通榆河北延送水工程自動化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉雪芹，劉新泉，梁云輝

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

通榆河北延送水工程連云港境內(nèi)涵閘工程全長71.2km，主要分布在連云港市灌南縣、灌云縣、新浦區(qū)、海州區(qū)和贛榆縣境內(nèi)，工程由新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、東門河節(jié)制閘、界圩河節(jié)制閘、車軸河節(jié)制閘、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站、青口河控制閘和青口河引水閘等13個工程組成，主要作用是解決連云港港口及臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展用水，提高連云港市供水保證率，保證河道通航水位，并且具備調(diào)度排澇等功能。

通榆河北延送水工程連云港境內(nèi)涵閘工程供水范圍廣，沿線泵站、節(jié)制閘、套閘和地涵眾多，管理和調(diào)度難度較大。為保證通暢輸水，合理配置水資源，充分發(fā)揮引供水工程的效益，建立一個綜合自動化系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

綜合自動化系統(tǒng)總體框架采用分層、分布、模塊式體系結(jié)構(gòu)，各層之間通過以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線進(jìn)行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護(hù)、擴(kuò)展和升級。同時遵循公專結(jié)合原則，充分利用運營商和水利部門現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)及信息資源，避免重復(fù)建設(shè)。

綜合自動化系統(tǒng)主要由計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)和廣播信號指揮子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統(tǒng)構(gòu)成

計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)完成對泵站主機(jī)與輔機(jī)、節(jié)制閘和套閘、地涵閘門的控制與調(diào)節(jié)；視頻監(jiān)視子系統(tǒng)主要通過攝像機(jī)、工業(yè)液晶顯示大屏等設(shè)備，在控制室監(jiān)視機(jī)組與閘門的運行狀況；廣播與信號指揮子系統(tǒng)通過擴(kuò)音喇叭和交通信號燈等設(shè)備對船舶的過閘運行進(jìn)行指揮和管理。幾個子系統(tǒng)既相對獨立，又有機(jī)結(jié)合，在對現(xiàn)場設(shè)備控制時，通過計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)相互輔助完成設(shè)備控制，節(jié)制閘與套閘的最佳過閘方案又依賴廣播與信號指揮系統(tǒng)的具體執(zhí)行。

2 計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)

連云港境內(nèi)通榆河北延送水工程由2座泵站、4座地涵、6座節(jié)制閘、1座套閘共13座工程組成，工程按行政管理區(qū)域劃分為3部分，即灌云縣送水工程區(qū)域、連云港市送水工程區(qū)域和贛榆縣送水工程區(qū)域3部分。在連云港市建立連云港市通榆河北延送水工程調(diào)度管理控制中心，在灌云縣送水工程區(qū)域、連云港市送水工程區(qū)域和贛榆縣送水工程區(qū)域3處建立控制分中心。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)為分層分布開放式結(jié)構(gòu)，分為3級，即集控中心、控制分中心和主控級。控制權(quán)相應(yīng)分為3級，可以進(jìn)行無擾動切換，系統(tǒng)越接近現(xiàn)地設(shè)備，控制權(quán)限越高。主控級的控制優(yōu)先級別最高，控制分中心控制級別其次，集控中心的控制優(yōu)先級別最低[1]。主控級除能迅速可靠、準(zhǔn)確有效地完成對泵站主機(jī)與輔機(jī)、節(jié)制閘和套閘、地涵閘門的安全監(jiān)視和控制，還要完成對整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行管理，包括數(shù)據(jù)存檔、檢索、運行報表生成打印和對外通信管理等[2]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)由監(jiān)控工作站、通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、現(xiàn)地控制單元以及各類傳感器等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、運行監(jiān)視和事故報警、控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)通訊等功能。

上位機(jī)監(jiān)控軟件完成對機(jī)組與閘門的運行監(jiān)控及管理，實時監(jiān)測、采集各現(xiàn)地控制單元運行狀態(tài)信號，完成機(jī)組與閘門、配電系統(tǒng)等設(shè)備運行的實時監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。

現(xiàn)地控制單元配有彩色觸摸屏，人機(jī)界面功能通過觸摸屏實現(xiàn)，運行人員能通過觸摸屏直接對機(jī)組和閘門進(jìn)行操作[3]?，F(xiàn)地控制單元的設(shè)計能保證當(dāng)它與上位機(jī)系統(tǒng)通訊中斷后仍然能實現(xiàn)對機(jī)組和閘門進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制，能夠監(jiān)控主機(jī)與輔機(jī)系統(tǒng)的啟停、閘門的提升和降落、水位和開度、荷重的采集、配電設(shè)備的運行狀況及其他相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)，當(dāng)其與上位機(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[4]。

控制分中心通過網(wǎng)絡(luò)與下轄各主控級鏈接，實現(xiàn)信息采集與調(diào)度指令的下發(fā)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時將機(jī)組與閘門的運行狀態(tài)、參數(shù)等上傳給集控中心。

主控級計算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)在各閘站、泵站的控制室，配置監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。監(jiān)控工作站通過交換機(jī)同PLC通信實現(xiàn)對機(jī)組、輔機(jī)系統(tǒng)、閘門、配電系統(tǒng)等現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控及運行信息和數(shù)據(jù)的采集(如機(jī)組電量、溫度參數(shù)、閘門開度、荷重、水位、流量、壓力等運行參數(shù))；數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲歷史數(shù)據(jù)；通信服務(wù)器用于同分中心通信將機(jī)組、輔機(jī)系統(tǒng)、閘門的實時運行信息與數(shù)據(jù)上傳至控制分中心[5]。

主控級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要通過攝像機(jī)、監(jiān)視器以及顯示大屏等設(shè)備對機(jī)組與閘門、輔機(jī)及配電系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行監(jiān)視。在上下游、主廠房、啟閉機(jī)房、設(shè)備間等重要部位設(shè)置攝像機(jī)，前端攝像機(jī)采集的視頻信號通過交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備傳輸至硬盤錄像機(jī)，在中控室的監(jiān)視器上分別以單畫面、4畫面、16畫面等多種顯示模式顯示出來，同時將視頻信息輸出至顯示大屏做細(xì)致監(jiān)控。對于設(shè)置在現(xiàn)地的任意一路活動攝像機(jī)，在中控室可以通過控制鍵盤遙控操作活動攝像機(jī)的云臺轉(zhuǎn)動及變焦，從而對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行全方位、更細(xì)致的監(jiān)控。

系統(tǒng)可在無人值班的情況下正常工作，避免因人為疏忽導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行情況的發(fā)生。系統(tǒng)可在多路視頻同時顯示情況下，同時進(jìn)行實時錄像與多路現(xiàn)場同步錄音，同時能夠保證錄像資料回放時不丟幀。

4 廣播與信號指揮子系統(tǒng)

節(jié)制閘和套閘具有船舶通航要求。廣播系統(tǒng)由定壓功放、前置放大器、手持無線話筒和揚聲器等設(shè)備組成，信號指揮系統(tǒng)由布置于上、下游和閘室內(nèi)的交通信號燈組成，兩者作為通航時組織和指揮船舶過閘之用。調(diào)度員根據(jù)收費調(diào)度系統(tǒng)制定出最佳過閘方案，進(jìn)行船舶登記、過閘費征收及票據(jù)管理、船舶調(diào)度等業(yè)務(wù)工作，交通信號燈根據(jù)上行和下行規(guī)則自動設(shè)定進(jìn)出閘信號和停止信號，指揮員通過話筒指揮相關(guān)船舶有序進(jìn)閘、出閘，并在船舶進(jìn)出閘過程中通過視頻畫面進(jìn)行跟蹤實時監(jiān)視，指導(dǎo)船舶通行[6]。

5 分中心建設(shè)

分中心按照行政管理區(qū)域劃分為3個，即灌云縣送水工程分中心、連云港市送水工程分中心和贛榆縣送水工程分中心。灌云縣分中心采集東門河節(jié)制閘、車軸河節(jié)制閘、界圩河節(jié)制閘的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在東門河閘控制室；連云港市分中心采集新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在善北套閘控制室；贛榆縣分中心采集青口河控制閘和青口河引水閘的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在青口河閘控制室。

分中心配置監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)通信服務(wù)器，分中心計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控工作站與轄區(qū)內(nèi)主控站的通信服務(wù)器進(jìn)行通訊，實時監(jiān)測、采集各現(xiàn)地控制單元運行狀態(tài)信號，完成對機(jī)組、閘門等設(shè)備運行的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控；通過數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。分中心的設(shè)計能保證當(dāng)一部分主控站與分中心監(jiān)控工作站通訊中斷后仍然能實現(xiàn)對通訊正常的主控站進(jìn)行監(jiān)視和控制功能。

各分中心通信服務(wù)器同集控中心經(jīng)網(wǎng)絡(luò)防火墻通過水利專網(wǎng)將分中心采集到的現(xiàn)場設(shè)備運行參數(shù)上送至集控中心將機(jī)組、輔機(jī)系統(tǒng)、閘門的實時運行信息與數(shù)據(jù)上傳至集控中心，從而實現(xiàn)各分中心的信息上送。

6 集控中心建設(shè)

集控中心采集灌云縣分中心、連云港市分中心和贛榆縣分中心的數(shù)據(jù)和圖像，該集控中心設(shè)在連云港市通榆河北延送水工程管理處。

集控中心配置Web服務(wù)器和監(jiān)控工作站、視頻綜合管理平臺；監(jiān)控工作站同轄區(qū)內(nèi)分中心的通信服務(wù)器通訊，采集各分中心的實時數(shù)據(jù)，通過Web服務(wù)器發(fā)布功能將采集到的現(xiàn)地各站點信息發(fā)布至水利專網(wǎng)，視頻綜合管理平臺同各分中心視頻管理平臺進(jìn)行通訊采集各站點重要部位的視頻信息，并將該視頻信息發(fā)布至水利專網(wǎng)；計算機(jī)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)兩者有機(jī)結(jié)合，供管理處各科室工作人員通過IE瀏覽器獲取各站點運行工況和視頻圖像信息；主控級、分中心級與集控中心級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示(以連云港市為例)。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)組網(wǎng)采用公專相結(jié)合的組網(wǎng)方式，距離較遠(yuǎn)時傳輸方式采用向電信租賃10M帶寬方式，設(shè)有1個固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，距離較近時采用自建光纖組網(wǎng)方式。泵站、節(jié)制閘和地涵監(jiān)控系統(tǒng)通過租賃水利專網(wǎng)和自建光纖網(wǎng)把各自數(shù)據(jù)上傳至善北套閘分中心，經(jīng)該分中心監(jiān)控工作站整合后接入善北套閘分中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，分中心配置一套網(wǎng)絡(luò)防火墻，再通過水利專網(wǎng)與連云港市集控中心相連接，實現(xiàn)下轄各工程站點機(jī)組與閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控和監(jiān)視功能。

7 結(jié)語

連云港境內(nèi)泵站與涵閘工程是通榆河北延送水工程的重要組成部分，其自動化系統(tǒng)監(jiān)控對象包括了沿線眾多工程的機(jī)組、閘門及電氣設(shè)備，設(shè)備數(shù)量與種類多、沿線距離長、控制范圍廣，因此要求系統(tǒng)性能必須更加安全、可靠。系統(tǒng)在保證可靠實用、易擴(kuò)充的前提下，完全按照分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)，按集控中心、控制分中心與主控級三級進(jìn)行組網(wǎng)，經(jīng)過近5年不間斷運行，實踐證明該系統(tǒng)達(dá)到了技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、功能完善的要求。

通榆河北延送水工程綜合自動化系統(tǒng)的建立大幅度減少了供水風(fēng)險，提高了供水工程的效益，提高水資源利用、配置、節(jié)約和保護(hù)的水平，系統(tǒng)在通榆河北延送水工程中發(fā)揮了巨大的作用。

[1] 羅秀卿, 潘世虎, 劉清文. 淮安樞紐計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2005(01).

[2] 駱偉明, 吳迪. 青溪水電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)改造[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2008, 32(03): 77- 80.

[3] 徐進(jìn)軍, 邱春華. 大田河(落生、大地)梯級水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的特點[M]. 北京: 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2008(04).

[4] 黃干祥. 杜家臺分洪閘控制系統(tǒng)改造和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(06).

[5] 童顒, 徐青. 通信管理裝置在泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2008, 32(01): 78- 80.

[6] 劉雪芹, 劉新泉, 姚懷柱, 等. 三河船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 江蘇水利, 2012(08): 30- 31.