上海大治河西閘自動化控制系統(tǒng)升級改造實踐

王 翔

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海 200080）

0 引言

大治河是自黃浦江東岸起，由西向東貫穿閔行區(qū)、浦東新區(qū)2個行政區(qū)的一條市級骨干河道。大治河西閘位于大治河最西端，由大治河泵閘運行管理所運行管理[1]，建成于 1979 年，主要設(shè)施為一座6 孔 10 m 節(jié)制閘和一座 300 t 級船閘，主要功能為擋潮、調(diào)水及通航。該工程在 2008 年進行過一次自動化控制系統(tǒng)的改造，為防汛保平安、通航保安全發(fā)揮了重要作用。但是，隨著系統(tǒng)工程的硬件設(shè)備老化，軟件支持弱化，以及防汛、通航等形勢環(huán)境的變化，大治河西閘的自動化設(shè)備已不能完全滿足上海市市管泵閘的現(xiàn)代化管理要求。

作為 2016 年市管水閘、泵站專項維修工程的組成部分，大治河西閘自動化控制系統(tǒng)（以下簡稱控制系統(tǒng)）列入了該年度升級改造項目，實施中涉及綜合監(jiān)控設(shè)備、控制柜、檢測儀表、LED 電子公告牌，以及視頻監(jiān)控、廣播、船只超高報警、電子巡更管理等系統(tǒng)。為提升上海市管泵閘整體運行水平，對控制系統(tǒng)升級改造實踐進行分析很有必要。

1 升級改造的前置需求

1.1 設(shè)施設(shè)備本身存在的問題

經(jīng)過梳理，控制系統(tǒng)存在的主要問題有：操作現(xiàn)場控制設(shè)備普遍老化，監(jiān)控主機長時間保持運行，死機的頻率較高，需冷卻重啟后才能繼續(xù)使用；軟件聯(lián)網(wǎng)運行不穩(wěn)定，操作畫面和數(shù)據(jù)處理等不夠合理；視頻監(jiān)控設(shè)備老化、有死角，攝像機分辨率低及發(fā)生故障；現(xiàn)場檢測設(shè)備數(shù)據(jù)不準確；現(xiàn)有 LED顯示屏和廣播不夠完善且損壞嚴重，開關(guān)閘時，不能有效地進行字幕和音響提示等。

1.2 形勢任務(wù)帶來的變化

1）隨著上海市管泵閘改革工作的推進，大治河西閘的管理模式已轉(zhuǎn)化為市場化運作，即采用公開招標的方式，委托第三方專業(yè)資質(zhì)單位負責水閘的日常運行養(yǎng)護，大治河泵閘運行管理所對合同執(zhí)行情況進行監(jiān)督與考核[2]。

2）隨著落實河長制推進河道環(huán)境綜合治理的常態(tài)化，大治河西閘需持續(xù)加大引清調(diào)水力度，為所屬和臨近水域水質(zhì)的改善分擔更多任務(wù)，這要求正確且合理地處理好與防汛、通航等安全間的關(guān)系，避免出現(xiàn)因大引大排造成防汛設(shè)施和過往船只受損的情況。

3）自 2016 年8月1日起，上海市取消收取過閘費后，大治河西閘過閘船舶數(shù)量有所增加，漲幅約 30%，加上近年來，過閘船舶中的大噸位船舶所占比重日漸上升，船舶擱淺帶來的通航過閘管理風險有所上升，調(diào)度方式和運行流程有較大改變。

4）隨著上?！八膫€中心”建設(shè)目標的提出，大蘆線航道、大治河西閘復(fù)線船閘[3]建設(shè)等市重大工程項目先后上馬實施，對大治河西閘這座 24 h 不間斷運行的水閘，在已有繁忙的工作任務(wù)上，提出了封航管理的水域管控新要求，需要既保障工程獲得最優(yōu)水上作業(yè)環(huán)境，又要確保封航期尤其是恢復(fù)通航后過閘秩序有序高效。

這些主要變化，對舊有系統(tǒng)在框架優(yōu)化、實時監(jiān)管、信息統(tǒng)計分析、調(diào)度決策指揮等方面的不足予以了凸顯，形成迫切改造的需求。

2 升級改造的方案內(nèi)容

控制系統(tǒng)升級改造包括計算機、視頻和分控中心遠程等3個監(jiān)控系統(tǒng)部分。

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

針對監(jiān)控設(shè)施設(shè)備存在的問題和改進需求，對PLC 控制柜、交換機、操作電腦、UPS 電源、LED顯示屏、制冷設(shè)備、靜電地板及廣播設(shè)施等進行統(tǒng)一更換；增加船只超高報警系統(tǒng)；更換水位計、開度儀及行程開關(guān)，提升對閘門運行開度工況的監(jiān)測精度。

考慮到大噸位船舶過閘安全管理優(yōu)化，大治河西閘在船閘登記站設(shè)置雙光束激光入侵探測器，同步聯(lián)動視頻監(jiān)控圖像，達到及時有效報警船舶超高的預(yù)期設(shè)想。雙光束激光入侵探測器安裝2對，通過2對探測裝置的時差不同，可以過濾掉絕大部分的誤傳輸信號。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對船閘現(xiàn)場重要部位及設(shè)備的實時圖像監(jiān)視，并可對監(jiān)視畫面執(zhí)行各種控制操作。由此可全方位、靈活地監(jiān)控船閘內(nèi)各種設(shè)備及周邊情況，通過直觀了解現(xiàn)場情況，及時進行操作調(diào)整，預(yù)防各種因素可能引起的故障，保證船閘的安全運行。

本次改造結(jié)合大治河泵閘運行管理所準備實施的船閘安保外包的計劃，將大治河西閘監(jiān)控區(qū)域劃分為工作區(qū)和管理區(qū)，更換工作區(qū)的監(jiān)控設(shè)備，將數(shù)字化視頻監(jiān)控設(shè)備接入中控室。管理區(qū)中增設(shè)的監(jiān)控點位全部采用大治河西閘站點及其它站點改造更換下來的舊有模擬系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，并接入門衛(wèi)室。其中，大治河西閘工作區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖 1所示，管理區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖1 大治河西閘工作區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

圖2 大治河西閘管理區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.3 分控中心遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1）大治河西閘的管理單位為大治河泵閘運行管理所，直屬上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處（以下簡稱市堤防處），根據(jù)遠程集中監(jiān)控的實際需要，結(jié)合管理機構(gòu)設(shè)置和設(shè)施運行管理現(xiàn)狀，市堤防處監(jiān)控系統(tǒng)擬采用邏輯上的3層結(jié)構(gòu)，由第1層次的動態(tài)監(jiān)控總中心、第2層次的監(jiān)控分中心和第3層次的各泵閘站現(xiàn)場監(jiān)控共同構(gòu)成。其中，大治河西閘作為第3層次，負責接收來自總中心或分中心的控制指令，并完成對設(shè)備、重要控制建筑物及水情信息的實時采集和現(xiàn)地控制操作，同時具有將本閘控制權(quán)限分配給現(xiàn)場、分中心和總中心的權(quán)限。

2）舊有系統(tǒng)使用的組態(tài)軟件與市管泵閘控制中心聯(lián)網(wǎng)時運行不穩(wěn)定，本次改造時，統(tǒng)一更換成Kingview 組態(tài)軟件，實現(xiàn)雙機熱備自動切換與控制中心的聯(lián)網(wǎng)，預(yù)留區(qū)域分控中心接口，逐步實現(xiàn)上海浦東片泵閘的集中控制，為將來全面推進市管泵閘自動化、集中控制和遠程調(diào)度于一體的運行調(diào)度平臺打下基礎(chǔ)。

3 升級改造主要功能的實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)地 PLC 控制

現(xiàn)場控制站是直接控制和監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的單元，實現(xiàn)對工藝參數(shù)的檢測和設(shè)備運行工況信號的采集、監(jiān)測和控制，數(shù)據(jù)向中央監(jiān)控站實時傳送?，F(xiàn)場控制站采用 PLC 系統(tǒng)作為主控制器[4]，考慮到市管泵閘改造站點的 PLC 系統(tǒng)均采用 Quantum 系列設(shè)備，因此大治河西閘改造更換的 PLC 設(shè)備選用Unity Quantum140CPU43412 系列設(shè)備，I/O 模塊根據(jù)實際需求進行配置，并保留必要的備用通道。對于已有的 PLC 設(shè)備在改造更新后，保留作為備品、備件使用。

3.2 水情監(jiān)測

大治河西閘使用的水位計目前主要為浮子式和超聲波水位計。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，水閘處于非運行狀態(tài)時，2 種水位計獲得的測量數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定，可靠性高；處于運行狀態(tài)時，由于裝置的自身結(jié)構(gòu)特點、水位變化率過快、水體中的雜物干擾等原因，使得數(shù)據(jù)可靠性下降，信息存在失真現(xiàn)象?？紤]到這些因素，結(jié)合當前信息發(fā)展趨勢和技術(shù)成熟度，以及項目資金的充裕程度，采用抗干擾能力、采樣頻率和測量精度更高的雷達式水位計，并安裝在測井內(nèi)，既可以有效降低垃圾雜物、水生植物等水面漂浮物的干擾，船舶通航帶來的碰撞影響，也便于今后實施維護。

3.3 閘門監(jiān)控

3.3.1 閘位工況監(jiān)測

為實現(xiàn)“少人值守”的目標，對大治河西閘節(jié)制閘和工作2個閘門更換閘門開度儀，對閘門當前位置進行直接檢測。大治河西閘節(jié)制閘為直升平面鋼閘門，船閘為升臥式平面鋼閘門，在本次改造中，考慮到安裝條件具備且無較大變化，選用GWS540 拉繩位移傳感器，配備現(xiàn)場顯示儀表。配置行程開關(guān)對閘門的全開、全關(guān)及沖頂?shù)任恢眠M行監(jiān)測。行程開關(guān)接入閘門現(xiàn)地控制箱，供現(xiàn)地手動控制時使用，同時也將信號接入到現(xiàn)地控制單元控制柜。

3.3.2 控制方式和優(yōu)先級

閘門控制功能主要實現(xiàn)對閘門的全部和任意開度的啟降。大治河西閘自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控方式包括以下3種類型：1）現(xiàn)場手動方式。指不經(jīng)過計算機自動控制設(shè)備，直接通過閘門驅(qū)動電機一次回路實現(xiàn)閘門升降操作，這種方式不需要具備閘門升降過程的自動控制，完全由人工實現(xiàn)。2）本地自動控制方式。用于現(xiàn)場日常的閘門啟閉操作，在此方式下，閘門升降過程的自動控制完全由現(xiàn)地控制單元按預(yù)定流程控制實現(xiàn)。3）遠程控制方式?？梢栽谶h程監(jiān)控中心實現(xiàn)控制，控制過程與本地自動控制方式操作過程相同。3 種類型中，給予現(xiàn)場手動最高優(yōu)先級，本地自動控制次之，遠程控制最低。

3.3.3 安全保護

閘門控制除正常到位停機外，還須確保具備三級保護，分別為控制系統(tǒng)軟硬件保護，即實施一級保護的工況聯(lián)動保護；控制二次回路保護，即實施二級保護的閘門全開（或全關(guān)）保護；一次回路保護，即實施三級保護的閘門沖頂保護（或鋼絲繩松動保護）。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定緊急停機保護（動力電源開關(guān)跳閘），緊急停機保護具備遠程控制能力。此外，自動控制實施狀態(tài)連鎖保護，將禁止遠程控制的內(nèi)容予以明確規(guī)定。

3.4 系統(tǒng)防雷

感應(yīng)雷擊作為大治河西閘自動化控制系統(tǒng)首要防范內(nèi)容，主要采取均衡系統(tǒng)電位、逐級分別泄流、加強屏蔽和供電保護4項措施，實現(xiàn)對系統(tǒng)、主及戶外設(shè)備等供電電源端，室外設(shè)備電源（信號、數(shù)據(jù)）輸出端，室外攝像機電源線（視頻線、控制線）和監(jiān)測主機的室外信號輸入端的重點保護。

3.5 高清攝像設(shè)備

大治河西閘船閘當班站點室內(nèi)配置 720 P 高清槍式攝像機，安裝部位包括船閘中控室、內(nèi)外河候泊區(qū)登記室等；室外配置 1080 P 高清槍式攝像機，安裝部位包括船閘內(nèi)外河候泊區(qū)登記室、閘首，閘室內(nèi)外側(cè)閘門及閘門擱門器等；船閘室外重點區(qū)域配置 1080 P 高速球機，安裝部位包括船閘閘室、內(nèi)外河引航道，以及節(jié)制閘內(nèi)外河點位、環(huán)衛(wèi)垃圾運輸船舶登記處（注：上海市區(qū) 95% 以上的生活垃圾經(jīng)往大治河西閘后，運輸?shù)狡謻|老港垃圾處置場進行處理，對此，大治河西閘船閘水域設(shè)立了專門的候泊區(qū)域，供環(huán)衛(wèi)垃圾運輸船舶?？坎?yōu)先通行）。通過不同類型、區(qū)域組合配置高清攝像機，以確保監(jiān)控區(qū)域盡可能減少監(jiān)控死角。

3.6 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

大治河西閘站點的網(wǎng)絡(luò)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就近接入到站內(nèi)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。為保證主干網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，數(shù)據(jù)網(wǎng)與視頻監(jiān)控安防網(wǎng)分開，在中控室配置1臺環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)主交換機和1臺視頻千兆匯聚層交換機，負責冗余環(huán)網(wǎng)的管理。各PLC 柜均配置1臺環(huán)網(wǎng)交換機，各網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機NVR 也均配置1臺視頻千兆接入層交換機。此外，配置1臺上行聯(lián)網(wǎng)交換機通過骨干光纖網(wǎng)絡(luò)與上級中心或分中心實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

4 升級改造應(yīng)用與管理建議

4.1 關(guān)聯(lián)堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是上海市管泵閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)的組成之一，后者與市堤防處應(yīng)用中的堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)一起構(gòu)成對市管泵閘信息化應(yīng)用的重要支撐。控制系統(tǒng)的升級改造，在實時監(jiān)測、運行控制、數(shù)據(jù)和事件記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表查詢等方面形成的做法與經(jīng)驗，建議關(guān)聯(lián)到正處于升級改造階段的堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)中，有利于在市堤防處統(tǒng)一管理格局下，通過2個系統(tǒng)的資源整合與模式互補，提升控制系統(tǒng)的應(yīng)用效益。

4.2 加大信息化人才培養(yǎng)和使用力度

目前，大治河西閘閘門運行操作崗位上的工作人員，基本都具備自動化控制系統(tǒng)的操作技能，能夠維持水閘的正常運轉(zhuǎn)。但是，期望更有效地發(fā)揮升級改造后的新系統(tǒng)效益，能夠在今后系統(tǒng)運行的過程中發(fā)現(xiàn)較深層次的問題并自己動手解決，這對平均年齡相對較大、學識層次相對較低的操作班組來說，無疑是很困難的。建議加快對信息化人才的引進，促使水閘操作班組的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，同時加快普及計算機與網(wǎng)絡(luò)新知識，強化系統(tǒng)問題模擬實戰(zhàn)，多管齊下，將控制系統(tǒng)使用好、養(yǎng)護好。

5 結(jié)語

大治河西閘自動化控制系統(tǒng)升級改造項目已于2018 年1月通過驗收，各項預(yù)期功能運轉(zhuǎn)正常。該項目作為市管泵閘各站點升級改造的先行試點，為高效建立和統(tǒng)籌實施新的市管泵閘信息化發(fā)展規(guī)劃積累了寶貴經(jīng)驗，提供了有益參考。今后將進一步就系統(tǒng)在提高科學管理水平和泵閘運行的安全可靠性上，根據(jù)實際需要，對硬件配置和軟件功能予以不斷改進和完善，持續(xù)探討與實踐控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理、實時監(jiān)測、業(yè)務(wù)查詢，以及站網(wǎng)、通航、預(yù)案和調(diào)度等管理上的平衡與最優(yōu)化。

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