自動化控制系統(tǒng)在平湖市城市防洪工程中的應(yīng)用

馮 磊，劉 鋒

(1.平湖市城市防洪工程管理所，浙江 平湖 314200;2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

平湖市城市防洪工程位于平湖市區(qū)，中心包圍圈面積為13.60km2，堤線總長16.90km，其中14.98km以路為堤，1.92km為新建防洪堤，沿堤各河口建節(jié)制閘17座、泵站7座 (與閘結(jié)合)。本工程為Ⅲ等工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時建筑物級別為5級。工程防洪標準按50a一遇洪水設(shè)計，排澇標準采用20a一遇、24h暴雨24h排出，內(nèi)河水位不超過2.20m(黃海高程)，設(shè)計洪水位2.62m，設(shè)計排澇流量為68.0m3/s。

隨著轄區(qū)內(nèi)人口不斷增加、經(jīng)濟活動日益頻繁和城鎮(zhèn)化進程加速，防汛任務(wù)越來越重，加之平湖城區(qū)河道水位受周邊塘河水位影響嚴重，各泵組和水閘的啟閉運行日趨頻繁，對防洪工程運行調(diào)度的準確性、時效性、安全性、經(jīng)濟性的要求越來越高。管理、運行好城防工程，是擺在平湖市水利管理者和設(shè)計者面前的一個問題。按照以往常規(guī)的城市防洪工程管理方式，主要采用人工調(diào)度和現(xiàn)場操作的方式對各泵站、水閘進行調(diào)節(jié)與控制。但人工現(xiàn)場操作模式需要大量的運行管理人員和較大的運行成本。因此引入自動化技術(shù)，建設(shè)一套集合泵組、閘門運行狀態(tài)、水文水情數(shù)據(jù)、現(xiàn)場視頻信號等能夠符合城防系統(tǒng)綜合運行管理需要的自動化控制系統(tǒng)，讓運行管理單位及時準確地掌握各泵站、水閘的運行狀況，并進行快捷的操控是十分必要的。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)備和功能

本系統(tǒng)主要由調(diào)度監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、圖像監(jiān)視系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)等有機組合而成。實現(xiàn)了泵組遠程自動化控制、閘門遠程自動化控制、圖像監(jiān)控、泵組運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、閘門運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、夜間照明、安全防盜、交通指揮、水位監(jiān)測等功能。

2.1 調(diào)度監(jiān)控中心

控制中心主要安裝了背投大屏幕、電視墻、工業(yè)控制計算機、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、存儲設(shè)備、圖像控制設(shè)備、UPS電源等設(shè)備。在控制中心可以通過電視墻實時監(jiān)控所有水閘現(xiàn)地設(shè)施的狀態(tài)及設(shè)備運行情況，查詢內(nèi)外河水位，利用控制計算機遠程進行設(shè)備操作，記錄運行數(shù)據(jù)，將視頻記錄保存下來，以備事后調(diào)查。并且所有功能均可傳輸至大屏幕或防汛指揮部，具備防汛指揮和召開防汛會議的功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

采用了租用廣電網(wǎng)絡(luò)裸光纖的模式。每個點都有獨立的專用光纖與控制中心相連，與外網(wǎng)斷絕聯(lián)系，形成一個獨立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在起到安全傳輸網(wǎng)絡(luò)信號的作用的同時也保證了圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3 遠程控制系統(tǒng)

主要包含現(xiàn)地控制屏和各種傳感器、執(zhí)行元件，執(zhí)行來自控制中心計算機的控制命令。實現(xiàn)遠程操作閘門的鎖定機構(gòu)投入和解鎖、閘門止水橡皮潤滑水的投入和切除、閘門啟閉、水泵潤滑水投入和切除、水泵運行和停止。

2.4 照明控制系統(tǒng)

包括照明控制箱和照明燈。夜間操作時，在控制中心通過計算機可以遠程啟閉室內(nèi)外照明燈，為視頻攝像頭提供光源。

2.5 圖像監(jiān)視系統(tǒng)

各水閘現(xiàn)場安裝了攝像頭、光端機，控制中心配置了圖像控制監(jiān)視存儲設(shè)備。主要功能:一是監(jiān)控閘門本體、鎖定機構(gòu)、上下游、水泵機組、閘門啟閉機等設(shè)備狀態(tài);二是巡查整個閘區(qū)范圍。

2.6 安全防范系統(tǒng)

主要包括各水閘安裝的紅外線報警器、安防探頭和控制中心的安防主機、示警喇叭。各水閘均無人值守，安防系統(tǒng)開啟后，當有人或動物進入，觸發(fā)紅外線報警器，控制中心的示警喇叭就會鳴叫示警，值班人員可通過視頻監(jiān)控，檢查閘區(qū)安全狀況。

2.7 交通指揮系統(tǒng)

包括紅綠燈和語音廣播。主要用于啟閉閘門期間，對過往船只進行指揮調(diào)度，確保安全。

3 自動化運行的安全保障措施

建設(shè)自動化控制系統(tǒng)，最令管理者關(guān)心的就是設(shè)備運行安全問題，以及設(shè)備運行可靠性問題。在建設(shè)過程中，業(yè)主、科研、設(shè)計、施工單位對各種方案進行詳細分析、論證，對可能存在的問題提出解決辦法，并在實踐中得到驗證改進。

3.1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)

為充分發(fā)揮遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)遠距離、多角度、隨機性和不受時空限制的優(yōu)勢，城市防洪工程在保證完成監(jiān)控城防設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，進一步實施有目標有重點的監(jiān)控，收到了良好的效果。系統(tǒng)針對設(shè)備運行中的重要環(huán)節(jié)和重要設(shè)備進行全方位實時監(jiān)控，包括內(nèi)外河、閘門啟閉機、閘門鎖定、控制柜、鎖定位置、解鎖位置等。遠程圖像監(jiān)控作用的發(fā)揮進一步強化了城防工程的運行可靠性、直觀性。借助遠程圖像監(jiān)控，對設(shè)備運行中的各個步驟、運行軌跡都能清晰的展現(xiàn)，也可通過調(diào)看錄像即可一目了然地了解其設(shè)備運行的全過程，如設(shè)備出現(xiàn)故障、運行錯誤等狀況時，都可以調(diào)看錄像來診斷故障。

3.2 運行數(shù)據(jù)監(jiān)控

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對設(shè)備運行中的各項數(shù)據(jù)進行了實時采集，方便了操作人員查看運行數(shù)據(jù)，并分析設(shè)備是否正常運行。運行數(shù)據(jù)記錄有:設(shè)備開關(guān)機時間、設(shè)備運行電壓、電流功率、水位、閘位移等。

3.3 安全閉鎖

城市防洪工程自動化控制系統(tǒng)設(shè)置了多層安全閉鎖，對控制設(shè)備運行前提條件進行了嚴格控制，不滿足前提條件時中控室操作就無法實施，這樣就杜絕了人為的違規(guī)操作的現(xiàn)象，并且有效地避免了閘門啟閉過度的情況。

3.4 運行操作提示與確認

對操作中的每一步驟進行了操作提示，必須點擊確認才能對設(shè)備實施操作。避免了在使用電腦時，誤點中操作界面而引起的誤操作。在操作過程中的關(guān)鍵節(jié)點，比如鎖定是否順利投入或者解除，在自動化元件監(jiān)控的基礎(chǔ)上，還要求人工進行確認，確保安全操作。

4 城市防洪工程運行管理和系統(tǒng)維修養(yǎng)護

4.1 管理機構(gòu)

智能化城防系統(tǒng)具有便于管理、效率較高、管理成本低等優(yōu)點，但對管理操作人員的專業(yè)性和要求也很高。工程建成后，為加強管理，充分發(fā)揮工程效益，平湖市政府出臺了《平湖市城市防洪工程運行管理辦法》，并成立了平湖市城市防洪工程管理所，配備了電氣工程、計算機等專業(yè)技術(shù)人員，隸屬于平湖市水利局，是城市防洪工程的專業(yè)管理機構(gòu)。

4.2 管理制度

平湖市城防管理所根據(jù)工程特點，以運行管理辦法為依據(jù)，制訂了防洪度汛預案、各類設(shè)備操作規(guī)程、各類設(shè)備保養(yǎng)維修制度、日常巡查制度、值班制度等一系列工程管理制度，并對全所人員進行了詳細的崗位分工，特別針對自動化控制系統(tǒng)實行專人運行操作，嚴格按中控室管理和操作規(guī)程進行管理操作。

4.3 日常運行

平湖市城防管理所實行24h值班，平時密切關(guān)注水情、雨情，根據(jù)各項制度，做好包圍圈巡查、水閘管理、安防等各項工作，定期對設(shè)備進行操作調(diào)試和檢查，及時發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備故障、安全隱患。防汛抗臺期間，在市防汛辦的統(tǒng)一指揮調(diào)度下，按照預案進行工程運行，并根據(jù)上級需要將相關(guān)運行數(shù)據(jù)和實時工程運行視頻畫面，傳輸?shù)椒姥粗笓]中心，為領(lǐng)導決策指揮做好參謀。

4.4 自動化控制系統(tǒng)維修養(yǎng)護

在智能化城防系統(tǒng)的維修保養(yǎng)方面，由于涉及的設(shè)備類型較多，專業(yè)化程度較高，因此，采用了市場化操作模式，通過招標選擇離防洪工程較近的，具有相應(yīng)資質(zhì)、能力的專業(yè)設(shè)備維保單位。管理單位定期進行設(shè)備調(diào)試，發(fā)現(xiàn)故障及時報修，要求維保單位在接到業(yè)主報修通知后24h內(nèi)，派技術(shù)人員進場排除故障。設(shè)備的備品備件數(shù)量多，價格貴，全部由管理單位備齊有一定難度，因此，選擇由設(shè)備維保單位負責備品備件，在投標時一并報價，按實結(jié)算。

5 自動化控制系統(tǒng)優(yōu)點

5.1 優(yōu)化管理模式，降低管理成本

根據(jù)初步設(shè)計規(guī)劃，平湖市城市防洪工程17座水閘(閘站)，如采用現(xiàn)地操作形式，需要管理人員44人，推行社會化服務(wù)后可精減至20人。采用自動化控制系統(tǒng)后，目前僅需6人即可確保工程正常運行，相比現(xiàn)地操作模式節(jié)約管理經(jīng)費100萬元/a以上。

5.2 節(jié)省操作時間，加快反應(yīng)速度

現(xiàn)地操作模式需要操作人員3人一組到各水閘現(xiàn)場逐個關(guān)閉閘門、開啟水泵，17座水閘全部投入運行需4～5h。采用自動化控制后，僅需1人值班，在接到運行指令后，在中控室用電腦遠程操作，2h即可使工程全部投入運行，極大地提高了城防工程運行效率。

5.3 加強設(shè)備監(jiān)控，規(guī)范臺帳記錄

現(xiàn)地操作模式需要操作人員每隔一段時間，記錄1次設(shè)備運行數(shù)據(jù)，人工記錄因人而異，數(shù)據(jù)采集規(guī)律性不夠，隨意性較大，造成臺帳不規(guī)范，且人工操作無法做到每臺設(shè)備不間斷監(jiān)控，往往發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常時，已來不及采取應(yīng)急措施。而自動化監(jiān)控，在設(shè)備運行異常時，可及時自動發(fā)出警示，提醒監(jiān)控人員采取措施，同時保存實時運行數(shù)據(jù)及影像資料，所有臺帳均統(tǒng)一打印，做到臺帳制作規(guī)范化，為故障原因調(diào)查提供完整資料。

5.4 強化安全管理，確保安全生產(chǎn)

城市防洪工程水閘均建在城鄉(xiāng)結(jié)合部，交通不便，且工程運行時，均為風大雨大的極端天氣。以前需要管理人員到現(xiàn)場操作、在河邊觀測水位，危險性較大，容易發(fā)生安全事故。自動化控制系統(tǒng)避免了人員直接在風雨中作業(yè)，排除了安全隱患。同時，水閘中設(shè)備較多，又無人值守，容易發(fā)生偷盜案件，采用自動化報警監(jiān)控系統(tǒng)后，有人觸發(fā)報警系統(tǒng)，值班人員馬上可以接到警示，通過視頻監(jiān)控觀察現(xiàn)場情況，采取應(yīng)對措施，確保水利設(shè)施安全。

6 自動化控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的問題和經(jīng)驗

平湖市城市防洪工程采用自動化控制系統(tǒng)進行工程運行已有5a，在這幾年的工程運行管理過程中，碰到了一些問題，也積累了一點經(jīng)驗。

(1)在城市防洪工程設(shè)計過程中，針對工程特點和功能需要，在計算機控制系統(tǒng)以外，還配套增加了交通指揮、防盜系統(tǒng)、水位監(jiān)控等系統(tǒng)。在建設(shè)過程中，根據(jù)自動化控制的要求和現(xiàn)場具體情況，又對自動鎖定形式、潤滑水投入等方面進行了多次調(diào)整。系統(tǒng)建成后，實現(xiàn)了預期的功能，整體運行效果非常好，但在室外設(shè)備保護、操作安全性提升等方面還有很大的改進空間。

(2)城市防洪工程的水閘 (泵站)布置分散，需選擇網(wǎng)絡(luò)把它們連接起來。考慮自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，以及大量圖像傳輸需要的帶寬要求，最終選擇了租用專用裸光纖組網(wǎng)，并禁止系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備聯(lián)接外網(wǎng)及U盤、移動硬盤等。實踐證明，這種網(wǎng)絡(luò)形式保障了系統(tǒng)的高速、可靠、安全。

(3)在設(shè)備選擇時，一定要充分考慮現(xiàn)場條件和功能實用性，如在選擇攝像頭時，槍式的比較適合室外，球式的適合室內(nèi)，室外攝像頭還要充分考慮紅外功能及照明補光。部分設(shè)備還需考慮耐熱、耐冷指標等。

(4)自動化控制系統(tǒng)集成了大量設(shè)備和電子元件，而水利工程均為臨水或露天建筑，易造成設(shè)備老化及故障。為了確?？刂葡到y(tǒng)能正常運行，必須定期進行調(diào)試和檢查，及時發(fā)現(xiàn)故障并排除。

(5)自動化控制系統(tǒng)設(shè)備種類和型號繁多，全部由工程管理單位備品備件有一定難度，常規(guī)部件由維保單位進行儲備，可節(jié)約大量維保費用。部分市場型號更新較快的零部件，需提前儲備，避免因采購不到零部件而造成設(shè)備改造。

(6)自動化控制系統(tǒng)在水利工程使用中最突出的問題是電子設(shè)備數(shù)量多，因此維修保養(yǎng)工作至關(guān)重要。由于自動化系統(tǒng)維保的技術(shù)要求較高且技術(shù)更新快，工程管理單位自行維保困難，采用市場化服務(wù)是最好的選擇。但維保項目與安裝施工項目相比較，合同金額較小，工期長，服務(wù)要求高，且技術(shù)力量和成本投入也較大。目前市場上電子工程施工企業(yè)較多，愿意做維保項目的較少，造成市場競爭不充分，甚至流標現(xiàn)象也時有發(fā)生。隨著社會信息化程度不斷提高，電子工程維保項目市場越來越大，政府和市場應(yīng)加大電子工程維保企業(yè)的培育力度。

(7)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用節(jié)約了大量的人力，但對操作人員的素質(zhì)和專業(yè)要求較高。同時，自動化控制及信息化技術(shù)的發(fā)展日新月異，因此，需要加強對操作人員的繼續(xù)教育培訓，提高業(yè)務(wù)水平。

(8)遠程自動化控制因現(xiàn)場無人值守，對設(shè)備的溫度、震動、是否有異響等情況無法直觀的了解，操作人員在閘門、水泵運行時，一定要實時監(jiān)控閘門開度、電流、功率等參數(shù)，在關(guān)鍵節(jié)點注意觀察，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，須立即采取緊停措施，避免發(fā)生事故。在每次操作完成后，需將數(shù)據(jù)資料保存，以備調(diào)查。

(9)為保證整個城市防洪工程運行的穩(wěn)定性與可靠性，除自動化控制系統(tǒng)外，仍需保證現(xiàn)地控制系統(tǒng)的操作可靠性，如發(fā)生電力、通訊中斷或遠控故障等情況，可采用現(xiàn)地操作模式使工程正常運行。

7 結(jié)語

平湖市城市防洪工程自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使工程管理人員具備在防洪工程管理控制中心即能分析整個城防工程的水文、電氣、圖像等各方面的數(shù)據(jù)，并可以對所有水閘 (泵站)設(shè)備進行遠程控制，高效可靠地控制工程運行，改變了過去復雜、低效的人工操作方式，實現(xiàn)了各閘站無人值守或少人值守。提升了防洪工程管理的現(xiàn)代化水平和運行管理效率，對類似工程的建設(shè)有一定示范和借鑒作用。