清河水庫輸水改造工程自動化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 哲

南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210003

1 背景

遼寧清河水庫輸水工程以防洪、灌溉為主，兼顧城市供水、發(fā)電、養(yǎng)魚和生態(tài)補水等綜合利用功能[1-2]，該輸水工程自清河水庫取水，整個工程由取水頭部、隧洞和供水管線組成，輸水形式為有壓重力流，屬長距離、大流量的供水工程。該工程分水口眾多，輸水過程控制難度較大，對運行管理要求較高。

對清河水庫輸水工程而言，輸水系統(tǒng)的運行管理包括閘（閥）、水位壓力流量監(jiān)測、控制調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控等內(nèi)容，若考慮防洪灌溉、自然風光旅游開發(fā)、城市工商業(yè)供水、水庫養(yǎng)殖等綜合需求，設計難度大、外部因素不確定性強、優(yōu)化設計目標復雜。目前，盡管傳統(tǒng)人工現(xiàn)場控制策略仍被大量應用，但無法徹底克服調(diào)度與操作的同步性問題，無法有效地對輸水過程進行控制，一定程度上延遲了管理人員的決策，且輸水效率低、運行安全沒有可靠保證[3]。

基于清河水庫輸水工程的特點，本文提出充分依靠先進的網(wǎng)絡及通信技術，緊密結合工程運行管理方案，獲取和綜合分析工程實際問題，依據(jù)清河水庫自動化系統(tǒng)的總體設計思路，深入分析各參與主體的工程化需求，提出了綜合考慮多系統(tǒng)接口的系統(tǒng)架構。

2 系統(tǒng)總體思路

清河水庫輸水改造工程自動化系統(tǒng)有助于實現(xiàn)清河水庫供水工程各應用系統(tǒng)成果的集中展示，為供水工程的各級管理人員提供相應的信息服務，實現(xiàn)工程的專業(yè)化綜合管理支持。

2.1 設計目標

清河水庫輸水工程自動化系統(tǒng)的設計是以自動化監(jiān)控和測量為手段，以安全、精確輸水為目標，通過工程建設，達到以自動化帶動管理的高效化、現(xiàn)代化，建立實用、先進、高效、安全、可靠的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 設計原則

（1）“無人值班，少人值守”方案是現(xiàn)代工程管理的重要手段之一，其有助于提升工程運行質量，減少系統(tǒng)運行成本及提高辦公智能化，極大地減少人員投資成本。

（2）開發(fā)自動化系統(tǒng)應具有標準化、模塊化、可拓展性，具有優(yōu)化的網(wǎng)絡結構及優(yōu)化的人機交互能力，工程運行及維護簡單。

（3）自動化系統(tǒng)采用分布式架構，控制層與決策層采用以太網(wǎng)連接，兼容性與容錯能力強，適用于各類型運行管理投資。

（4）良好的冗余設計思路，有助于自動化系統(tǒng)在局部故障事件發(fā)生時，故障范圍可控制與可治理，極大提升系統(tǒng)運行的安全性。

2.3 系統(tǒng)用戶設計

根據(jù)工程管理機構與機制的分析，工程自動化系統(tǒng)考慮眾多用戶對象的差異性，主要體現(xiàn)在不同的用戶在不同的時間具有不同的角色和身份，不同角色用戶對系統(tǒng)有不同的需求。該自動化系統(tǒng)不同用戶管理模式設計如下。

（1）總經(jīng)理/總工程師可隨時瀏覽自動化系統(tǒng)的各類信息，了解供水工程運行情況；審批調(diào)水計劃方案，協(xié)調(diào)處理相關事宜。

（2）指導人員從事日常輸水調(diào)度崗位，根據(jù)編制并通過領導審批的調(diào)水計劃方案，指導操作員實施調(diào)度控制操作。

（3）操作員根據(jù)調(diào)度方案，在指導人員的指導下通過自動化系統(tǒng)進行供水工程的調(diào)度控制操作。

（4）培訓人員在自動化系統(tǒng)處于培訓狀態(tài)的非運行狀態(tài)時，對操作人員進行各種模擬操作培訓。

（5）工程師主要為自動化系統(tǒng)本身運行進行維護管理的用戶，實時掌握系統(tǒng)健康狀況，處理系統(tǒng)突發(fā)故障。

（6）僅能瀏覽屏幕顯示人員主要為調(diào)度值班人員，通過自動化系統(tǒng)的屏幕顯示信息實時掌握輸水工程運行狀況。

2.4 難點問題

該工程自動化系統(tǒng)建設應解決以下幾個方面的問題。

（1）通信系統(tǒng)。采用租用公網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，建設覆蓋清河水庫輸水工程各級管理機構的自動化通信系統(tǒng)。

（2）計算機網(wǎng)絡。建立覆蓋水庫管理局、2 個配水站的計算機廣域網(wǎng)絡及相應的計算機局域網(wǎng)。

（3）閘（閥）及水文相關的壓力、流量、水質監(jiān)測，對清河水庫工程管理單位、兩個配水站轄區(qū)范圍的壓力計壓力、流量計流量、水質監(jiān)測系統(tǒng)水質參數(shù)進行現(xiàn)地及遠程監(jiān)測，對相關閘門、閥門進行現(xiàn)地及遠程監(jiān)控。

（4）視頻監(jiān)控。對工程管理單位、兩個配水站重要位置進行實時遠程監(jiān)控。

3 系統(tǒng)功能需求分析

3.1 閘（閥）門監(jiān)控需求

清河水庫輸水線路距離長，閘（閥）門分布在沿線隧洞、管道上，交通不便，亦無法安排人員值守。因此對這些閘（閥）門的監(jiān)測和控制必須借助于自動化系統(tǒng)，實時地完成各個閘（閥）門的開度、啟閉狀態(tài)、運行狀況等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收和處理，采用先進的智能算法輸出統(tǒng)計結果，以便工程管理人員決策。清河水庫輸水系統(tǒng)的各現(xiàn)地閘（閥）門控制既可實現(xiàn)遠程控制操作，也可以在現(xiàn)地手動或現(xiàn)地觸摸屏自動控制調(diào)度。通過閘（閥）門自動控制，極大縮短了閘（閥）門啟閉時間過程，對于節(jié)約水力資源具有較大的促進作用，并且提高了供水調(diào)度管理水平。

當隧洞、管道出現(xiàn)險情，可通過控制相應閘門、閥門，迅速切斷事故段水源，因此，對這些閘門應實現(xiàn)遠程自動控制，以保證輸水安全。

3.2 壓力、流量、水質監(jiān)測需求

清河水庫輸水線路距離長，流量計、壓力計、水質監(jiān)測系統(tǒng)分布在沿線隧洞、管道上，交通不便、數(shù)量眾多，也無法安排人員值守。因此，對這些傳感器的監(jiān)測必須借助自動化系統(tǒng)，實時地完成各流量、壓力、水質等數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收和處理，采用智能優(yōu)化算法輸出圖形、報表、預報結果等。各傳感器數(shù)值既可以在工程管理單位進行遠程監(jiān)測，也可以在現(xiàn)地觸摸屏實時獲取，無需工作人員到現(xiàn)場記錄各種數(shù)值，實現(xiàn)了無紙化辦公。

3.3 視頻監(jiān)控需求

清河水庫工程管理單位及各配水站有許多關鍵位置，需要實時了解關鍵位置附近安防及設備運行情況，因此需要借助于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時完成圖像的采集、傳輸、接收、存儲等。

3.4 安全需求分析

我國重要工程的監(jiān)測與運行管理系統(tǒng)歷來是網(wǎng)絡安全防護的重要對象[4]，多層網(wǎng)絡分區(qū)防護策略有助于提升系統(tǒng)安全運行水平。自動化系統(tǒng)是實時作業(yè)運行系統(tǒng)，需具備一定的安全保障，主要包括以下幾個方面。

（1）應用系統(tǒng)具有容災策略，能夠最大限度地保證監(jiān)測及控制系統(tǒng)的有效性，并預留容量擴展接入后續(xù)工程，形成前后期工程整體系統(tǒng)級容災系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)安全涉及訪問、傳輸、存儲等環(huán)節(jié)，加密程度高，在各層次可以采用差異化數(shù)據(jù)安全管理策略。

（3）不同層級的管理系統(tǒng)具備安全認證功能，重點關鍵性數(shù)據(jù)具備熱備用，防范災難性事故發(fā)生。

（4）具備防范網(wǎng)絡攻擊的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運行。

（5）現(xiàn)場設備安全需求，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要依靠現(xiàn)場設備的正常運行，數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)運行的關鍵基礎。自動化監(jiān)控設備雖然部分在室內(nèi)，但同樣需要巡查維護人員密切注意維護設備的安全。

4 系統(tǒng)架構設計

4.1 系統(tǒng)架構

工程管理單位與配水站之間采用C/S 或B/S 方式進行通信，在工程管理單位設置專用工作站或服務器從配水站獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送控制指令。除自動化監(jiān)控系統(tǒng)外，各應用軟件需整合至統(tǒng)一的門戶界面上，通過B/S 方式供管理局辦公網(wǎng)用戶查詢、了解工程運行情況。根據(jù)各系統(tǒng)的功能需求，同時提高硬件設備利用效率，對部分系統(tǒng)的工作站進行合并。

4.2 系統(tǒng)接口關系

清河水庫供水工程自動化系統(tǒng)是以自動化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)為基礎，通過定制研發(fā)而實現(xiàn)的集中展示平臺，該系統(tǒng)與其他結構的設計方案如下。

（1）與工程水質監(jiān)測系統(tǒng)接口。該工程自動化系統(tǒng)通過SDH 設備實現(xiàn)與水質監(jiān)測系統(tǒng)的連接，采集水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結果，供信息展示用。

（2）與供水計量系統(tǒng)接口。該自動化系統(tǒng)實時接收本工程發(fā)布服務器發(fā)送的流量計等數(shù)據(jù)信息并安裝供水計量軟件，接口設置在通信服務器上。

（3）與辦公系統(tǒng)接口。該自動化系統(tǒng)安裝于發(fā)布服務器，通過發(fā)布服務器向辦公網(wǎng)絡發(fā)布本工程信息數(shù)據(jù)頁面，提供查詢服務。

5 結語

清河水庫輸水工程自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對工程沿線閘門、閥門、流量計、壓力計、水質監(jiān)測系統(tǒng)等設備的自動監(jiān)測和控制，同時能夠實現(xiàn)管理局自動化系統(tǒng)對全線設備的調(diào)度控制，各配水站自動化系統(tǒng)對所轄范圍內(nèi)設備的調(diào)度控制，以及對重要位置進行視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)研發(fā)及投產(chǎn)運行能夠提高清河水庫輸水工程的管理與運行水平。