水利工程自動化現(xiàn)狀與適應(yīng)技術(shù)分析研究

黃祚繼 黃忠赤 馬 浩

(水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000)

1 前言

水利自動化工程是指采用自動化控制技術(shù)和信息技術(shù)實現(xiàn)水利信息自動采集和水利設(shè)施自動控制的專項工程。計算機技術(shù)、電子技術(shù)和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，給水利自動化的發(fā)展提供了良好的建設(shè)環(huán)境和技術(shù)支持，水利自動化系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水文測報、洪水調(diào)度、大壩監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等水利建設(shè)的各個方面，大幅提升了水利現(xiàn)代化管理水平，為水利工程建設(shè)質(zhì)量和投資效益提高發(fā)揮了巨大的作用。

由于水利自動化工程建設(shè)起步較晚，還處于探索階段，存在水利自動化工程投資嚴重不足、工程設(shè)計招標階段不夠完善、一些承包單位后期服務(wù)不到位、自動化工程質(zhì)量控制難度大、基層缺乏專業(yè)維管人員等問題。為探索適合水利工程自動化系統(tǒng)的適用技術(shù)，須開展自動化適應(yīng)技術(shù)研究，以便更好地發(fā)揮水利工程自動化系統(tǒng)的作用，為水利自動化系統(tǒng)項目建好、管好、用好提供理論支撐。

2 水利工程自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 系統(tǒng)建設(shè)情況

目前大部分大中型水閘、泵站和水庫樞紐工程均配置了自動化控制系統(tǒng)，主要包括防洪調(diào)度自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、水工設(shè)備計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)和安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。各工程一般都具有視頻監(jiān)視系統(tǒng)、水工設(shè)備計算機監(jiān)控系統(tǒng)和安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，基本采用分層、分布、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。水利工程自動化系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成模式如下:

2.1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)特性

目前水利工程自動化系統(tǒng)大都采用二層或三層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第一層為現(xiàn)地測量控制層(現(xiàn)地單元層)，第二層為集中監(jiān)控層(主控單元層)，第三層為生產(chǎn)調(diào)度管理層(管理單元層)。

系統(tǒng)各單元間的測控計算機均通過TCP/IP高速以太網(wǎng)連接，其主控級與現(xiàn)地單元級以及現(xiàn)地單元級間采用星形以太網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)大都采用了網(wǎng)線和光纜相結(jié)合的模式。

控制權(quán)分生產(chǎn)調(diào)度管理層、集中監(jiān)控層、現(xiàn)地測量控制層三級，控制權(quán)可以進行設(shè)置和切換，優(yōu)先順序為“現(xiàn)地測量控制層—集中監(jiān)控層—生產(chǎn)調(diào)度管理層”。

2.1.2 系統(tǒng)的主要硬件配置

現(xiàn)地測量控制層一般都是由現(xiàn)地傳感器或變送器、現(xiàn)地智能儀表、PLC控制系統(tǒng)等部分組成。現(xiàn)地傳感器或變送器主要包括開度傳感器、荷重傳感器、水位變送器、壓力變送器等;現(xiàn)地智能儀表主要包括開度測控儀、荷重測控儀、水位儀、電流表、電壓表等;PLC控制系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)與其輸入輸出接口及其電源按鈕等部件組成。

集中監(jiān)控層一般都是由主控計算機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、打印機、UPS電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等部分組成。系統(tǒng)主控應(yīng)用軟件安裝在主控計算機中，可通過主控計算機對整個系統(tǒng)進行操作控制。

生產(chǎn)調(diào)度管理層一般由調(diào)度管理計算機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、打印機、UPS電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等部分組成，可以進行遠程調(diào)度管理和實現(xiàn)辦公自動化。

2.1.3 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)庫的配置

水利工程自動化系統(tǒng)主控應(yīng)用軟件大都采用了組態(tài)軟件技術(shù)，大部分為進口產(chǎn)品，部分為國產(chǎn)產(chǎn)品。具有無需編制復(fù)雜的指令代碼、開發(fā)周期短、界面友好、通用性強、可靠性高等優(yōu)點。

數(shù)據(jù)庫采用SQLSERVER系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫的性能較高。

2.1.4 系統(tǒng)操作與應(yīng)用特點

水利工程自動化系統(tǒng)是一種硬件和軟件相結(jié)合的系統(tǒng)，其硬件環(huán)節(jié)多而分散，影響因素多，且間歇性使用，必須定期對系統(tǒng)進行檢測和維護，以保證系統(tǒng)在需要使用時能正?？煽康毓ぷ?，因此對操作維護人員的素質(zhì)要求較高。

2.2 運行情況

水利工程自動化系統(tǒng)建成后，系統(tǒng)運行操作便捷、數(shù)據(jù)采集方便、設(shè)備監(jiān)控全面。部分工程自動化系統(tǒng)應(yīng)用較好，比如:安徽宣城南漪湖樞紐工程包括南漪湖閘和雙橋閘，兩閘相距25km，閘門開關(guān)較為頻繁，樞紐工程的運行實現(xiàn)了遠程控制，自動化系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用。在安徽宣城港口灣水庫，大壩變形觀測采用測量機器人自動觀測，大大降低了管理人員的勞動強度和人員成本，且測量數(shù)據(jù)準確可靠。在安徽蕪湖鳳凰頸排灌站和安徽蚌埠閘水電站、上橋抽水站，機組的運行、監(jiān)測全部采用計算機操作，運行環(huán)境得到了很大的改善。在安徽六安白蓮崖水庫實現(xiàn)了對大壩的遠程監(jiān)控。

2.3 管理情況

大中型水利工程自動化系統(tǒng)建成后，移交運行管理單位管理，有固定的運行管理機構(gòu)和管理人員。在自動化系統(tǒng)管理方面，各單位均配備了專職或兼職的管理人員，對系統(tǒng)的管理和維護做到了常態(tài)化。但同時也存在缺少專業(yè)技術(shù)人員、缺乏專業(yè)技術(shù)支撐和管理的平臺、問題發(fā)現(xiàn)和處理不及時、維護資金落實難、設(shè)備更新不及時、備品備件缺少等方面的問題，致使自動化系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮，影響自動化系統(tǒng)的發(fā)展。

3 存在的主要問題

閘門自動啟閉系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)基本正常，其中大部分是人工測量結(jié)果。

沒有數(shù)據(jù)發(fā)布與共享功能。由于軟件接口不統(tǒng)一，硬件接口不匹配，以至難以達到設(shè)計要求。有的工程點沒有此項設(shè)計內(nèi)容。

視頻控制系統(tǒng)基本正常，失控點基本是由于硬件損壞、排線不合理所致。

開度、荷重儀表以及編碼器、傳感器等部件經(jīng)常損壞，導致儀表顯示不準、數(shù)據(jù)不能遠控。

3.1 方案設(shè)計方面

水利工程自動化系統(tǒng)設(shè)計僅提供框架設(shè)計和功能要求，項目實施時由各承包單位進行詳細設(shè)計，導致了水利自動化系統(tǒng)千差萬別。

存在的突出問題:硬件選型不成熟、軟件接口不開放、相互之間難兼容，造成維修難、改造難;重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象普遍，比如:水位和雨量觀測，一些工程水文測報系統(tǒng)均有設(shè)置，各大中型工程也設(shè)置了相應(yīng)的系統(tǒng)，但缺少統(tǒng)一整合;設(shè)計方案不盡合理，比如:水位井大多離閘過近，致使水位測量不夠準確;部分系統(tǒng)操作存在流程繁雜、設(shè)備標識不清、圖紙資料不全的問題。

3.2 工程建設(shè)方面

當前建設(shè)主要模式是項目法人建設(shè)，移交運行管理單位管理，建管基本處于分離狀態(tài)，建管之間銜接不足，矛盾突出，管理單位對自動化系統(tǒng)在使用方面的訴求不能得到有效的解決。

方案審查流于形式是普遍現(xiàn)象。雖然項目法人召開設(shè)計聯(lián)絡(luò)會，對自動化系統(tǒng)的細部設(shè)計和實用功能進行審查，但參與審查會的自動化專業(yè)技術(shù)人員比重小，不能解決實際問題，方案審查流于形式。

建設(shè)過程中，缺少質(zhì)量把關(guān)。參建單位缺少專業(yè)技術(shù)人員，在項目建設(shè)過程中，或是發(fā)現(xiàn)不了問題，或是出現(xiàn)問題時，沒有從根本上解決;在工程驗收時，缺少系統(tǒng)評估和評定標準，造成應(yīng)有的功能不能完全實現(xiàn)或運行不穩(wěn)定。

3.3 運行管理方面

普遍缺少專業(yè)技術(shù)管理人員、缺少專業(yè)技術(shù)管理平臺，無備品備件和易耗品的儲備，維護經(jīng)費落實難。缺少水利自動化系統(tǒng)運行管理辦法技術(shù)標準和控制管理規(guī)定。

4 問題對策與適應(yīng)性技術(shù)研究

4.1 提升行業(yè)監(jiān)管的力度

行業(yè)監(jiān)管主要是在自動化系統(tǒng)實施時對其進行建設(shè)監(jiān)管，如:制訂市場準入制，培育出臺相應(yīng)的制度;制訂統(tǒng)一的有關(guān)標準規(guī)程規(guī)范;出臺加強自動化系統(tǒng)建設(shè)工作的指導性意見;開展自動化系統(tǒng)施工或設(shè)備供應(yīng)單位的信用備案、評價信用體系建設(shè)。

4.2 提高設(shè)計質(zhì)量，嚴把方案審批關(guān)

細化設(shè)計方案及水利自動化項目建設(shè)審批程序，特別是設(shè)計單位在設(shè)計時要綜合考慮工程實際情況，注重自動化系統(tǒng)的方案，在方案審查時能夠有基層管理部門以及專業(yè)人員全程參與，盡量形成較為詳細的設(shè)計文件。

4.3 加強實施過程中質(zhì)量控制，嚴把驗收關(guān)

由于自動化系統(tǒng)投資比重較小，在工程建設(shè)過程中往往得不到重視。自動化系統(tǒng)工程專業(yè)性比較強，過程控制單獨依賴監(jiān)理單位是難以奏效的，應(yīng)委托專業(yè)機構(gòu)進行過程控制。

a.建設(shè)單位重視建設(shè)過程中的質(zhì)量控制，聘請專業(yè)機構(gòu)進行檢測把關(guān)。從設(shè)備采購、線纜敷設(shè)、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)逐項控制，并參與后期驗收。在施工過程當中要減少變更行為，如果存在設(shè)計不合理等問題，應(yīng)進行論證及時更改。

b.加強出廠調(diào)試驗收。自動化系統(tǒng)建設(shè)過程中，有出廠驗收環(huán)節(jié)，但大部分缺少專家把關(guān)和專業(yè)檢測，應(yīng)完善專家把關(guān)和專業(yè)檢測制度。

4.4 加強運行管理、設(shè)備保養(yǎng)

4.4.1 加強運行管理

運行管理部門定人定崗定期對設(shè)備進行維護，應(yīng)根據(jù)維護對象在系統(tǒng)中的重要程度對其進行分級:監(jiān)控主機、可編程控制器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等為關(guān)鍵設(shè)備級;傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和動作設(shè)備等為重要設(shè)備;其他設(shè)備歸于一般級。在對設(shè)備進行分級的同時，根據(jù)維護對象、運用環(huán)境實際情況再對其進行分類:室內(nèi)環(huán)境設(shè)備;室外環(huán)境設(shè)備。根據(jù)不同維護對象的級別和類型制定相應(yīng)的維護周期，做到關(guān)鍵設(shè)備重點維護，非關(guān)鍵設(shè)備視具體情況進行維護。

4.4.2 設(shè)備保養(yǎng)手段

根據(jù)不同設(shè)備采用相應(yīng)的保養(yǎng)方法。設(shè)備按系統(tǒng)劃分，微機監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備有上位機、可編程控制器、控制設(shè)備、測量儀表;視頻監(jiān)視系統(tǒng)的主要設(shè)備有數(shù)字硬盤錄像機、視頻矩陣、監(jiān)視器、前端攝像設(shè)備。灰塵和電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量是影響計算機設(shè)備正?？煽窟\行的兩個因素。監(jiān)控計算機應(yīng)根據(jù)情況不定期進行除塵;機箱內(nèi)部的各種板卡、卡槽和風扇等設(shè)備處的積塵會引起板卡接觸不良或風扇散熱效率低等故障或異常，需要及時除塵清潔;電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量直接影響著監(jiān)控計算機運行的穩(wěn)定性，UPS設(shè)備應(yīng)定期進行充放電操作;對可編程控制器的維護除了除塵外，還應(yīng)包括對信號電纜連接部位進行檢查，CPU內(nèi)置電池失效時應(yīng)及時進行更換等;設(shè)備的運(轉(zhuǎn))動部位應(yīng)定期加注潤滑油脂，以保證其動作靈活可靠;測量儀表的維護除保持儀表表面清潔外，還應(yīng)檢查信號線纜連接處是否有灰塵或者銹蝕氧化等現(xiàn)象，以保證測量值準確傳輸;視頻矩陣設(shè)備在除塵的同時也應(yīng)對信號線纜連接處等部位進行檢查緊固。前端攝像設(shè)備的維護包括云臺和攝像機兩部分，云臺維護主要是去除表面雜物污漬，在轉(zhuǎn)動部位加注潤滑油脂;攝像機維護主要是鏡頭清潔和信號線纜接頭部位的檢查。

4.5 編制管理規(guī)定和出臺標準規(guī)范

為了讓自動化系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，研究出臺了《水利工程自動化系統(tǒng)建設(shè)管理指導意見》、《水利工程自動化系統(tǒng)建設(shè)管理辦法》、《水利工程自動化系統(tǒng)運行管理辦法》、《水利工程自動化維修養(yǎng)護定額》，著手研究編寫了《水利工程自動化系統(tǒng)檢測規(guī)范》、《水利工程自動化系統(tǒng)驗收規(guī)范》等標準，對自動化項目審批、設(shè)計、建設(shè)、管理進行了約束，也為管理部門的人員、經(jīng)費等落實提供了依據(jù)。制定有關(guān)技術(shù)標準，對傳感器信號、硬件接口、數(shù)據(jù)庫格式、軟件接口等進行規(guī)范統(tǒng)一，以保證技術(shù)通用性強，方便維護，也便于系統(tǒng)的整合和數(shù)據(jù)共享。

4.6 增強兼容性，上層軟件與硬件設(shè)備統(tǒng)一化

加強對系統(tǒng)硬件設(shè)備選型和軟件功能的前期認證，強調(diào)實用性、可靠性和通用性，對主要設(shè)備選型實行準入制。方案設(shè)計階段，有關(guān)部門制定硬件設(shè)備接口，上層軟件進行統(tǒng)一化要求，增強系統(tǒng)的兼容性。