保滄干渠自動(dòng)化系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)征，耿海菊，王 楠，劉曉菁

（1.河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000；2.河北海河工程技術(shù)有限公司，河北 滄州 061001；3.滄州市南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室，河北 滄州061000）

1 工程概況

河北省南水北調(diào)配套工程保滄干渠是南水北調(diào)中線工程的重要組成部分，起點(diǎn)為曲陽(yáng)縣境內(nèi)的中線總干渠中管頭分水口，供水目標(biāo)包括保定的曲陽(yáng)、定州、定州產(chǎn)業(yè)園區(qū)、安國(guó)、博野、蠡縣、高陽(yáng)和滄州的肅寧、河間、獻(xiàn)縣、任丘、華北油田以及廊坊的文安、大城、大城工業(yè)園區(qū)，涉及12個(gè)縣（市），共計(jì)15個(gè)供水目標(biāo)。工程起點(diǎn)設(shè)計(jì)流量11.5m3/s，采用管道輸水方式，線路全長(zhǎng)約235km。整個(gè)工程建設(shè)了較為完善的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)總體框架

保滄干渠自動(dòng)化系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、圖像監(jiān)視系統(tǒng)、管理信息及綜合辦公系統(tǒng)四個(gè)部分組成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分為管理處遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)兩層，負(fù)責(zé)對(duì)所屬現(xiàn)地站的供水泵、閘門、調(diào)流閥進(jìn)行控制，將閥門、流量計(jì)、降壓站、泵站內(nèi)用電設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)信息送入干渠管理處監(jiān)控中心。圖像監(jiān)視系統(tǒng)包括現(xiàn)地站視頻監(jiān)視系統(tǒng)和管理處監(jiān)視中心遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)兩層，負(fù)責(zé)對(duì)各現(xiàn)地站需要監(jiān)視的部位進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視、存儲(chǔ)，具有歷史圖像信息查詢和回放功能，是實(shí)現(xiàn)工程安全運(yùn)行和管理的輔助手段。管理信息系統(tǒng)包含水量調(diào)度系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)，主要功能為數(shù)據(jù)處理、調(diào)度、控制、管理等。干渠管理處監(jiān)控中心設(shè)置綜合辦公系統(tǒng)。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)置定州市管理處監(jiān)控中心和由中管頭渠首、定州水廠、定州園區(qū)、安國(guó)、博野、蠡縣、肅寧、河間、高陽(yáng)、大城分水口、蠡縣調(diào)壓井、任丘和文安泵站構(gòu)成的現(xiàn)地站兩層。監(jiān)控中心完成整個(gè)工程的調(diào)水控制，現(xiàn)地站完成對(duì)現(xiàn)地各用電設(shè)備的控制。

3.1 監(jiān)控中心

為滿足全線監(jiān)控系統(tǒng)的要求，管理處監(jiān)控中心設(shè)置監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控工作站。每個(gè)現(xiàn)地站的現(xiàn)地單元I/O信號(hào)均送管理處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制。

（1）監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集所轄區(qū)段現(xiàn)地站流量、閘/閥開度及電氣設(shè)備運(yùn)行工況存入數(shù)據(jù)庫(kù)，為制定新的配水計(jì)劃提供依據(jù)。

（2）根據(jù)調(diào)度運(yùn)用原則和水量調(diào)度系統(tǒng)的命令，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)地集中程控或遠(yuǎn)方控制。

（3）運(yùn)行工況監(jiān)視。監(jiān)視各現(xiàn)地控制站的軟、硬件設(shè)備運(yùn)行工況。所轄各閘/閥、水泵等機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況及故障信息等數(shù)據(jù)的獲取。

（4）動(dòng)態(tài)畫面監(jiān)視。所轄設(shè)備故障報(bào)警畫面；調(diào)水轄區(qū)電子地圖；區(qū)域總調(diào)水量實(shí)時(shí)模擬圖；自圖像監(jiān)視系統(tǒng)調(diào)取的所轄設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)畫面。

3.2 現(xiàn)地站

保滄干渠現(xiàn)地站層由中管頭渠首、定州水廠、定州園區(qū)、安國(guó)、博野、蠡縣、肅寧、河間、高陽(yáng)、大城分水口、蠡縣調(diào)壓井、任丘和文安泵站構(gòu)成，除配置現(xiàn)地手動(dòng)控制系統(tǒng)外，還配置1面PLC控制屏和集中控制設(shè)備。集中控制設(shè)備布置在控制室內(nèi)，設(shè)置監(jiān)控工作站、UPS電源、打印機(jī)、報(bào)警及防雷設(shè)備等?，F(xiàn)地控制級(jí)別高于遠(yuǎn)方控制，控制方式通過現(xiàn)地控制上切換開關(guān)轉(zhuǎn)換。

4 圖像監(jiān)視系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖像監(jiān)視系統(tǒng)采用分層集中式系統(tǒng)，管理處遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視中心布置在管理處控制室內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視、存儲(chǔ)?，F(xiàn)地站包括中管頭渠首、定州水廠、定州園區(qū)、安國(guó)、博野、蠡縣、肅寧、河間、高陽(yáng)、大城分水口、蠡縣調(diào)壓井、任丘和文安泵站的圖像監(jiān)視，各現(xiàn)地站設(shè)置集中監(jiān)視設(shè)備和現(xiàn)地監(jiān)視設(shè)備。根據(jù)“統(tǒng)一調(diào)度，分級(jí)管理”的調(diào)度運(yùn)行管理體制，監(jiān)視中心、現(xiàn)地監(jiān)視站均設(shè)有對(duì)現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)視功能，其中監(jiān)視中心有最高控制優(yōu)先權(quán)，設(shè)置主控臺(tái)，現(xiàn)地監(jiān)視站設(shè)置分控臺(tái)。

4.1 設(shè)備配置

4.1.1 監(jiān)視中心

管理處監(jiān)視中心設(shè)置監(jiān)視工作站、視頻服務(wù)器、視頻存儲(chǔ)矩陣、電視墻等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)各現(xiàn)地監(jiān)視站及管理處視頻信息的存儲(chǔ)、顯示及管理等。

4.1.2 現(xiàn)地監(jiān)視站

現(xiàn)地監(jiān)視站設(shè)置監(jiān)視工作站、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)等設(shè)備。在現(xiàn)地站設(shè)置若干監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控閥門實(shí)際開關(guān)情況、分水口降壓站的安防情況、各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況及機(jī)電設(shè)備的安防情況等。各現(xiàn)地站點(diǎn)圖像通過視頻電纜匯聚至現(xiàn)地站點(diǎn)控制室。通過監(jiān)視工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)前端設(shè)備的訪問。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)利用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)專用通信網(wǎng)的綜合業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)（MSTP），通過10M/100M以太網(wǎng)接口設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。沿線各站點(diǎn)的視頻圖像信號(hào)經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，經(jīng)壓縮后匯同控制信號(hào)通過該站以太網(wǎng)交換設(shè)備與專用通信網(wǎng)的10M/100M以太網(wǎng)接口設(shè)備互連，實(shí)現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸。

4.2 管理信息系統(tǒng)

管理信息系統(tǒng)包含信息管理系統(tǒng)、水量調(diào)度系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、工程管理系統(tǒng)。

4.2.1 信息管理系統(tǒng)

采集閘門、閥門、泵站、供電系統(tǒng)等信息，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，記錄每個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和性質(zhì)，進(jìn)行各類有關(guān)參量的綜合計(jì)算，生成各種監(jiān)控管理、分析指導(dǎo)數(shù)據(jù)。進(jìn)行糾錯(cuò)、整理、分類、存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理；并具有計(jì)算和統(tǒng)計(jì)、監(jiān)視和報(bào)警、圖形和報(bào)表。顯示和打印等數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)重要監(jiān)視量進(jìn)行變化趨勢(shì)分析。

4.2.2 水量調(diào)度系統(tǒng)

4.2.2.1 制定計(jì)劃

根據(jù)總干渠下達(dá)的本渠段的供水計(jì)劃，協(xié)調(diào)所轄供水區(qū)各部門實(shí)際用水量，制定所轄地區(qū)各分水口日、周供水計(jì)劃。

4.2.2.2 配水計(jì)算

根據(jù)本渠段供水計(jì)劃、轄區(qū)內(nèi)各地方的水量需求，計(jì)算轄區(qū)各分水口所需的調(diào)水量。

4.2.2.3 調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化

積累調(diào)水運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化和完善調(diào)度運(yùn)行模式，最大程度避免產(chǎn)生棄水。

4.2.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

4.2.3.1 輸水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制

據(jù)各分水口所需的調(diào)水量，計(jì)算出各閘/閥的過水流量、流速和輸水時(shí)間，實(shí)時(shí)檢測(cè)各站點(diǎn)流量、閘/閥開度及運(yùn)行工況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，完成所轄渠段的流量平衡控制。

4.2.3.2 緊急情況下的輸水調(diào)節(jié)控制

一旦其中某個(gè)環(huán)節(jié) （如某個(gè)閥門或管段）發(fā)生故障，應(yīng)重新調(diào)整調(diào)水計(jì)劃或關(guān)閉該段上下游側(cè)閘/閥，進(jìn)行緊急情況下的輸水調(diào)節(jié)控制，避免損害管道或機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生。發(fā)生重要故障及事故時(shí)有語(yǔ)音報(bào)警。

4.2.4 工程管理系統(tǒng)

（1）轄區(qū)設(shè)備運(yùn)行報(bào)表匯總。

（2）轄區(qū)日、周、月、年調(diào)水量統(tǒng)計(jì)。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)及圖像資料庫(kù)的管理與維護(hù)。

（4）核定轄區(qū)輸水建筑物及機(jī)電設(shè)備維護(hù)計(jì)劃。

（5）統(tǒng)計(jì)本工程用水需求量。

（6）網(wǎng)絡(luò)安全管理。

5 結(jié)語(yǔ)

保滄干渠工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的建立對(duì)保滄干渠自動(dòng)化運(yùn)行管理起到了重要作用，降低了故障率和縮短了運(yùn)行故障反應(yīng)時(shí)間。各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備可自動(dòng)采集管道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，可準(zhǔn)確地找到出故障的地點(diǎn)，能在最短的時(shí)間內(nèi)排除故障，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離管道輸水的信息化、現(xiàn)代化。達(dá)到了長(zhǎng)距離管道輸水自動(dòng)化和充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益的目的，為長(zhǎng)距離管道輸水自動(dòng)化技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，為水資源可持續(xù)利用和人水和諧提供技術(shù)支撐。

［1］河北省水利水電第二設(shè)計(jì)研究院.河北省南水北調(diào)配套工程保滄干渠工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.

［2］滄州市水利科學(xué)研究所.GPRS長(zhǎng)距離管道輸水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究技術(shù)報(bào)告［R］.

［3］廖常初.PLC編程及應(yīng)用（第3版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］沈振元，葉芝慧.通信系統(tǒng)原理（第二版）［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［5］劉美俊.西門子PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］西剎子.智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［7］施仁.自動(dòng)化儀表與過程控制（第5版）［M］.北京： 電子工業(yè)出版社，2011.