亞控科技軟件在臺(tái)灣中港抽水站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

北京亞控科技發(fā)展有限公司 顧 懿

1 背景

臺(tái)灣省臺(tái)北縣新荘市中港地區(qū)由于地勢(shì)低洼，貴子坑溪和中港大排兩大排水干線的大水都流向這里，導(dǎo)致附近民眾長(zhǎng)期以來深受水患，尤其是當(dāng)臺(tái)風(fēng)來襲會(huì)在短時(shí)間內(nèi)帶來大量降水，由于排水能力不夠更會(huì)造成該地區(qū)大范圍淹水，災(zāi)情相當(dāng)嚴(yán)重。

上世紀(jì)80年代初，臺(tái)北縣政府為了解決淹水問題，修建了中港西抽水站，設(shè)置了8個(gè)抽水機(jī)組，總抽水量達(dá)64CMS，用以收集新荘、泰山、五股地區(qū)流經(jīng)的雨水，包括臺(tái)一線公路以北，中山高速公路以南之低洼平地，集流面積廣達(dá)1,660公頃。主要以新荘市區(qū)及五股工業(yè)區(qū)為主，將新荘市中港、輔仁、泰山及五股低洼地，經(jīng)中港及貴子坑溪兩大排水干線匯集于五股工業(yè)區(qū)西北角，排至大窠坑溪，平時(shí)雨水少的季節(jié)，均以重力自然排水；并于出口處設(shè)立中港西抽水站，當(dāng)雨季尤其是臺(tái)風(fēng)季節(jié)來臨，大窠坑溪水位高漲后比排水干道的集水區(qū)水位高時(shí)，重力閘門關(guān)閉并通過中港西抽水站進(jìn)行機(jī)械排水，以達(dá)到快速排除市區(qū)水澇的問題。

由于長(zhǎng)期的泥沙沉積，造成大窠坑溪河床已經(jīng)高于堤防內(nèi)的中港大排，所以已經(jīng)不能靠重力排水方式將中港大排的水排入大窠坑溪，但是因?yàn)橹懈畚鞒樗具M(jìn)水的水力條件不是很好，也使得中港西抽水站的排洪效果不能達(dá)到原始設(shè)計(jì)的期望成果，因此每逢細(xì)雨整個(gè)新荘地區(qū)都依賴中港西抽水站機(jī)械排水。中港西抽水站的建成雖然一定程度上緩解了水患，可是中港抽水站附近區(qū)域的土地未來將成為臺(tái)北的新都心，臺(tái)北縣政府也已經(jīng)在正式開發(fā)周遭的土地，因此由于中港西抽水站抽水能力明顯不足，附近地區(qū)在暴雨期間仍然經(jīng)常淹水。

為永久解決新荘地區(qū)的水患，臺(tái)北縣政府于2004年陸續(xù)擴(kuò)建了中港西抽水站，增建了中港東抽水站，并制定了以下目標(biāo)：

（1）擴(kuò)增中港西抽水站的抽水容量，增加兩部10CMS抽水機(jī)組。增建中港東抽水站，兩部5CMS的沉水式抽水機(jī)，4部13CMS的軸流式抽水機(jī)，共計(jì)146CMS，以徹底解決水患；

（2）收集并整合中港東、西兩個(gè)抽水站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，并實(shí)時(shí)顯示于中港東、西站控制室內(nèi)設(shè)立的水情展示及監(jiān)控系統(tǒng)中，以達(dá)到東、西兩站聯(lián)合操作的效果；

（3）構(gòu)建中港東、西兩個(gè)抽水站集水區(qū)水位、流量、雨量GPRS無線采集系統(tǒng)，為類神經(jīng)水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)水位、流量、雨量數(shù)據(jù)，類神經(jīng)水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)提供抽水站前池水位未來5分鐘、10分鐘及30分鐘的水位預(yù)測(cè)，警示功能。

2 項(xiàng)目規(guī)模

增擴(kuò)建后，中港東西兩站抽水機(jī)組總數(shù)為16部，重力閘門24扇，粗格柵12臺(tái)，細(xì)格柵14臺(tái)及其他相關(guān)引水閘門、冷卻水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備。

除上述設(shè)備之外，中港東及中港西上游增設(shè)了6個(gè)流量站、6個(gè)水位站、4個(gè)雨量站，并且配備類神經(jīng)水情預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)上游水情變化趨勢(shì)。

經(jīng)過擴(kuò)建后的中港抽水站，總抽水容量達(dá)146CMS（遠(yuǎn)高于目前所需求的134CMS），也就是525600噸/小時(shí)，抽水能力非常之大，完全可以達(dá)到快速排澇的效果。如圖1、圖2是增擴(kuò)建后的中港東西兩站平面圖。

圖1 中港東抽水站平面圖

圖2 中港西抽水站平面圖

3 項(xiàng)目業(yè)主、集成商、設(shè)計(jì)院

（1）業(yè)主：臺(tái)北縣政府

（2）監(jiān)造單位：萬銘工程科技股份有限公司

（3）總承攬商：信大環(huán)境工程股份有限公司

（4）系統(tǒng)集成：英碩系統(tǒng)科技股份有限公司

4 項(xiàng)目主要軟硬件產(chǎn)品

4.1 主要硬件產(chǎn)品

PLC：貝加萊B&R

工控機(jī)：研華工控機(jī)

服務(wù)器：IBM服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：MOXA網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

4.2 主要軟件產(chǎn)品

SCADA軟件：北京亞控King View繁體中文版

工業(yè)庫(kù)軟件：北京亞控King Historian英文版

水情預(yù)測(cè)軟件：臺(tái)灣大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室

5 項(xiàng)目挑戰(zhàn)

5.1 水情預(yù)測(cè)方面

本次項(xiàng)目擴(kuò)建后，基于過去的經(jīng)驗(yàn)，臺(tái)北縣政府深刻感受到監(jiān)控系統(tǒng)缺乏水情預(yù)測(cè)是一個(gè)很大的缺失。因此本次擴(kuò)建目標(biāo)中明確提出要增加水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)，即水位流量預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，以做到防患于未然。

水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)要求必須提供一套成熟的水情預(yù)測(cè)分析雛形系統(tǒng)，確保證實(shí)水位預(yù)測(cè)的可行性，逐步實(shí)施第二期及第三期計(jì)劃，第三期實(shí)施完成后預(yù)期達(dá)到整個(gè)抽水站根據(jù)預(yù)測(cè)資料實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)操控，以減少人力支出及人為造成的事故。

為達(dá)成上述目標(biāo)，必須要有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐：以大量、快速存取現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)行長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)的分析提供足夠的數(shù)據(jù)資源；同時(shí)要考慮數(shù)據(jù)量較大，實(shí)時(shí)性較高時(shí)對(duì)系統(tǒng)資源的占用問題、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，必須要嚴(yán)格考慮。

2007年實(shí)施的原電腦監(jiān)控系統(tǒng)使用的是Honeywell組態(tài)軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)是Honeywell組態(tài)軟件自身的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，已經(jīng)完全不能滿足上述對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期大量存儲(chǔ)、分析的要求。

5.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控方面

本項(xiàng)目增擴(kuò)建后，在設(shè)備種類和數(shù)量繁多、設(shè)備控制流程復(fù)雜、實(shí)時(shí)采集監(jiān)控點(diǎn)數(shù)達(dá)3000多點(diǎn)的情況下，必須采取可靠的監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)，才能確保抽水機(jī)組在惡劣的臺(tái)風(fēng)天氣能夠正常連續(xù)運(yùn)行，確保當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。

本項(xiàng)目明確要求：上位監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠即時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、即時(shí)記錄所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)信息、即時(shí)記錄各設(shè)備故障信息和產(chǎn)生的報(bào)警信息；可隨時(shí)查詢某一段時(shí)間內(nèi)各抽水機(jī)組中關(guān)鍵點(diǎn)的工作情況，需提供基于水位等的各種重要監(jiān)測(cè)信息的分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表；不允許系統(tǒng)出現(xiàn)停止監(jiān)控的情況發(fā)生，不允許有任何信息的遺失。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢的功能、性能要求都極高，要求有方便的報(bào)表查詢系統(tǒng)的支持，而該抽水站原有的軟件監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表查詢。

6 解決方案

為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建后的中港抽水站達(dá)到想要的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)目標(biāo)和及時(shí)提供水位流量的預(yù)測(cè)結(jié)果，臺(tái)灣英碩系統(tǒng)股份有限公司作為本項(xiàng)目實(shí)施的系統(tǒng)集成商，決定選用北京亞控科技組態(tài)王軟件King View和工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件King Historian，以此來構(gòu)建整個(gè)抽水站的監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)和臺(tái)北大學(xué)水工研究所合作完成水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建和結(jié)果預(yù)告。該系統(tǒng)解決方案融合了現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、SCADA/HMI技術(shù)、C/S技術(shù)等的一體化的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案。

6.1 完整的解決方案架構(gòu)圖

中港抽水站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 中港抽水站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案圖

（1）為保障項(xiàng)目安全可靠，本監(jiān)控系統(tǒng)全部采取冗余配置體系。

所有的PLC與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)均采用雙網(wǎng)絡(luò)連接通訊，這種連接方式避免了單一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳到監(jiān)控中心的弊端。當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)通訊中斷時(shí)，通過PLC自動(dòng)切換到從網(wǎng)，保證通訊鏈路不中斷，為系統(tǒng)不間斷采集提供了可靠性保障。

上位監(jiān)控軟件組態(tài)王也采用了雙機(jī)熱備配置；其構(gòu)造思想是主機(jī)和從機(jī)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，正常情況下主機(jī)處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)跟I/O設(shè)備通訊完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控；從機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦從機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)異常，從機(jī)將會(huì)在很短的時(shí)間之內(nèi)代替主機(jī)，完全實(shí)現(xiàn)主機(jī)的功能。

（2）工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)King Historian和水情分析預(yù)測(cè)雛形系統(tǒng)充分結(jié)合，是水位預(yù)測(cè)高準(zhǔn)確性的關(guān)鍵措施。

? King Historian是北京亞控科技發(fā)展有限公司面向現(xiàn)代化制造型企業(yè)推出的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，具有以下特點(diǎn)：

? King Historian可以在線連續(xù)存儲(chǔ)，并達(dá)到15萬條記錄/秒的存儲(chǔ)速度；King Historian單客戶端單點(diǎn)查詢速度達(dá)到平均20萬條記錄/秒, 256個(gè)客戶端并發(fā)查詢，每秒可達(dá)2萬條記錄；King Historian穩(wěn)定支持256客戶端并發(fā)查詢。

? King Historian單臺(tái)服務(wù)器可支持100萬點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

? King Historian數(shù)據(jù)壓縮可壓縮掉25%～95%的數(shù)據(jù)，具有超大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的歷史數(shù)據(jù)保存和歸檔。

? King Historian具有高可用性、高容錯(cuò)性（健壯性）和高可靠性，支持雙機(jī)冗余配置。

? King Historian支持開放的數(shù)據(jù)訪問接口OLEDB（ADO）、SQL-92（99）、XML、OPC標(biāo)準(zhǔn)，可與其他系統(tǒng)方便交互實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)。

類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是臺(tái)灣大學(xué)水工所推出的一款基于水位預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要原理是模仿人類神經(jīng)系統(tǒng)(能夠大量且平行式處理各種數(shù)據(jù)信息)，而設(shè)計(jì)出了一套水位分析預(yù)測(cè)模型。其建構(gòu)模式就是建構(gòu)過程中需對(duì)輸入資料信息做相關(guān)性分析，以確認(rèn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位與流量、水位與雨量間的相互關(guān)系，以此來預(yù)測(cè)下一時(shí)刻關(guān)鍵地區(qū)水位的情況。該系統(tǒng)經(jīng)過多年的項(xiàng)目運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和不斷修正，目前水位預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度得到業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可。

（3）完善的基于分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，督導(dǎo)單位可使用3.5G的GPRS無限網(wǎng)絡(luò)通過VPN方式可隨時(shí)隨地掌握抽水站運(yùn)營(yíng)實(shí)況。

（4）水情預(yù)測(cè)分析結(jié)果隨時(shí)以短信方式按不同權(quán)限發(fā)送給臺(tái)北縣政府及水利署河川局及新莊事公所指定人員，以方便他們隨時(shí)向抽水站提供技術(shù)支援。

7 運(yùn)行效果

中港抽水站自動(dòng)化系統(tǒng)于2009年2月開始運(yùn)行測(cè)試，同年3月正式啟用。北京亞控組態(tài)王和King Historian軟件在中港東、西抽水站成功應(yīng)用以后，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)抽水站所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能實(shí)時(shí)顯示水情信息及完成水情預(yù)測(cè)和通知，方便了抽水站人員對(duì)設(shè)備的操作和維護(hù)，更為臺(tái)北縣政府解決當(dāng)?shù)孛癖姷难退畣栴}提供了可靠的保證。

臺(tái)灣內(nèi)政部長(zhǎng)李逸洋指出，中港東抽水站的及監(jiān)控系統(tǒng)的全面啟用，是新莊市民一大福音，中港大排東西抽水站的總抽水量，僅次于臺(tái)北市的玉成抽水站，抽水防洪系統(tǒng)相當(dāng)完善。