平湖市農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)的應用

李釗寶 ，胡正松 ，周國權 ，陸乙君 ，岑恩杰 ，胡靜雅 ，孫守松 ，張 峰

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；5.平湖市農(nóng)村水利管理站，浙江 平湖 314200 ）

1 問題的提出

農(nóng)村圩區(qū)內(nèi)水系眾多，有大量的閘門和泵組等防汛排澇設備，傳統(tǒng)的操作模式為手動操作，需要投入大量的人力和物力進行管理。隨著科學技術的發(fā)展，利用自動化控制技術建立統(tǒng)一的現(xiàn)代化調(diào)度中心和報警系統(tǒng)[1]在防汛調(diào)度中發(fā)揮了巨大作用[2]，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。水利信息化發(fā)展十三五規(guī)劃中要求大力推進水利自動化系統(tǒng)建設。2016年，浙江省政府印發(fā)《全面推行水利工程標準化管理的意見》[3]，要求依托和整合現(xiàn)有水利信息資源，建立水利工程標準化管理運行管理平臺；同時《浙江省圩區(qū)工程運行管理規(guī)程（試行）》信息化管理中建議采用自動化監(jiān)測和視頻監(jiān)控等信息化技術逐步建立滿足圩區(qū)管理工作的軟、硬件平臺；浙江省《圩區(qū)工程標準化管理驗收標準》“信息化管理”要求：①建立運行管理平臺；②水雨情實現(xiàn)自動監(jiān)測；③對重要區(qū)域進行視頻監(jiān)控。

平湖市目前有24個農(nóng)村圩區(qū)投入運行，400多座河口建筑（水閘、泵站）物，需要配備大量的操作人員進行手動操作，存在啟動時間長、效率低、人力成本高以及安全隱患等問題。作為水利工程標準化管理的試點城市，平湖市積極開展農(nóng)村圩區(qū)的信息化建設，目前全市已建成24個農(nóng)村圩區(qū)405座河口建筑物的自動控制系統(tǒng)。通過運用現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)大規(guī)模閘、泵站集群設備遠程自動化操作、信息數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測[4]和防汛調(diào)度的統(tǒng)一指揮[5]，全面提升圩區(qū)管理的工作效率和效能。

2 平湖市農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)結構

平湖市農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)采用分層分布式結構，系統(tǒng)功能分級、設備分布布置，通過光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測、調(diào)度數(shù)據(jù)的傳輸（見圖1）。整個自動化系統(tǒng)分為調(diào)度層和現(xiàn)地控制層[6]，調(diào)度層為中控室機房，設在圩區(qū)管理中心；現(xiàn)地控制層設在各個閘站、單閘和泵站，可實現(xiàn)水閘、泵組機電設備的綜合控制，以及現(xiàn)地電氣設備的數(shù)據(jù)采集。農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、閘門鎖定控制系統(tǒng)、潤滑水系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)以及中控室機房建設和網(wǎng)絡系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)在結構上相互獨立，功能上相互補充，構成一套完整而先進的控制系統(tǒng)。2.1.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)架構圖

計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要是指通過計算機、PLC、網(wǎng)絡、閘位計（開度儀）、行程限位器、水位計、上位機軟件等實現(xiàn)各閘門、泵組的工況信息采集及遠程控制[7]。各閘門、泵組的工況信息經(jīng)LCU柜采集，通過光纖網(wǎng)絡同步上傳至中控室機房，中控室機房的工控軟件實時顯示各閘、泵站工況、水位等信息，并在上位機軟件中選擇任一閘站，輸入相關指令即可對閘、泵站（閘門或者泵組）進行遠程調(diào)度管理。

閘門的遠程控制是農(nóng)村圩區(qū)計算機監(jiān)控系統(tǒng)最重要的部分。本系統(tǒng)的閘門（卷揚式）遠程控制采用流程化操作模式（應急狀態(tài)下可啟用應急模式）。遠程操控前確認現(xiàn)場設備狀態(tài)是否正常，不管是選擇閘門上升或下降，首先開啟廣播和潤滑水，通過視頻確認安全后才能啟動閘門。操作人員根據(jù)流程設置的步驟控制閘門的上升或下降，直至到鎖定位或者全關位。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)還包括對泵組的控制，通過實時監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)，控制圩區(qū)內(nèi)的水位。當水位高過預警水位時，上位機發(fā)出高水位語音報警提示，操作人員可手動啟動泵組排水。當水位降至設置的低水位時，上位機發(fā)出持續(xù)的低水位報警提示，操作人員可手動停止泵組，當水位降至超低水位時，上位機啟動泵組保護機制，自動關閉泵組，保證泵組的安全。

為保證閘門的運行安全分別設置了多道保護措施，如行程限位器（遠程指示限位器和現(xiàn)地回路限位器分開設置）、閘位儀（包括閘位儀內(nèi)置限位和閘位儀數(shù)據(jù)）、遠程脫扣保護、緊急斷電（上位機）等。通過軟件在重要位置如鎖定位、上限位和下限位設置自動脫扣保護，到達相應位置后3 s內(nèi)閘門還繼續(xù)動作（主要指交流接觸器粘牢無法脫開的情況），自動進行斷電操作。最大程度上保證閘門控制的安全性。

2.1.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

通過安裝在各閘、泵站的攝像機實現(xiàn)對啟閉機房、閘門運行情況、上游水面、下游水面、現(xiàn)地控制室、閘門鎖定裝置等重要場所及設備的實時監(jiān)視。

按照操作規(guī)程，在遠程操控閘門、泵組前先對該閘、泵站的周邊環(huán)境和上下游狀況進行視頻確認，在確認周圍環(huán)境安全的前提下，進行遠程操控。閘門和泵組以及鎖定電機遠程啟動時，通過視頻系統(tǒng)實時觀察其運行狀態(tài)，防止發(fā)生意外，確保周邊人員及設備的安全。

2.1.3 閘門鎖定控制系統(tǒng)（卷揚式啟閉機）

閘門處于全開狀態(tài)時，需要將閘門擱在擱門器上，一方面減少鋼絲繩的受力，延長鋼絲繩使用壽命，另一方面保證閘門的穩(wěn)定性，在水閘有人、船通行時，保證安全。閘門鎖定控制系統(tǒng)是通過對擱門器進行遠程控制改造，增加電動推桿，實現(xiàn)遠程控制擱門器的投入與退出，降低人工勞動強度及勞動危險性，提高運行效率。

2.1.4 閘門潤滑水系統(tǒng)

以河道水作為潤滑劑，利用配水管網(wǎng)將水噴淋到止水橡皮與閘門門槽接觸處，使橡皮摩擦面處于有水潤滑狀態(tài)，減小摩擦，降低磨損，達到延長使用壽命的目的。同時在引水管前端加裝防護裝置，防止雜草雜物進入，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.1.5 水位監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)圩區(qū)管理要求，在特定的點位安裝水位監(jiān)測系統(tǒng)。實時測量水位信息并上傳，系統(tǒng)將水文數(shù)據(jù)存儲在運營商機房的服務器內(nèi)，供后期查詢。管理人員根據(jù)水位信息對圩區(qū)內(nèi)的閘門和泵組進行調(diào)度。

2.1.6 語音廣播系統(tǒng)

在農(nóng)村圩區(qū)的閘站、單閘和涵閘設置語音擴聲設備，在中控室內(nèi)布置語音話筒，對工程上下游現(xiàn)場人員和危險動作人員喊話預警。

2.1.7 中控室機房

中控室機房是圩區(qū)管理中心的一個綜合性圩區(qū)主控中心，中控室機房配置管理工作站、移動工作站、交換機、視頻綜合平臺、網(wǎng)絡鍵盤、在線式UPS電源、控制臺、激光打印機、大屏顯示系統(tǒng)等，在網(wǎng)絡運營商云機房布置數(shù)據(jù)庫服務器和磁盤陣列等。

2.1.8 網(wǎng)絡系統(tǒng)

網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)中控室機房、圩區(qū)內(nèi)各監(jiān)控站點以及市水利局的互聯(lián)互通，保證數(shù)據(jù)、視頻等各類信息及時、安全和準確地傳輸。網(wǎng)絡系統(tǒng)采用全光纖網(wǎng)絡，滿足高清視頻監(jiān)控帶寬要求高的需求。

2.2 系統(tǒng)特點

（1）提高響應速度。以圩區(qū)10座水閘為例，現(xiàn)地操作模式時，1組人員到現(xiàn)場逐個關閉閘門、開啟泵組，投入運行需3 h。采用自動化系統(tǒng)，工作人員接到運行指令后，通過電腦遠程操作，僅需30 min即可使工程投入運行，提高了圩區(qū)工程運行效率，可節(jié)省5/6的操作時間，提高效率83%。

（2）減少安全隱患。自動化控制系統(tǒng)避免工作人員直接在風雨中奔波作業(yè)。同時，采用流程化操作，避免誤操作帶來的安全隱患，系統(tǒng)具備故障提醒等功能，能夠及時準確地幫助檢修人員排除設備故障，保障運行安全。通過視頻系統(tǒng)和語音廣播實時監(jiān)測閘站周圍環(huán)境，保證閘門運行時周邊人員和設備的安全。

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村圩區(qū)的網(wǎng)絡系統(tǒng)為專網(wǎng)，由于上級單位需要及時掌握各個圩區(qū)的運行情況以便進行遠程調(diào)度指揮，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)圩區(qū)的數(shù)據(jù)需要通過公網(wǎng)接入至上級單位，圩區(qū)運行數(shù)據(jù)通過串口服務器實行單向傳輸，保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的安全性。

（3）實現(xiàn)市級防汛統(tǒng)一調(diào)度指揮和數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)實時掌握運行中的內(nèi)外河水位、設備開關等情況，數(shù)據(jù)自動采集和分析處理后，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞蟹姥粗笓]部，方便實時了解圩區(qū)運行情況，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度指揮。

3 農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

自動化控制系統(tǒng)的應用改善了圩區(qū)管理工作的環(huán)境和質(zhì)量，大大提高工作效率，但是在應用過程中由于現(xiàn)場環(huán)境、設備操作和機電設備等原因導致系統(tǒng)運行異常。通過對新埭鎮(zhèn)6個圩區(qū)98座閘站、廣陳鎮(zhèn)7個圩區(qū)84座閘站自動化系統(tǒng)試運行6個月的情況統(tǒng)計，主要設備5 850個，發(fā)生故障119次，故障率約為2.00%（見表1）。

表1 圩區(qū)自動化系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計表

續(xù)表1

導致故障的原因主要有系統(tǒng)運行環(huán)境、系統(tǒng)操作、安裝及系統(tǒng)調(diào)試和設備質(zhì)量4個方面：①防雷接地、原控制線路（元器件）老化、市電不穩(wěn)和施工挖斷光纖網(wǎng)絡等外部環(huán)境原因引起的系統(tǒng)掉電、設備損壞或者斷網(wǎng)等。②操作人員不熟悉自動化系統(tǒng)或者不遵循操作流程。③設備安裝或者調(diào)試時未能發(fā)現(xiàn)的隱性缺陷。系統(tǒng)長時間運行后或者遇到特殊天氣時導致系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常。④采購或者定做的設備及構配件自身的質(zhì)量缺陷。

3.1 穩(wěn)定性分析

從各子系統(tǒng)看，計算機監(jiān)控系統(tǒng)故障數(shù)占總故障數(shù)的39.49%。其中57.45%的故障為環(huán)境因素導致。閘門鎖定控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因多為操作原因，閘門潤滑水系統(tǒng)和中控機房的故障多為安裝及調(diào)試原因，語音廣播系統(tǒng)的故障多為設備質(zhì)量問題，水位監(jiān)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)的故障大部分是由環(huán)境原因導致。

北張店流域位于山西省長治市中西部，屯留縣與沁縣的交界處，地理位置為東經(jīng)112°26′～112°37′，北緯36°15′～36°32′，最高海拔1 544 m，最低海拔976 m，平均海拔1 276.5 m，流域總面積270 km2。區(qū)域內(nèi)地勢北西南三面高、東部及中部低，水流由北西南向中部匯集，向東出境[12]。

安裝系統(tǒng)調(diào)試原因導致的故障在試運行期間進行糾正和完善，比如對中控機房上位機軟件試運行時發(fā)現(xiàn)的漏洞及問題及時進行修正，為可消除故障。

設備操作原因大部分因系統(tǒng)操作不熟練引起，經(jīng)過對操作人員的進一步培訓和隨著操作人員對系統(tǒng)的熟悉，該因素導致的故障大大降低。對試運行過程中發(fā)現(xiàn)的個別設備的質(zhì)量問題，及時進行更換或者整改，目前暫未發(fā)現(xiàn)較大的質(zhì)量問題。

由于農(nóng)村圩區(qū)的現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，現(xiàn)場容易出現(xiàn)斷電、雷擊、原設備老化等問題，現(xiàn)場環(huán)境也是導致自動化系統(tǒng)出現(xiàn)異常的主要因素。目前各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)逐漸配備專業(yè)維護養(yǎng)護人員或者聘用第三方維養(yǎng)單位，有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)專門聘請專業(yè)公司檢測完善各閘、泵站的防雷接地，現(xiàn)場運行環(huán)境有較大改善。

3.2 經(jīng)濟性分析

按照《浙江省水利工程管理定崗定員標準》閘門及啟閉機運行崗位定員1 ～ 2人/座，同時按照《浙江省基層防汛防臺體系規(guī)范化建設考核驗收辦法》，實行崗位責任告知制度和重要崗位A、B制。經(jīng)初步測算，新埭鎮(zhèn)和廣陳鎮(zhèn)13個農(nóng)村圩區(qū)182座閘、泵站至少需配備182名運行操作人員（不包括圩區(qū)運行管理單位負責、技術負責、調(diào)度管理、工程檢查、維修養(yǎng)護等崗位）。一方面，各鎮(zhèn)街道專職圩區(qū)管理人員缺乏，遠遠不能滿足圩區(qū)運行管理的要求。大部分采用外聘（或者兼職）操作人員的模式，這部分操作人員年齡結構偏大，操作知識和設備知識缺乏，人員流動性大。另一方面，圩區(qū)運行時氣象狀況一般比較惡劣，操作人員現(xiàn)場操作時存在較大安全隱患。采用自動化控制系統(tǒng)后，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)各配備6名圩區(qū)運行管理人員，2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)13個圩區(qū)可減少操作人員170人，按3萬元/(人 · a)計算，2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)約人力、管理等成本約510萬元/a，大大減輕2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)圩區(qū)運行管理的人力成本和管理負擔。圩區(qū)自動化系統(tǒng)取得了較好的經(jīng)濟效益。

4 系統(tǒng)的改進及解決方案的探討

在圩區(qū)自動化系統(tǒng)運行時，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的缺陷和不足，持續(xù)的進行系統(tǒng)優(yōu)化。根據(jù)上位機軟件的使用情況，不斷地改善上位機的軟件功能，使之功能更完善，運行更穩(wěn)定。

圩區(qū)自動化系統(tǒng)雖然實現(xiàn)少人值守，達到節(jié)省人力、物力、財力的目的，但是自動化系統(tǒng)最終還得需要人的介入，自動化系統(tǒng)需要配備專業(yè)且認真負責的操作人員，同時需不斷地提高操作人員的技術水平。

由于農(nóng)村圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)的復雜性，設備元器件數(shù)量大、種類多，故障是客觀存在的。需要盡可能地保證其運行環(huán)境的可靠性，才能最大限度地降低故障率。

（1）改善各個閘站的防雷及接地系統(tǒng)，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，減少供電系統(tǒng)導致的異常。

（2）定期維護、保養(yǎng)閘門啟閉機及泵組等設備，更換老化的線路及元器件。

（3）加強自動化系統(tǒng)的定期巡檢以及檢修維護，及時發(fā)現(xiàn)并消除系統(tǒng)缺陷。

（4）按照浙江省水利工程準化管理的要求，實行農(nóng)村圩區(qū)的標準化管理，逐漸完善運行管理制度以及維養(yǎng)制度等。

5 結 語

自動化控制系統(tǒng)的應用改善了圩區(qū)管理工作的環(huán)境和質(zhì)量，取得了較好的經(jīng)濟效益。但是在系統(tǒng)運行過程中由于現(xiàn)場環(huán)境、設備操作和安裝調(diào)試等方面的原因導致自動化系統(tǒng)運行異常。本文通過對圩區(qū)自動化系統(tǒng)的介紹和分析影響自動化系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，對農(nóng)村圩區(qū)自動化系統(tǒng)的推廣和建設以及后續(xù)的運行管理有一定的借鑒價值。