．01A； 
I2：負序電流保護的定值，整定范圍為：（0．2-1．7），級差0。01A； ION：裝置零序電流的標稱額定值（0．02A）； 
IO： 接地保護定值，整定范圍：（1-16），級差0．01A； UD：低電壓保護定值，整定范圍：（30-100）V，級差0．1V； бAlarm：熱報警整定值，整定范圍：（50-100）%； 

T1：發熱時間常數，整定范圍：1-9999S，級差1S； T2：散熱時間常數，整定范圍：1-9999S，級差1S； 
TG：過負荷的動作時間，是在整定的過電流下的保護出口跳閘的動作時間，整定范圍：（1-99）S，級差0．1S； 
T1：短路保護延時，整定范圍：（0-10）S，級差0．01S； T2：負序電流保護時，整定范圍：（0-10）S，級差0．1S； T0：接地保護延時，整定范圍：（0-10）S，級差0．1S； TSTART：啟動過程時間，整定范圍：（1-99）S，級差0.1S； TDZ：堵轉保護延時，整定范圍：（0-99）S，級差0.1S； TBS：閉鎖保持時間，整定范圍：（1-9999）S，級差1S； Kf：保護返回系數，整定范圍：0．90-0．99。 測量精度：電流、電壓測量誤差<1%； 時間測量誤差不大于20ms。 固有動作時間：瞬時動作<35ms。 輸入接點：DC220V，5mA 。 
輸出接點：容量：DC250，（純阻性負荷）； 工作壽命：動作105次。 
工頻耐壓及抗干擾性能：工作耐壓符合DL178-88規定，抗干擾性能符合GB6261-85《靜態繼電器及保護裝置的電氣干擾試驗》及IEC255電氣繼電器等標準。 
五、系統性能指標 
根據總體設計原則，結合計算機網絡技術、數據通信技術和計算機控制技術的發展方向，本著、實用的設計思想，監控系統系統設計應滿足下述性能指標。

1、實時性 
主控級及現地控制單元的響應能力滿足數據采集、人機通信、控制功能和系統通信的時間要求： 
(1) 數字量采集周期 <1s 
(2) 模擬量采集周期：電量<3s，非電量<20s 

(3) 事件順序記錄分辨率：≤5ms

(4) 實時數據庫更新周期 <2s

(5) 控制命令響應時間： 控制命令回答響應時間 <1s 
接受執行命令到執行控制的響應時間 <3s 報警或事件產生到畫面顯示和發出響應時間≤2s

(6) 人機通信響應時間： 
調用新畫面的響應時間：從運行人員發出一個新的畫面調用命令開始到99%畫面顯示在顯示器上為止的響應時間不超過2s。在已顯示畫面上動態數據更新周期不超過2s。 
(7) 視頻圖像響應時間： 
調用視頻圖像的響應時間：從運行人員發出一個新的圖像調用命令開始到99%圖像畫面顯示在顯示器上為止的響應時間不超過5s。

2、可靠性 
系統及其設備應能適應現狀工程的工作環境中，具有足夠高的抗干擾性能，能可靠地穩定運行。其中系統設備的MTBF參數如下(為設備投運后時間)： 
主控級計算機(含硬盤)  ＞20000h  

現地控制單元LCU  ＞40000h  
傳感器                  ＞30000h

平均修復時間            < 2h

3、可維護性 
閘門自動控制系統的硬件和軟件的設計本著便于維護、測試和檢修的原則進行： 
 (1) 設備具有自診斷和尋找故障程序，能指出具體故障部位，在現場更換故障部件后即恢復正常； 
 (2) 有便于試驗和隔離故障的斷開點；  

(3) 配備合適的安裝插卸工具；

 (4) 預防性維護能使磨損性故障盡量減少；

 (5) 互換件和不可互換件能保證識別； 

 (6) 充分提高硬件的代換能力；

 (7) 軟件能方便地進行修改和增加； 
 (8) 平均故障修復時間（MTTR）在2小時以內。（系統維護在模 
塊級或板卡級進行，通過配備必要的備品備件，以及相關的技術培訓，現場運行人員就能勝任相應的維護工作）

4、可用率 
采用高可靠性組件構成的計算機系統，實時操作系統具有實際運行經驗，軟件實用，能達到較高的系統可用率。

5、CPU負載率 
主控級計算機的處理能力留有充分的裕度，能力儲備在50％以上，現地控制單元CPU的能力儲備在40%以上。

6、系統安全 
1）系統具有下列保證操作安全的措施 
（a）對系統各項功能和每一次操作提供檢查和校核，發現有誤時能報警和撤消。 
（b）當操作有誤時，能自動或手動地被禁止并報警。

（c）對任何自動或手動操作可作存儲記錄或作提示指導。

（d）在人機通信中設操作員控制權口令。 
（e）按控制層次實現操作閉鎖，其優先權順序為：現地控制單元級高，中控室第二，操作員工作站第三，其它如管理處管理系統及其它上級管理系統與本系統之間除能進行數據和信息的調用外，還能通過授權實現相應的遠控操作（注：優先權級別可根據需要進行修改）。 
2）系統具有下列保證通信安全的措施 
（a）系統設計保證信息傳送中的錯誤不會導致系統關鍵性故障。

（b）主控級與現地控制單元的通信包括控制信息時，能對有否響應做出明確肯定的指示。當通信失敗時，考慮2-5次重復通信并報警。 
（c）信道設備上提供適當的檢查手段，以證實信道正常。

3）系統具有下列保證硬件、軟件安全的措施

（a）有電源故障保護和自動重新啟動。 

（b）有自檢能力，檢出故障時能自動報警。 
（c）任何硬件和軟件的故障都不會危及系統的完善和人身的安全。系統中任何單個組件的故障不會造成生產設備的誤動。

7、網絡帶寬 
考慮到圖像傳輸的要求，局域網內部帶寬為100Mbps，與上級主管部門連接的通信主干網帶寬應在2Mbps以上。   
已經購買了部分歐姆龍的PLC-CPU和I/O模塊，因此，PLC優先考慮使用歐姆龍，也可選用GE、施耐德等其他品牌。 
 根據需求，請給出所有設備清單（品牌、型號、數量、單價、產地），具體實施計劃，工作內容，合作費用，簽訂協議后，立即進入實施狀態。待設備采購完畢后，上門調試。與本文相關的論文有：油氣改革拉升閥門行業