闸门自动监控系统实施方案1102.docx

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闸门自动监控系统实施方案1102

宁夏盐环定扬水管理处

干渠闸门测控一体化实施方案

二○一四年五月

第一章项目概况

1.1项目背景

陕甘宁盐环定扬黄续建工程共用工程于1988年7月开工建设，1996年9月通过竣工验收并投入使用。

共用工程渠道123.8km。

本方案拟对工程干渠沿线35个直开口进行工程改造。

项目实施之后，实现盐环定扬水管理处调度中心对各斗口的水闸进行远程自动控制和实时监测。

根据实际需要，第一期拟实施项目5座直开口，计划于5月中旬建设，其余30座直开口于第二期拟建设。

1.2需求分析

目前盐环定支渠上的闸门都是手动操作，给调度中心和各泵站的运行管理带来了极大的不便：

一方面需要投入人力去操作，另一方面不能准确的监测到闸门的开启闭合状态。

闸门远程自动化监控系统可以很好的解决上述问题，本系统以“无人值守”为设计原则，采用SCADA系统结构，通过传感技术，自动化控制技术，网络通信技术进行自动控制和监测。

由于盐环定各泵站到调度中心已采用光纤通讯，所以本项目的闸门控制系统可利用原有的光纤与就近的各个泵站建立通讯，再由泵站将闸门的相关数据传输至调度中心。

第二章设计依据与原则

2.1设计依据

考虑到一些关键性问题和固有特点，我们提供用户的方案应该尽量采用国际上先进而成熟的无线网络技术和标准的网络协议（TCP/IP、CSMA/DS、SNMP）等，坚持开放性，采用国际标准（如ISO、CCITT、IEEE）、国家标准、工业标准等。

1、遵循标准

在网络通讯中，我们为了保证网络整体的运行可靠和保持可兼容性、可扩展性，我们严格遵循：

IEEE802.310BASE-T；

IEEE802.3uEthernet（100BASE-T）；

ANSIFDDI/TPDDI100Mbps；

IEEE802.11a/b/g/n。

2、安装与设计规范

通信工程系统防雷技术规定

中国网络通讯工程化协会规定的标准“网络通讯系统工程施工及验收规范”

计算机网络建设标准

2.2设计原则

为了确保用户的投资利益与应用需求，我们在系统设计时充分考虑到系统的先进性、实用性、可扩充性和可维护性,保证系统运行的可靠与安全保密，建立经济合理、资源优化的系统。

1、先进性原则

硬件与协议透明：

在有线网方面，符合IEEE802.3标准。

可以顺利的和其他网络连接。

2、实用性原则

设备接口与网络操作系统的透明性，无论对系统现行安装与今后的需求扩展都提供方便性与可操作性。

3、可扩充性原则

组网后如果需要增加新点，不需要对正在使用的设备做任何改动，只需要做新增加的设备的安装即可。

4、可靠性原则

抗干扰性强、故障率低、接收灵敏度高、室外安装防风雨老化性要强、要有很强的抗高低温能力。

5、经济性原则

所使用产品具有一次性投资永远受益的特点,建立网络系统时要最大限度地提高资金的利用率，使其具有方便、经济的扩充和裁减的功能。

第三章方案设计

3.1总体设计

本系统采用光纤数据传输技术，通过光纤传输设备构成一个通讯网络，对闸门的数据信息进行采集、处理、传输和控制。

对原有量水堰进行标准化翻建，并在量水堰旁修建一个测水井，测水井与量水堰相通，测井内安装一个投入式液位计，用于检测量水堰的水位。

启闭机配套整体式电动执行机构，电动执行机构可在本地手动控制闸门的启闭，手动分为两种：

一种是在没有电的情况下用专用工具手动启闭闸门；另一种是在有电的情况下在启闭机的控制面板上进行手动操作。

同时电动执行机构可以准确的测量出闸门的启闭高度。

与传统的电机配套皮带或者电机配套减速机相比，电动执行机构能够精确的使阀门/闸门走到任何位置，除了简单的开关功能，还包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。

电动执行机构可增强工作安全性能和环境保护性能。

现场配套一套PLC控制箱，PLC控制箱可采集启闭机运行、停止、故障、远控等开关量信号以及闸门的开度值和量水堰液位等模拟量信号，同时PLC控制箱可根据上位（后台工控机）发出控制信号，实现闸门的开度调节。

传输设备选用视频光端机，可将PLC信号接入，并传输至泵站，进入整体监控系统中，同时预留视频接口，具有可扩展性。

3.2系统组成

针对闸门自动控制系统的控制需求，我们采用基于远方调度中心集中控制、泵站站级自动控制和现地手动控制相结合的三层控制体系结构。

闸门现地控制层分别由电动执行机构和液位计组成，进行各种数据采集与现场控制，并且将处理结果通过光纤网络传输至站级控制系统。

PLC控制器是站级控制系统的核心，PLC可在控制程序中实现很强的逻辑控制功能，同时运行速度快，抗干扰能力强。

是自动控制（联动，连锁控制及逻辑控制）首选。

同时PLC通过以太网络与站级控制计算机连接，而站级可以根据中央控制级的指令及时调整控制策略。

系统结构图如下：

每个PLC控制站监视内容包括：

●闸门/阀门运行状态；如手动/自动、运行/停止、远方/现地等状态。

●闸门/阀门开度信息；如上升、下降、位置等。

●设备状态；如启闭状态、行程限位开关状态。

●液位；量水堰液位。

●报警信息；如报警类型、报警时间等。

3.3控制说明

根据工艺过程的要求和设备特点，需要控制的电气设备分为本地、站级、调度级三种控制方式：

第一，现地控制：

现地手动操作为最高优先级，电动执行机构上有现地/远程切换按钮，当处于现地控制模式时，操作人员可以根据工艺情况直接对闸门进行启闭的操作。

该控制方式作为一种后备方式存在，但有最高的优先权。

当电动执行机构的控制方式处于现地操作时，上级的控制干预将被屏蔽。

第二，站级控制：

站级控制系统是由站级计算机和PLC控制系统组成，当电动执行机构可通过工控机对闸门进行站级控制，能够监测闸门控制箱所有信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录调度员发出的本站设备调节及控制命令信息。

远程控制，可实现对闸门手动启闭控制，也可设定一开度值，与当前开度值进行比较，由PLC控制系统自动给出启闭指令，当到达目标值自动停止当闸门控制柜接收到启、闭指令后，首先进行判断，如指令正确则按给定开度控制电动机启动，同时电动执行机构获取闸门位置，在此过程中，若闸门超出上下移动范围，立刻终止电动机运作，保护闸门不被损坏，完成操作指令后电动机停止，同时通过光纤传输向站级控制系统和调度中心返回启闭高度结果。

第三，调度级控制：

调度中心控制是对系统远程调度的方式，能够监测闸门监测点的信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录中心调度员工作站发出的各泵站设备调节及控制命令信息，还可以根据量水堰中的水位以及各个泵站的运行情况协调控制相关闸门的启闭，在工况允许的情况下，调度中心控制层上位机上可以直接对闸门控制箱进行操作，实现远程集中控制。

根据采集的信息，上位机可以建立各类信息数据库并对各类工艺参数值做出趋势曲线（含历史数据），供调度员分析比较，改进管理方法，提高经济效益。

闸门控制主画面

闸门控制画面

3.4电源设计

闸门自动化控制系统需要考虑电源的供给，目前闸门为手动控制，都还没有电源，而每个点的取电距离长短不一，有的较短，可以用市电，启闭机用交流供电。

而有些点距离较远，用市电成本太高，同时电压的压降很大，用太阳能供电是更好的选择，启闭机用直流供电。

根据工程经验，当供电距离超过500米，压降很大，不适宜再用市电来做控制。

因此以500米为界限，距离在500米以下用市电，500以上的用太阳能供电。

1、市电

市电用直埋或者架杆两种方式，根据现场情况而定。

用市电的情况下，同沟敷设光缆。

2、太阳能供电

闸门现地供电设备主要是闸门启闭机/电动蝶阀、PLC、触摸屏、摄像机（预留）、视频光端机等。

用电量如下表所示：

序号

负载名称

规格描述

单位

数量

每天工作时间（H）

每天耗电量（WH）

1

摄像机（预留）

30W/12VDC

套

1

24

720

2

红外（预留）

15W/24VDC

套

1

12

180

3

加热器（预留）

5W/24VDC

套

1

24

120

4

视屏光端机

5W/24VDC

套

1

24

120

5

PLC控制系统

15W/24VDC

套

1

24

360

6

电机

500W/24VDC

套

1

0.5

250

总计

1750（约1.8度电）

相应的太阳能供电系统配置如下：

序号

产品名称

描述

单位

数量

1

太阳能电池组件

SUNPOWER，180Wp/24V,单晶硅.

块

4

2

太阳能充电控制器

德国Steca，PRS3030（30A/24V,LED显示）德国原装进口。

台

1

3

铅酸免维护蓄电池

EWS200-12（200AH/12V）

块

4

4

太阳能支架

热镀锌钢铁支架

套

1

5

汇流箱

4进1出防雷汇流箱

套

1

6

配电柜

特配，内放配电及蓄电池

套

1

7

大功率继电器

大功率继电器（启动500W电机）

套

1

8

电缆及辅料

铜芯

套

1

下图为太阳能供电现场图片。

本期项目将蓄电池和PLC控制箱以及网络传输设备安装到各个直开口建立的斗门房中。

3.4建设内容

本期为第一批建设，共建设6个点，分别为：

果园、五里坡、老盐池南1#、潘儿庄、大庄子、小庄子。

需建设6套自动化控制系统，分别为：

1）果园斗口闸门控制系统

2）五里坡斗口闸门控制系统

3）老盐池南1#斗口闸门控制系统

4）潘儿庄闸门控制系统

5）大庄子斗口闸门控制系统

6）小庄子斗口闸门控制系统

建设内容为：

1）光纤开沟、敷设及熔接；

2）投入式液位计安装；

3）PLC控制箱的制作安装；

4）启闭机的安装；

5）太阳能供电系统安装；

6）量水堰改造；

7）支渠翻建；

8）斗门更换（含门框、防盗门）；

3.5技术特点

与传统闸门控制对比,PLC控制系统具有以下特性：

*技术先进，稳定可靠，闸门定位精度高，避免了人为误操作等可能造成的设备损坏工业自动化网，增强了系统运行的安全性，可以保证系统稳定可靠地运行。

*实现远程监控。

PLC控制器在水闸启闭系统中,通过网络传输,可以实现远程中央计算机的监控。

*界面直观,操作简单，全中文界面,使操作更加人性化，便于闸门控制系统操作人员直观掌握闸门启闭状态信息。

*开放性。

该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线和接口,同时各控制站均留有PLC的I/O余量,以便于以后系统的改造和扩展。

*减轻了职工的劳动强度。

本设计方案实现集控室的远程监视并相应进行相应操作即可，现场不需值班人员，只需不定期巡视，减少了职工的所需数量和劳动强度，达到减员增效的目的。

3.6设备选型

1、PLC控制器

本方案选用施耐德的TWIDO系列PLC，技术特点：

TWIDO系列的一体型可编程控制器以紧凑的结构 （80/157x90x70mm） 为用户提供了一种“all-in-one（一切尽在其中）”的解决方案。

有8种一体型本体控制器可选用，它们在处理能力和直流24V 输入以及继电器和晶体管输出的数量 （10个、16个、24个或 40个 I/O） 方面有所区别。

一体型本体控制器具有以下特点:

*尺寸小巧，但提供了有效的 I/O 数量 （多达 40 个），因此减小了应用中控制台或面板的尺寸，在有些应用里其所占空间是一个很重要的因素。

*多种扩展模块和可选插件为用户提供了很高的灵活度

*显示模块和存储可选模块插件允许对应用程序进行方便的调整、传输和备份

*TwidoSoft软件允许使用指令表语言或梯形图语言方便地进行编程。

它使用的对象和指令与Nano可编程控制器的 PL7-07软件所使用的相同。

通过导入ASCII 文件，TwidoSoft软件允许已有的NanoPLC应用程序在 Twido控制器上重新使用。

*一体型控制器在前面板上带有 2个模拟电位器 （10 或 16个I/O 的本体控制器只带一个）。

2、投入式液位计

本方案采用昆仑海岸公司的投入式液位计：

*输出形式：

4mA～20mA，0V～5V

*供电电源：

DC24V（12V～32V）

*准确度：

±0.5％F·S□±0.25％F·S

*介质温度：

－20℃～70℃

*响应时间：

≤100ms

*负载能力：

电流型≤500Ω（不带显示）≤250Ω（带显示），电压型：

输出阻抗250Ω

*可重复性：

±0.1％F·S

*长期稳定性：

±0.1％F·S/y

*非线性：

±0.2％F·S

*热力零点温漂：

±0.03％F·S/℃

*过载压力：

2倍量程

*电气连接：

电缆连接

*测量介质：

油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质。

*防护等级：

IP68

3、太阳能供电系统

1）太阳能电池板组件：

SUNPOWER,TSM-160M

TSM-160M太阳能电池组件是由72片125mm×125mm晶体硅电池片串联组成，产品性能严格按照IEC61215Ed.2,IEC61730国际标准进行生产。

TSM-160M太阳能电池组件包括165WP、170WP、175WP、180WP等规格，也可按照各户的特殊定做。

特点和优势

*高透光率低铁钢化玻璃

*抗老化EVA，优良的耐侯行背膜

*阳极化优质铝合金边框

*效率高，安全高，安装方便，抗风，抗冰雹

*高转化效率

应用范围

*大型并/离网发电站

*商业/工业建筑屋顶发电系统

*住宅屋顶发电系统

*偏远地区供电系统

*其他工业/商业用途

安装

组件安装应朝南（北半球）或朝北（南半球）。

串联的光伏组件应安装同一方向和角度，不同方向和角度安装由于阳光辐射角度的差异将导致能量损失。

规格

电池片单晶125mm×125mm

电池片的数量及连接方式72片（6×12）

重量17KG

产品尺寸1580×808×40（mm）

包装箱尺寸1645×878×110（mm）/2块

托盘尺寸1670×930×135（mm）38块

执行生产标准IEC61215Ed.2,IEC61730

ROHS指令IECQ认证

电性能参数

功率165WP170WP175WP

开路电压43.7V43.9V44.0V

工作电压35.0V35.5V36.0V

短路电流5.14A5.25A5.40A

工作电流4.71A4.79A4.79A

单片效率15.5%16.0%16.5%

绝缘电阻

100MΩ

系统耐压1000V

耐压AC2000DC3000

熔丝电流10A

组件测试条件：

辐照度1000w/㎡，组件温度25˚C，AM=1.5。

物理性能参数

工作温度-40˚Cto+90˚C

贮藏温度-40˚Cto+90˚C

承压

2400Pa

承风

5400Pa

冰雹撞击测试能承受225克钢珠从1m高度坠落

温度系数

NOCT45˚C

2˚C

短路电流温度系数+0.05%˚C

开路电压温度系数-0.34%˚C

功率温度系数-0.05%˚C

功率偏差

3%

2）太阳能充放电控制器，德国Steca，PRS3030（30A/24V,LED显示）

StecaPRS（新款）系列太阳能充放电控制器，是2008年Steca公司依据世行新标准（开路式保护）开发出来的第五代充放电控制器。

控制器以自检的方式通过新型LED显示所有的系统状态；中央集成Athon处理器为控制器提供了多种功能；该类型控制器采用了最新的技术，为蓄电池提供了更多的保护装置。

系统根据蓄电池充电状态自动地进行科学精确的计算，并显示相应的测量值，可自动识别蓄电池的工作年限及容量，SOC控制是所有控制的基础，新型的多功能控制器比传统的控制系统更为有效，控制器附带的电子保险为用户提供了更为简易的操作。

功能

*监控蓄电池充电状态

*控制充电进程

*连接/断开负载

保护功能

控制器所拥有的以下综合的保护功能，可以确保蓄电池工作正常，并延长其使用时控制器所拥有的以下综合的保护功能，可以确保蓄电池工作正常，并延长其使用寿命。

以下的保护功能为控制器应具备的基本功能：

*过冲保护

*深放电保护

*蓄电池低压保护

*太阳能电池组件反接保护

*太阳能电池组件短路，太阳能电池组件极性错误

*负载输出端短路，负载电流过大

*蓄电池极性错误

*太阳能电池组件电流过大

*控制器过温

*负载输出端电压过高

*连接顺序错误

4、启闭机电动执行机构

SMC多回转型阀门执行机构

基本参数

动力电源：

AC380V、AC220V、DC24V等。

外壳防护等级：

IP65

使用环境温度：

-20°C～40°C；

环境相对湿度＜90%（25°C时）

无强烈震动工况

5、视频光端机

视频光端机选用广州光桥产品。

*可通过一根光纤同时传输一路视频（一用一备）、以及两路双向数据信号；

*视频质量可达到广播级标准，音频质量可达到CD级，支持RS-232、RS-422、RS-485（2/4线）及曼码等数据通讯格式和以太网连接；

*可通过专用电话传输模块，直接传输电话信号；

*可通过专用开关信号传输模块，直接传输开关信号；

*可采用独立式或机架式结构安装；

*可在环境温度-40℃～+75℃、工作湿度0～95%（无冷凝）的状态下正常工作，具备防尘、防盐雾、防酸雾等性能，完全适用于工作条件更苛刻的野外环境。

第四章工程预算

4.1设备清单

1、果园斗口闸门控制系统（市电）

序号

货物名称

单位

单价（元）

数量

总价（元）

备注

1

投入式液位计

台

3200

1

3200

北京昆仑海岸，6米量程，JYB-G

2

视频光端机

对

2800

1

2800

广州光桥GQ6001V2D，1路视频（预留做摄像头视频接口）+2路双向数据（1路预留做摄像头数据接口）+1路单模光口

3

PLC控制柜

套

8000

1

8000

施耐德twidoPLC：

TWDLCDA10DRF+TM2AMM3HT

4

光缆

米

10

15

150

国产，单模16芯

5

光缆

米

6

30

180

国产，单模4芯

6

光纤接头盒

个

300

3

900

国产

7

光缆施工

套

5000

1

5000

光缆敷设、熔接

8

启闭机

套

30000

1

30000

兰州时昶，配套SMC系列多回转电动执行机构，交流供电

9

信号电缆

米

6

70

420

国产，RVVP2x1.0

10

信号电缆

米

10

10

100

国产，KVVP4x1.5

11

信号电缆

米

18

10

180

国产，KVVP7x1.5

12

电源线

米

20

100

2000

国产，RVV3x4+1x2.5

13

电源电缆施工

米

30

100

3000

电源电缆敷设

14

线管及附材

套

2500

1

2500

钢管、水泥、金属软管等

15

量水槽改造

套

10877

1

10877

详见盐环定扬水管理处量水堰改造工程项目预算表

16

支渠翻建

处

6500

1

6500

详见盐环定扬水管理处量水堰改造工程项目预算表

17

斗门更换（含门框，防盗门）

套

2500

1

2500

规格：

60*80

18

安调

套

5500

1

5500

信号电缆、液位计、PLC控制柜、启闭机等设备安装和系统调试

总价

83807

2、五里坡斗口闸门控制系统（市电）

序号

货物名称

单位

单价（元）

数量

总价（元）

备注

1

投入式液位计

台

3200

1

3200

北京昆仑海岸，6米量程，JYB-G

2

视频光端机

对

2800

1

2800

广州光桥GQ6001V2D，1路视频（预留做摄像头视频接口）+2路双向数据（1路预留做摄像头数据接口）+1路单模光口

3

PLC控制柜

套

8000

1

8000

施耐德twidoPLC：

TWDLCDA10DRF+TM2AMM3HT

4

光缆

米

10

15

150

国产，单模16芯

5

光缆

米

6

40

240

国产，单模4芯

6

光纤接头盒

个

300

3

900

国产

7

光缆施工

套

5000

1

5000

光缆敷设、熔接

8

启闭机

套

30000

1

30000

兰州时昶，配套SMC系列多回转电动执行机构，交流供电

9

信号电缆

米

6

100

600

国产，RVVP2x1.0

10

信号电缆

米

10

10

100

国产，KVVP4x1.5

11

信号电缆

米

18

10

180

国产，KVVP7x1.5

12

电源线

米

20

300

6000

国产，KVVP2x1.5

13

电源电缆施工

米

30

300

9000

14

线管及附材

套

2500

1

2500

钢管、水泥、金属软管等

15

量水槽改造

套

10877

1

10877

详见盐环定扬水管理处量水堰改造工程项目预算表

16

支渠翻建

处

6500

1

6500

详见盐环定扬水管理处量水堰改造工程项目预算表

17

斗门更换（含门框，防盗门）

套

2500

1

2500

规格：

60*80

18

安调

套

6000

1

6000

信号电缆、液位计、PLC控制柜、启闭机等设备安装和系统调试

总价

94547

3、五里坡生态移民斗口闸门控制系统（太阳能）

序号

货物名称

单位

单价（元）

数量

总价（元）

备注

1

设备立杆

根

15000

1

15000

国产金属杆，6米金属杆，Φ165基础1立方米，安装太阳能光伏板

2

投入式液位计

台

3200

1

3200

北京昆仑海岸，6米量程，JYB-G

3

视频光端机

对

2800

1

2800

广州光桥GQ6001V2D，1路视频（预留做摄像头视频接口）+2路双向数据（1路预留做摄像头数据接口）+1路单模光口

4

PLC控制柜

套

8000

1

8000

施耐德twidoPLC：

TWDLCDA10DRF+TM2AMM3HT

5

太阳能供电系统

套

20000

1

20000

太阳能电池组件：

SUNPOWER，180w，4块；太阳能充电控制器：

德国Steca，PRS3030；铅酸免维护电池:

EWS200-12（200AH/12V）,4块。

预留视频系统容量

6

光缆

米

10

15

150

国产，单模16芯

7

光缆

米

6

40

240

国产，单模4芯

8

光纤接头盒

个

300

3

900

国产

9

光缆施工

套

5000

1

5000

光缆敷设、熔接

10

启闭机

套

30000

1

30000

兰州时昶，配套SMC系列多