泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉厚愛(ài)， 劉須朋， 李偉鵬， 范明業(yè)

（江蘇省南水北調(diào)泗洪站樞紐管理所，江蘇宿遷 223900）

0 引言

泗陽(yáng)節(jié)制閘為新建大型水閘。位于泗陽(yáng)縣眾興鎮(zhèn)東約2.5 km處的京杭運(yùn)河上，是南水北調(diào)中運(yùn)河段梯級(jí)控制之一，也是泗陽(yáng)水利樞紐工程重要組成之一，該閘具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合功能。汛期主要承泄上游沂沭泗流域下泄洪水，非汛期攔蓄劉老澗來(lái)水便于上游的灌溉、航運(yùn)及工業(yè)、生活用水。泗陽(yáng)節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量1000 m3/s，為7孔節(jié)制孔；閘門采用弧形鋼閘門，配QH-2×225KN-10 m卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)；安裝2臺(tái)套葉輪直徑為1.0 m的立式軸流水輪機(jī)，單機(jī)配套電機(jī)功率160 kW。為提高泗陽(yáng)閘進(jìn)行現(xiàn)代化管理水平，特別是在國(guó)家南水北調(diào)東線工程中，建設(shè)以泗陽(yáng)閘綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng)更具有現(xiàn)實(shí)性和重要性。

1 泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1）實(shí)用性。滿足日常生產(chǎn)、管理的需要,使用方便、界面友好。

2）先進(jìn)性。應(yīng)采用先進(jìn)和成熟的硬件、軟件、協(xié)議和平臺(tái)。

3）可靠性和安全性。應(yīng)從各方面考慮系統(tǒng)的可靠性,且必須具有足夠的安全性能。

4）開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連、應(yīng)用互操作,達(dá)到資源共享。

5）可管理性。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可管理性,應(yīng)在不影響正常運(yùn)行的情況下,具備有動(dòng)態(tài)的重組和擴(kuò)展性。

6）可擴(kuò)充性。要求系統(tǒng)的可擴(kuò)充性及前后兼容一致性應(yīng)較好,在現(xiàn)基礎(chǔ)上靈活方便地構(gòu)建和擴(kuò)充新系統(tǒng)。

7）經(jīng)濟(jì)性。在系統(tǒng)配置方案中應(yīng)充分考慮性能價(jià)格比的因素。

2 泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

主要包括：基本信息管理系統(tǒng)、工程適時(shí)運(yùn)行信息管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)、綜合辦公管理系統(tǒng)、電話語(yǔ)音系統(tǒng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)控并將運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)實(shí)時(shí)真實(shí)地傳輸至各級(jí)管理人員面前。系統(tǒng)集測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、管理等功能于一體。結(jié)合視頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行在線巡查，提高效率，保證工程安全。

3 泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1）數(shù)據(jù)采集與處理：數(shù)字量（模擬量）和開(kāi)關(guān)量的采集與處理；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)指令傳送和圖像瀏覽，以及水情數(shù)據(jù)的收集處理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊：與上級(jí)部門的通信，計(jì)算機(jī)與設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

2）運(yùn)行監(jiān)視和事故報(bào)警：運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、參數(shù)越限報(bào)警記錄、事故順序記錄、故障狀態(tài)顯示記錄、事故追憶及相關(guān)量記錄。

3）控制與調(diào)節(jié)：主要為7孔節(jié)制孔閘門及戶內(nèi)變電所的電氣設(shè)備。小水電控制單元在小水電控制屏完成，并與監(jiān)控主機(jī)相連接。根據(jù)上下游水位、流量關(guān)系曲線，自動(dòng)控制閘門開(kāi)高；根據(jù)上下游水位、自動(dòng)限流、限水位控制；實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘設(shè)備的自動(dòng)控制，滿足“無(wú)人值班，少人值守”的要求。實(shí)現(xiàn)控制室內(nèi)集中數(shù)據(jù)顯示、分析、處理；實(shí)現(xiàn)集中和分散控制。

a.統(tǒng)計(jì)與制表：對(duì)采集的數(shù)據(jù)與檢測(cè)事件進(jìn)行在線計(jì)算，計(jì)算過(guò)閘流量和統(tǒng)計(jì)過(guò)水量。

b.人機(jī)接口：使值班人員對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行安全監(jiān)視，根據(jù)工作人員職權(quán)不同，設(shè)置不同操作權(quán)限。

c.語(yǔ)音提示功能、系統(tǒng)自檢和自動(dòng)重啟動(dòng)。

圖1 泗陽(yáng)節(jié)制閘監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，泗陽(yáng)節(jié)制閘監(jiān)控系統(tǒng)為自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)施設(shè)備的自動(dòng)控制，上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)接收調(diào)度控制命令，完成遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等功能，實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程集中控制。泗陽(yáng)節(jié)制閘監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，分為遠(yuǎn)方、站控室、現(xiàn)地3級(jí)，控制權(quán)分遠(yuǎn)方、控制室、現(xiàn)地3級(jí)。

1）遠(yuǎn)控級(jí)設(shè)在泗陽(yáng)閘站管理所（泗陽(yáng)閘上級(jí)管理單位）內(nèi)，通過(guò)光纖與節(jié)制閘控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息采集與調(diào)度指令的下發(fā)，必要時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時(shí)閘門、小水電等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等上傳給遠(yuǎn)控級(jí)?，F(xiàn)地監(jiān)控單元與監(jiān)控工作站采用以太網(wǎng)方式與交換機(jī)連接。

2）站控級(jí)設(shè)于節(jié)制閘橋頭堡控制室內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將節(jié)制閘實(shí)時(shí)運(yùn)行信息與數(shù)據(jù)（如運(yùn)行參數(shù)、閘門開(kāi)度、水位曲線、流量等）上傳至遠(yuǎn)方。通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地控制級(jí)建立通信，通過(guò)工作站的監(jiān)測(cè)監(jiān)控界面，顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，同時(shí)下發(fā)控制命令，監(jiān)督現(xiàn)地監(jiān)控單元對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令的執(zhí)行。

3）現(xiàn)地控制級(jí)是系統(tǒng)最后一級(jí)也是最優(yōu)先的一級(jí)控制，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)；向上接收上級(jí)控制主機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令，并上傳現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制。

5 泗陽(yáng)節(jié)制閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

1）監(jiān)控工作站?？刂剖冶O(jiān)控主機(jī)是自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)。其主要功能如下：聯(lián)網(wǎng)功能與調(diào)度管理系統(tǒng)中心（位于泗陽(yáng)閘管理所）聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收帶密碼的調(diào)度、控制指令，并向上發(fā)送本站實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。

2）現(xiàn)地控制單元?，F(xiàn)地控制單元LCU由PLC、電源系統(tǒng)、切換開(kāi)關(guān)、控制按鈕、通訊模塊、觸摸屏等組成?，F(xiàn)地控制單元是控制閘門運(yùn)行的最高一級(jí)自動(dòng)控制單元，即使在監(jiān)控主機(jī)出現(xiàn)故障或脫離站監(jiān)控工作站時(shí)，它也能保證閘門正常運(yùn)行和程序控制的各種運(yùn)行操作?，F(xiàn)地控制單元采用以太網(wǎng)方式通過(guò)交換機(jī)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通訊，接受上級(jí)開(kāi)、停命令，同時(shí)上傳各種設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

6 泗陽(yáng)閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）監(jiān)控主機(jī)兼操作員工作站計(jì)算機(jī)技術(shù)參數(shù)：Z620/E5-2609*2/4GB/500GB/NVS300/DVDRW/P221顯示器。

2）信息發(fā)布服務(wù)器：DL388G8/E5-2609*2/8GB/300GB*2/dvd/冗余電源等，隨機(jī)配Windows 2008 Server操作系統(tǒng)軟件。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：Proliant DL388G8 E5-2609/4GB/500GB*8/DVDRW等，隨機(jī)配Windows 2008 Server操作系統(tǒng)軟件。

4）PLC控制單元。主配CPU、電源模塊、觸摸屏、DI、DO、AI、繼電器、避雷器、附件等，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸為800mm×600 mm×2200 mm。

5）浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器在水利系統(tǒng)有廣泛運(yùn)用，性能指標(biāo)為TDX DG系列水平。包括一級(jí)浪涌保護(hù)、二級(jí)浪涌保護(hù)、三級(jí)浪涌保護(hù)、信號(hào)浪涌保護(hù)。

6）水位計(jì)及揚(yáng)壓力傳感器：a.上游水位計(jì)采用WFX-40型數(shù)字式斜井水位計(jì)；b.下游水位計(jì)采用雷達(dá)式超聲波物位儀ABM200/033R5C4-PVPP3A-N-OOBG；c.投入式揚(yáng)壓力傳感器GEMS-2600BGA1619M3GA4～20 mA（0～0.2 MPa）。

7）觸摸屏：現(xiàn)地控制單元設(shè)置10寸的觸摸屏，用于現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)視及操作的人機(jī)接口。

8）環(huán)網(wǎng)交換機(jī)：16個(gè)100Mbps電口，2個(gè)1000Mbps光口。

9）工作電源：現(xiàn)地控制單元工作電源選用交直流雙供電裝置。電源裝置應(yīng)具有過(guò)電壓、短路、沖擊電流等基本保護(hù)。UPS不間斷電源：C3KS/3kVA/2h。

7 泗陽(yáng)閘自動(dòng)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

1）系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)及防病毒軟件。

a.操作系統(tǒng)：各類服務(wù)器應(yīng)采用Windows 2008 Server的服務(wù)器版，調(diào)度計(jì)算機(jī)及操作員站采用Win7專業(yè)版。

b.數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)軟件采用客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，支持快速存取和實(shí)時(shí)處理，為監(jiān)控系統(tǒng)記錄及管理實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)軟件選用Wonderware Historian歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。為高性能實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，能提高數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)性能，易于報(bào)表生成的開(kāi)發(fā)且靈活的SQL訪問(wèn)。

2）應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)接口與管理程序、信息發(fā)布與查詢程序、數(shù)據(jù)上傳接口程序。

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件包含上位機(jī)監(jiān)控軟件及現(xiàn)地控制單元應(yīng)用軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件包括監(jiān)控平臺(tái)軟件監(jiān)控平臺(tái)軟件選用Wonderware inTouch for Sysplatform系統(tǒng)平臺(tái)及系列。及基于平臺(tái)軟件二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序軟件；現(xiàn)地控制單元應(yīng)用軟件包括PLC編程軟件PLC編程軟件選用GE編程軟件運(yùn)行于Wonderware平臺(tái)使用IEC語(yǔ)言編程。PLC應(yīng)用程序軟件及觸摸屏應(yīng)用程序軟件。

系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境軟件：泗陽(yáng)節(jié)制閘和管理所調(diào)度計(jì)算機(jī)及操作員站配置運(yùn)行軟件（InTouch for SysPlatform 2012R2 w/HistClient,Chinese），可視化操作員界面，可以連接多種PLC、DCS和智能儀表，將整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息與控制系統(tǒng)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取訪問(wèn)和數(shù)據(jù)分析輸出、打印。

8 泗陽(yáng)節(jié)制閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作流程

操作流程分現(xiàn)地控制操作流程和遠(yuǎn)方控制操作流程。遠(yuǎn)方控制操作流程（提升閘門）為：確認(rèn)現(xiàn)地控制柜上的控制方式選擇開(kāi)關(guān)在"遠(yuǎn)方"位置，按照規(guī)定的順序逐級(jí)合上電源開(kāi)關(guān)，將PLC控制程序下載至PLC，并啟動(dòng)PLC運(yùn)行，檢查各狀態(tài)指示燈是否正常指示，起動(dòng)監(jiān)控主機(jī)監(jiān)控程序，其控制流程為如圖2所示。

9 泗陽(yáng)節(jié)制閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)

1）視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布，如圖3所示。

通過(guò)設(shè)置視頻監(jiān)視設(shè)施，使工作人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接的觀察了解，作為對(duì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，幫助運(yùn)行人員進(jìn)行綜合判斷。同時(shí)該系統(tǒng)能夠與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

在工程范圍內(nèi)配置活動(dòng)攝像機(jī)和固定攝像機(jī)，對(duì)各點(diǎn)及周圍的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行全方位的監(jiān)視和管理，使運(yùn)行情況能夠得到有效控制。

2）視頻系統(tǒng)構(gòu)成。視頻監(jiān)視系統(tǒng)按照4部分設(shè)計(jì)，即前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備4部分。在控制室監(jiān)控中心利用視頻控制主機(jī)對(duì)視頻圖像進(jìn)行切換和管理；在監(jiān)視器上顯示畫面分割圖像；通過(guò)網(wǎng)卡與局域網(wǎng)連接，使值班人員能夠在監(jiān)控中心通過(guò)監(jiān)視器實(shí)時(shí)直觀地看到來(lái)自前端監(jiān)控點(diǎn)的任意圖像。系統(tǒng)的傳輸分布于各攝像點(diǎn)、報(bào)警點(diǎn)和監(jiān)控中心之間，主要完成視頻信號(hào)、控制信號(hào)的傳送。系統(tǒng)傳輸采用結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)布線方式，開(kāi)放式的體系，靈活的模塊化結(jié)構(gòu)。

圖2 控制流程

10 泗陽(yáng)節(jié)制閘、泗陽(yáng)閘站管理所調(diào)度及信息管理系統(tǒng)

泗陽(yáng)節(jié)制閘上級(jí)主管單位是泗陽(yáng)閘站管理所，主管部門為江蘇省省駱運(yùn)水利工程管理處。

10.1 泗陽(yáng)節(jié)制閘、泗陽(yáng)閘站管理所信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，信息管理系統(tǒng)選用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，將泗陽(yáng)閘管理所控制樓節(jié)點(diǎn)作為信息管理中心節(jié)點(diǎn)，集中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用、存儲(chǔ)、應(yīng)用管理及對(duì)外接口等功能，其它節(jié)點(diǎn)應(yīng)僅作為信息管理的終端，選用信息管理網(wǎng)交換機(jī)，信息管理中心配備1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、1臺(tái)信息發(fā)布服務(wù)器以及各站點(diǎn)的辦公終端組成辦公網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度管理系統(tǒng)為環(huán)形光纖快速以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，分別由泗陽(yáng)一站、泗陽(yáng)二站、泗陽(yáng)閘、泗陽(yáng)閘站管理所組成。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議保證環(huán)內(nèi)站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)在100 ms內(nèi)收斂，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸并高度實(shí)時(shí)。調(diào)度管理系統(tǒng)中心交換機(jī)通過(guò)硬件防火墻與信息管理系統(tǒng)相連，并通過(guò)與信息管理系統(tǒng)相連，向上接入江蘇省駱運(yùn)管理處水利系統(tǒng)調(diào)度網(wǎng)，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)、話音交換、圖文傳真、監(jiān)控圖像等內(nèi)容。各站點(diǎn)之間全部采用光纖通信。

圖3 泗陽(yáng)節(jié)制閘視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 泗陽(yáng)節(jié)制閘及泗陽(yáng)閘站管理所信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

10.2 信息管理系統(tǒng)功能

信息管理系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理單位的辦公自動(dòng)化、管理智能化、調(diào)度遠(yuǎn)程化、決策科學(xué)化。調(diào)度管理系統(tǒng)接收各工程站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)（包括機(jī)組開(kāi)、停機(jī)狀態(tài)；節(jié)制閘閘門升降停狀態(tài)等）、數(shù)據(jù)傳輸（包括上下游水位、閘門開(kāi)度等參數(shù)）信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各站點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)度管理，系統(tǒng)具有權(quán)限設(shè)定功能。實(shí)現(xiàn)各工程站點(diǎn)數(shù)據(jù)共享。由信息管理系統(tǒng)取用調(diào)度管理系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、信息，實(shí)現(xiàn)發(fā)布、查詢及上傳功能。

11結(jié) 語(yǔ)

泗陽(yáng)節(jié)制閘綜合自動(dòng)化信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是根據(jù)泗陽(yáng)節(jié)制閘的現(xiàn)代化管理要求，全面考慮了節(jié)制閘工程運(yùn)行的各種因素，改變了過(guò)去靠人工手動(dòng)操作設(shè)備和巡視工程運(yùn)行的管理模式，實(shí)現(xiàn)了工程管理的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控，達(dá)到過(guò)程運(yùn)行在線式巡查。結(jié)合視頻系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)，使工程管理達(dá)到"少人值班，無(wú)人值守"的運(yùn)行模式，提高了效率，提高了泗陽(yáng)節(jié)制閘工程安全運(yùn)行的可靠性。設(shè)計(jì)理念較為先進(jìn)，其設(shè)計(jì)方案可供同類水閘設(shè)計(jì)和技術(shù)改造時(shí)參考。

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