淺析上浦閘灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

陳明恩，金浪濱，林利通

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

國外發(fā)達(dá)國家灌溉水管理朝著信息化、高效化不斷發(fā)展，灌區(qū)自動化管理水平高；國內(nèi)灌區(qū)信息化建設(shè)開始較晚，早期也只是一些水利科研單位開展研究和試點(diǎn)，經(jīng)過多年發(fā)展，水利信息化已具備一定基礎(chǔ)，進(jìn)入全方位、多層次推進(jìn)建設(shè)階段。但總體來說國內(nèi)灌區(qū)信息化管理水平仍比較落后，主要表現(xiàn)為：①灌區(qū)信息采集點(diǎn)少、手段落后。②信息化建設(shè)沒有統(tǒng)一規(guī)劃，信息共享性差。③系統(tǒng)綜合集成能力差。④管理人員信息化意識低，重硬件、輕軟件[1]。本研究以紹興市上虞區(qū)上浦閘灌區(qū)為例，根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)狀問題和實(shí)際需求提出灌區(qū)信息化建設(shè)解決思路，設(shè)計一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)。

2 灌區(qū)運(yùn)行管理現(xiàn)狀

上浦閘灌區(qū)現(xiàn)狀：①本次自動化改造建設(shè)共涉及11座水閘，均能在現(xiàn)場通過電動控制箱對閘門進(jìn)行啟閉操作，現(xiàn)場設(shè)備滿足自動化改造要求。②部分閘站已安裝攝像機(jī)，并通過運(yùn)營商專線網(wǎng)絡(luò)將視頻圖像傳輸至上浦閘運(yùn)行管理中心中控室。③部分水閘已安裝水位監(jiān)測設(shè)備，通過無線傳輸方式把數(shù)據(jù)匯集到上浦閘運(yùn)行管理中心中控室。

上浦閘灌區(qū)基本采用人工值守的運(yùn)行管理模式，無計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，閘門啟閉操作由人工現(xiàn)地手動控制實(shí)現(xiàn)。部分水閘建設(shè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，但只能監(jiān)視閘室內(nèi)的情況，無法實(shí)時監(jiān)視閘門及上下游情況。管理人員無法實(shí)時獲取水閘工程各項運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)電設(shè)備的保護(hù)不夠完善，缺少遠(yuǎn)程控制的后備保護(hù)。汛期時，雨情、水位變化很快，往往人工采集匯報的數(shù)據(jù)到?jīng)Q策時就已經(jīng)滯后，防汛指令無法及時有效地執(zhí)行，導(dǎo)致防汛措施和實(shí)際情況脫節(jié)。無法及時對災(zāi)害做出有效反應(yīng)，成為影響防洪排澇的主要因素。

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計

為使整個上浦閘灌區(qū)工程能可靠、高效、安全、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，本系統(tǒng)采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字圖像監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖形顯示技術(shù)。所有數(shù)據(jù)均在調(diào)度中心進(jìn)行集中采集、處理、記錄、調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效化管理。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

上浦閘灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能分級、設(shè)備分布布置，通過移動運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測調(diào)度數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)框架按照分層與分模塊的設(shè)計，預(yù)留擴(kuò)展接口，便于后期第三方接入。整個系統(tǒng)包括應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、采集層等多個層次。應(yīng)用層主要指功能應(yīng)用；支撐層主要是軟件支撐；數(shù)據(jù)層包括各數(shù)據(jù)庫內(nèi)容；采集層主要指各個具體數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于運(yùn)行管理需要，分為現(xiàn)地控制層和集中控制層。集中控制層是灌區(qū)工程的實(shí)時監(jiān)控中心，設(shè)在上浦閘運(yùn)行管理中心，主要負(fù)責(zé)完成各閘站主要設(shè)備的重要參數(shù)的檢測，并發(fā)送控制命令，完成信息顯示、分析、處理、提煉、記錄等復(fù)雜的功能。集中控制層由布置在中控室的服務(wù)器、交換機(jī)、在線式UPS、計算機(jī)人機(jī)接口設(shè)備、打印機(jī)等設(shè)備組成，通過以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)地控制系統(tǒng)的各設(shè)備信號反饋至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在中控室完成對各閘站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制的功能，通訊協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP。

現(xiàn)地控制層設(shè)備設(shè)在各水閘啟閉機(jī)室，內(nèi)設(shè)PLC[2]等多種智能化設(shè)備，能自動收集有關(guān)信息，執(zhí)行相關(guān)程序，并作相應(yīng)處理和存儲，可以接受集中控制層的指令等。該層還包含傳統(tǒng)的電氣二次控制回路，控制功能簡單有效，作為系統(tǒng)的備用操作手段，進(jìn)一步為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障?，F(xiàn)地控制由LCU[3]柜實(shí)現(xiàn)，LCU柜內(nèi)配置PLC模塊及轉(zhuǎn)換開關(guān)等。LCU柜將現(xiàn)地控制柜及重要輔機(jī)設(shè)備控制信號采集，由PLC邏輯判斷實(shí)現(xiàn)閘門的智能啟停運(yùn)行。LCU柜采集水閘范圍內(nèi)各重要輔助設(shè)備的控制狀態(tài)、電源繼電保護(hù)等信號，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，LCU柜與集控服務(wù)器通信。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、存儲設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和視頻工作站組成。前端設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)線、防雷器等部件；存儲設(shè)備包括磁盤陣列[4]、流媒體服務(wù)器等；通信網(wǎng)絡(luò)由交換機(jī)和運(yùn)營商專線網(wǎng)絡(luò)組成；視頻工作站布置在中控室，主要對各個閘站的監(jiān)控畫面進(jìn)行顯示、控制。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用全數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方案。圖像信號由前端監(jiān)視點(diǎn)設(shè)備采集后，通過交換機(jī)先存儲在閘站內(nèi)的硬盤錄像機(jī)，同時通過運(yùn)營商專線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中控室的磁盤陣列進(jìn)行存儲；運(yùn)行人員可在視頻工作站上實(shí)時觀看各路前端視頻圖像，并實(shí)現(xiàn)視頻分割和切換顯示操作。系統(tǒng)可根據(jù)需要由中心運(yùn)行管理人員通過操作網(wǎng)絡(luò)鍵盤對輸入的前端監(jiān)視點(diǎn)攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 語音預(yù)警廣播系統(tǒng)

語音預(yù)警廣播系統(tǒng)作為視頻監(jiān)視系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，其建設(shè)是為了滿足遠(yuǎn)程控制監(jiān)管的需要。系統(tǒng)為管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)管和調(diào)度指揮提供便捷及有效的預(yù)警方式，防止出現(xiàn)人身和財產(chǎn)損失。

語音預(yù)警廣播系統(tǒng)由廣播預(yù)警主機(jī)、廣播預(yù)警尋呼話筒、IP廣播及附屬設(shè)備構(gòu)成。廣播預(yù)警主機(jī)和尋呼話筒布置于中控室，IP廣播安裝于各個水閘，在中控室實(shí)現(xiàn)對各水閘的IP廣播進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話，在閘門啟閉前提醒周圍人員，防止出現(xiàn)安全事故。語音預(yù)警廣播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 語音預(yù)警廣播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.5 中心站系統(tǒng)

上虞區(qū)上浦閘運(yùn)行管理中心中控室和機(jī)房作為本工程各項數(shù)據(jù)接收、存儲、處理和交換的中心，實(shí)現(xiàn)上虞區(qū)灌區(qū)自動化工程的統(tǒng)一調(diào)度。調(diào)度中心為上浦閘灌區(qū)運(yùn)行管理的主要工作場所，主要布置有一套LED小間距大屏顯示系統(tǒng)，用于顯示各路監(jiān)控、監(jiān)測圖像畫面、綜合運(yùn)行管理系統(tǒng)及各類數(shù)據(jù)報表，通過集成的顯示系統(tǒng)及中控系統(tǒng)，集中展現(xiàn)各項監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息及圖像信息，全面展示上浦閘灌區(qū)運(yùn)行情況；設(shè)置集成操作工作臺一套，并配備操作員工作站、圖形工作站、打印機(jī)，用于日常操作、調(diào)度、監(jiān)控和辦公；機(jī)房布置在LED大屏背側(cè)，主要有模塊化機(jī)柜、UPS電源、精密空調(diào)等。

4 系統(tǒng)建設(shè)成果應(yīng)用

圖5為灌區(qū)水閘自動化控制系統(tǒng)主頁面圖，系統(tǒng)通過俯視圖定位灌區(qū)內(nèi)11座水閘位置，同時將PLC通訊狀態(tài)，閘門LCU柜電源信號，閘門開度和開關(guān)信息，上下游水位等關(guān)鍵控制信息在界面上進(jìn)行展示，通過主頁可直觀掌控灌區(qū)整體水情和所有水閘工況，并根據(jù)調(diào)度需要作針對性部署。

圖5 灌區(qū)水閘自動化控制主頁面圖

以南穴閘控制為例，控制界面見圖6，在開閘前點(diǎn)擊廣播圖標(biāo)，調(diào)用廣播預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警10 min后，預(yù)警成功，預(yù)警有效保持時間為30 min（30 min內(nèi)可以操作閘門）。預(yù)警完成后再點(diǎn)擊視頻圖標(biāo)，調(diào)用上下游圖像，查看周圍環(huán)境，確保開閘安全后，點(diǎn)擊完成視頻確認(rèn)，閘門變?yōu)榭煽貭顟B(tài)，可進(jìn)行閘門啟閉控制。

圖6 南穴水閘控制流程界面圖

5 結(jié) 語

上浦閘灌區(qū)自動化改造建設(shè)符合智慧水利數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展要求，為建成水利行業(yè)全覆蓋的天空地一體化水利感知網(wǎng)和高速安全的新一代水利信息網(wǎng)[5]添磚加瓦。隨著水利行業(yè)信息化和智能化的發(fā)展，距離建成全面支撐水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)中心，全面形成水利業(yè)務(wù)智能應(yīng)用體系和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，全面提升水公共服務(wù)能力的局面越來越近。但是，如何根據(jù)當(dāng)前科技發(fā)展水平，針對不同水利業(yè)務(wù)的需求，合理地完善數(shù)字灌區(qū)設(shè)計方案，仍需不斷探索和思考。