“500”供水閘聯(lián)動穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)用分析

賈 輝，徐 青，倪 健

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000;2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003)

新疆“500”水庫屬于農(nóng)田灌溉和城鄉(xiāng)生活用水綜合利用的大 (2)型水庫，周邊工業(yè)園區(qū)是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略中西電東送及煤化工的重要能源基地，為滿足工業(yè)園區(qū)及周邊用戶不間斷增長的用水需求，設(shè)計一套安全可靠、高效節(jié)能的自動化供水系統(tǒng)尤為重要。通過“500”水庫供水閘聯(lián)動穩(wěn)控及水務(wù)綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“500”水庫出口放空涵工作門與出口前池水位、流量的聯(lián)動控制。

通過系統(tǒng)建設(shè)，達(dá)到減少水資源浪費(fèi)、保證供水安全、有效提高閘門啟閉系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和自動化水平，實(shí)現(xiàn)對放空涵閘門指令控制和運(yùn)行工況的實(shí)時過程監(jiān)視、探查預(yù)報系統(tǒng)設(shè)備存在的隱患、公平計量供水量，為減輕運(yùn)行維護(hù)人員勞動強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)智能化供水起到積極作用［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

利用比較成熟的自動控制、計算機(jī)、傳感器等技術(shù)，結(jié)合“500”水庫放空涵閘門運(yùn)行特點(diǎn)建立水庫供水、水量計量及信息管理的供用水軟硬件平臺?！?00”水庫供水閘聯(lián)動穩(wěn)控及水務(wù)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計充分考慮了以下8個設(shè)計原則:

(1)集成技術(shù)成熟原則。系統(tǒng)之間采用國際標(biāo)準(zhǔn)接口，留有充分的擴(kuò)展余量，確保系統(tǒng)的開放性、功能擴(kuò)展及系統(tǒng)升級能力。

(2)安全可靠原則。實(shí)現(xiàn)“無人值守”目標(biāo)，作為雙穩(wěn)控制單元在正常工作狀態(tài)下在系統(tǒng)的集中指揮下運(yùn)行，在緊急情況下或系統(tǒng)故障時又可獨(dú)立運(yùn)行。

(3)人機(jī)結(jié)合原則。運(yùn)行—控制—調(diào)度三者之間數(shù)據(jù)通信安全可靠，信號變位產(chǎn)生實(shí)時簡報和語音報警。分層管理具有完善的故障預(yù)警、診斷及處理功能，體現(xiàn)時效性。

(4)校核加密判斷原則。對控制指令的發(fā)布規(guī)定操作權(quán)限，命令傳送須經(jīng)過巡回認(rèn)證，數(shù)據(jù)采集經(jīng)過合理性判別和處理，放空涵閘門聯(lián)動啟停經(jīng)過防誤程序過濾，確?？刂浦噶钕掳l(fā)正確無誤。

(5)組件模塊化原則。軟件選用先進(jìn)并應(yīng)用成熟的監(jiān)控軟件，確保軟件運(yùn)行的高可靠性和安全性;硬件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)性，滿足功能增加及規(guī)模擴(kuò)充的需要。

(6)兼容通用原則。作為不間斷運(yùn)行系統(tǒng)，對現(xiàn)場工作環(huán)境要求較高，采用有效的防雷和抗干擾技術(shù)。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型適應(yīng)計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，具有先進(jìn)性和向后兼容性，能充分保護(hù)用戶的投資。

(7)分層逐級開發(fā)原則。平臺人機(jī)接口功能強(qiáng)大、界面友好，通過人機(jī)對話方式實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)視和控制功能。在信息交互層、控制邏輯層、二次數(shù)據(jù)加工層根據(jù)業(yè)務(wù)管理需求，逐級逐段開發(fā)不同業(yè)務(wù)軟件。

(8)冗余設(shè)計原則。為增加“500”聯(lián)動系統(tǒng)工作的安全穩(wěn)定性，參與聯(lián)動控制的水位、開度數(shù)據(jù)采集采用冗余設(shè)計。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用開放式全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分設(shè)主控級和現(xiàn)地單元控制級，并納入到大系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)體系中，分為建管局總調(diào)中心、管理處分調(diào)中心、水庫運(yùn)行管理站、現(xiàn)地控制檢測四層 (見圖1)。

(1)建管局總調(diào)中心。根據(jù)用水單位需水量下發(fā)總調(diào)命令和放空涵閘門控制方式。同時，總調(diào)中心對“500”水庫綜合運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲，定期對水庫運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行會商。

(2)管理處分調(diào)中心。利用已建設(shè)的計算機(jī)監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)對水庫數(shù)據(jù)的采集和管理，為供水管理運(yùn)行提供應(yīng)用展示、信息檢索、事故判斷等調(diào)度生產(chǎn)決策依據(jù)。

(3)水庫運(yùn)行管理站。主要用于采集現(xiàn)地層的流量和水位數(shù)據(jù)，并通過光纖通道接入“500”管理處調(diào)度分中心。水庫運(yùn)行管理站另配備作為管理處分調(diào)中心的從站計算機(jī)監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)異地雙權(quán)限自動切換操作管理，使運(yùn)管人員通過計算機(jī)掌握閘門開度、前池水位、流量等數(shù)據(jù)。同時，水庫運(yùn)行管理站需執(zhí)行上級下發(fā)的調(diào)度指令和處理突發(fā)事件，確保水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)現(xiàn)地控制檢測層。放空涵閘門現(xiàn)地控制和出口前池供水計量監(jiān)測兩個單元安全級別及優(yōu)先級最高，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號;向上接收上級控制主機(jī)的監(jiān)測監(jiān)控命令，并上傳現(xiàn)場的實(shí)時信息，實(shí)施對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制?，F(xiàn)地控制級的設(shè)計保證當(dāng)它與主機(jī)系統(tǒng)脫離后仍然能實(shí)現(xiàn)對閘門進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制功能，而當(dāng)其與主機(jī)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理［2］。

2.2 控制功能

“500”放空涵建有兩孔閘門，為保障供水安全采用了5級關(guān)聯(lián)兼擴(kuò)展功能的控制模式。前三級分別為現(xiàn)地/手動操控、現(xiàn)場/自動觸摸屏控制、遠(yuǎn)方/自動計算機(jī)控制?，F(xiàn)地/手動控制適合在脫離自動化控制或應(yīng)急狀態(tài)下執(zhí)行;現(xiàn)場/自動觸摸屏控制適合在現(xiàn)場有人值守或操作頻次較低時使用;遠(yuǎn)方/自動計算機(jī)控制適合在遠(yuǎn)程監(jiān)控條件下，進(jìn)行計算機(jī)指令操控。在需要人為參與控制的前三種模式下，針對“500”供水系統(tǒng)的長期運(yùn)行特點(diǎn)，開發(fā)了開環(huán)控制和閉環(huán)控制的兩種聯(lián)動模式。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開環(huán)控制是根據(jù)水位設(shè)定的高低限自動啟閉閘門，當(dāng)水位低于低限值時開啟閘門到設(shè)定值，當(dāng)水位高于高限值時關(guān)閉閘門。

閉環(huán)控制是根據(jù)水位和流量的變化趨勢自動調(diào)節(jié)閘門開度，使水池補(bǔ)水量和用水量基本維持平衡，核心是采用PLC的PID調(diào)節(jié)模塊來實(shí)現(xiàn)該功能。閉環(huán)控制在閘門自動調(diào)節(jié)控制使用中有一定限制，主要體現(xiàn)在:①閘門機(jī)械設(shè)備、液壓系統(tǒng)、電氣設(shè)備、各型傳感器高度可靠;②水位不受閘門開度調(diào)節(jié)的影響，無水位波動產(chǎn)生;③用水量基本穩(wěn)定;④事故應(yīng)急方案已被證實(shí)可行。

2.3 開度、水位的冗余設(shè)計

從運(yùn)行的安全可靠性出發(fā)，系統(tǒng)設(shè)有兩套壓阻式水位計，將兩路水位信號分別接入放空涵PLC和出口管理站PLC，采用交叉?zhèn)陕牭耐ㄐ偶夹g(shù)實(shí)現(xiàn)雙水位數(shù)據(jù)同時傳輸至現(xiàn)地層和監(jiān)控層。當(dāng)某套水位計或某套PLC出現(xiàn)故障后不影響另外一套水位計的正常運(yùn)行。針對供水要求，每孔放空涵閘門設(shè)置兩套開度儀(一主一備)和一套限位開關(guān)。備用開度儀通過鋼絲繩和閘門連接，由編碼器采集開度數(shù)據(jù)，在閘門控制柜上設(shè)置一塊開度儀表，能直觀顯示閘門開度，同時通過4-20MA信號把開度信號接入放空涵PLC，通過程序處理計算出實(shí)際開度，并與原安裝于油缸中的開度儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，提高閘門開度儀的可靠性。兩套開度儀互為備用，當(dāng)一套開度儀出現(xiàn)故障后切換至另一套開度儀參與聯(lián)動控制，不影響系統(tǒng)正常工作。

2.4 多業(yè)務(wù)與綜合功能報表

為保證聯(lián)動系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，確保運(yùn)行管理人員第一時間了解和掌握系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，針對項目的“500”聯(lián)動供水的實(shí)際情況，設(shè)計了值班報表、告警和預(yù)警信息報表、事故處理報表、ONCALL短信報表、水務(wù)報表以及水位閘門運(yùn)行流程報表等。

2.4.1 值班報表

值班報表中聯(lián)動系統(tǒng)運(yùn)行人員按照值班時間進(jìn)行登陸和退出，同時記錄了該值班人當(dāng)班期間閘門水位聯(lián)動開門次數(shù)、聯(lián)動關(guān)門次數(shù)、閘門遠(yuǎn)程控制次數(shù)、產(chǎn)生的告警總數(shù)、告警確認(rèn)的統(tǒng)計、產(chǎn)生的事故總數(shù)、事故確認(rèn)處理的統(tǒng)計。

2.4.2 告警和預(yù)警信息報表

告警和預(yù)警信息報表主要處理記錄報警和事故的產(chǎn)生時間、告警內(nèi)容、告警響應(yīng)時間、告警恢復(fù)時間，在值當(dāng)班人有無響應(yīng)該報警，為值班管理提供分析依據(jù)。同時預(yù)警發(fā)現(xiàn)可能影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的隱患，分級定位排查問題，為系統(tǒng)長時間可靠運(yùn)行提供保證。

2.4.3 事故處理報表

事故處理報表主要分析影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的事故類型，如閘門卡滯、動力電源丟失、水位計測量數(shù)值明顯異常、供水管道壓力信息異常、流量計工作狀態(tài)及計量數(shù)值異常、信道中斷、控制指令異常、供水前池水位高低差等危險情況。能夠跟蹤追溯查找問題原因，在原因未明確問題未處理之前聯(lián)動系統(tǒng)自動退出，在事故處理過程中自行啟動事故應(yīng)急及決策支持系統(tǒng)中的相應(yīng)預(yù)案，并及時上報至管理處領(lǐng)導(dǎo)和建管局領(lǐng)導(dǎo)。同時，該報表能實(shí)施跟蹤事故處理的進(jìn)度，避免聯(lián)動系統(tǒng)危險運(yùn)行。

2.4.4 ONCALL短信報表

ONCALLA短信報表用于記錄發(fā)送給設(shè)定人員的信息，如發(fā)送時間、人員、發(fā)送內(nèi)容和運(yùn)行參數(shù)，同時預(yù)留接收返回的信息和數(shù)據(jù)。該報表可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的比較，數(shù)據(jù)如出現(xiàn)明顯誤差時自動啟動報警系統(tǒng)，通知相關(guān)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行核定，保證供用水的計量準(zhǔn)確可靠。

2.4.5 水務(wù)報表

水務(wù)報表用于記錄每條供水管道的瞬時流量、累計日流量、上游信號強(qiáng)度、下游信號強(qiáng)度、信號傳播時間差等，為管道可靠供水提供數(shù)據(jù)保證。用戶定期結(jié)算水費(fèi)時可提供查詢功能并作為驗(yàn)證依據(jù)。

2.4.6 水位閘門運(yùn)行流程報表

水位閘門運(yùn)行流程報表用于記錄閘門和水位等相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并實(shí)時存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為“500”水庫安全運(yùn)行提供信息組態(tài)查詢支持功能，同時可生成閘門開度、流量、水位等相關(guān)的實(shí)時曲線，為“500”水庫聯(lián)動系統(tǒng)控制運(yùn)行提供直觀參考。

2.5 ONCALL短信發(fā)布

ONCALL短信發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)時將水庫運(yùn)行重要開關(guān)量的動作信息，在第一時間內(nèi)通知相關(guān)值班人員和值班領(lǐng)導(dǎo)，做到有事故、故障早發(fā)現(xiàn)早排除。同時，根據(jù)“500”水庫供水運(yùn)行需要，把每條管道的運(yùn)行數(shù)據(jù)按時發(fā)送至建設(shè)處運(yùn)管人員和各用戶的手機(jī)上，為用水供水費(fèi)用結(jié)算提供依據(jù)。

2.5.1 ONCALL短信發(fā)布系統(tǒng)運(yùn)用程序組成

(1)組態(tài)程序 (OnCallCfg.exe)。完成用戶配置管理、對象組態(tài)、告警表達(dá)式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置、硬件設(shè)備的配置、短信統(tǒng)計功能啟動。

(2)ONCALL功能服務(wù)程序 (OnCall.exe)。實(shí)現(xiàn)表達(dá)式運(yùn)算、實(shí)時屏蔽、短信發(fā)送等功能。

(3)系統(tǒng)通信程序 (OnCallCom.exe)。負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸。

(4)運(yùn)行監(jiān)視程序 (OnCallWatch.exe)。完成半自動告警信息的確認(rèn)、取消，手動發(fā)送短信等功能。

(5)運(yùn)行監(jiān)視簡報 (OnCallMsg.exe)。以簡報的形式顯示操作信息、告警發(fā)送結(jié)果。

(6)運(yùn)行啟動程序 (OnCallBoot.exe)。啟動系統(tǒng)。

2.5.2 ONCALL短信發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 (見圖2)。

(1)ONCALL主機(jī)。 “500”管理處的ONCALL主機(jī)和閘門操作員工作站公用一套計算機(jī)。

(2)GSM Modem+SIM卡。完成告警信息短消息自動發(fā)送的功能。

(3)ONCALL軟件。集成在EC2000軟件中，能實(shí)現(xiàn)手動和自動發(fā)送短信息。

圖2 ONCALL短信發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用效果

“500”水庫供水聯(lián)動遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的建成并投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了放空涵閘門根據(jù)前池水位的變化自動開啟和關(guān)閉。根據(jù)建立的節(jié)制閘開度與前池水位最佳運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，自動進(jìn)行閘門開度的調(diào)節(jié)，使節(jié)制閘門處于最佳運(yùn)行工況下工作，降低能耗，實(shí)現(xiàn)水庫的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。自動聯(lián)動智能運(yùn)行程序可以對每孔閘門發(fā)出開啟、停止和關(guān)閉的指令，進(jìn)行閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，也可以在閘門操作員站屏幕上顯示出操作建議，作開環(huán)運(yùn)行指導(dǎo)，提示運(yùn)行值班人員手動發(fā)出開停機(jī)指令［3］。

針對“500”水庫地區(qū)供水的實(shí)際情況，該系統(tǒng)能充分發(fā)揮合理調(diào)水、科學(xué)計量、安全運(yùn)行、可靠供水、事故預(yù)警和故障及時排查、提供專家診斷功能。系統(tǒng)還可以把“500”水庫流域降水、工農(nóng)業(yè)用水、生活用水以及上下游水資源信息建立納入監(jiān)控范圍，建立水資源數(shù)據(jù)鏈關(guān)系，利用放空涵閘門合理調(diào)配水資源，滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活需要，充分發(fā)揮水庫聯(lián)動智能控制運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 建議

設(shè)計重要的供水項目需要建立一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)和軟件平臺，同時根據(jù)硬件的實(shí)際工況確定采用何種自動控制模式;供水項目需要單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的設(shè)計，必須考慮周全，確保供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定;加強(qiáng)對專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)，使他們能正確掌握供水自動化系統(tǒng)的使用模式和要點(diǎn)，同時能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、排查隱患，確保系統(tǒng)安全工作;供水流量計量系統(tǒng)設(shè)計合理、使用方便，保證公平公正。

5 結(jié)語

新疆“500”供水閘聯(lián)動穩(wěn)控及水務(wù)綜合管理系統(tǒng)建設(shè)采用了先進(jìn)的軟硬件平臺，充分體現(xiàn)了當(dāng)代水利建設(shè)設(shè)計理念，實(shí)現(xiàn)了周邊工業(yè)園區(qū)常年供水。

該項目的建設(shè)極大地提高了“500”地區(qū)供水安全和供水可靠性，實(shí)現(xiàn)了從有人到少人再到無人化管理，有效地減輕了勞動強(qiáng)度，提高了當(dāng)?shù)厝嗣裆钏?，促進(jìn)了當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對邊疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。

［1］霍寧，謝亞平，周慶忠．泵站綜合自動化［J］．水電廠自動化，2002(4)．

［2］龔玉棟，劉新泉．解臺泵站計算機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2007(4)．

［3］方輝欽．現(xiàn)代水電廠計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)［M］．北京:中國電力出版社，2004．