李 峰

(甘肅水投天水水務(wù)集團有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧水利、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，如何充分利用新技術(shù)推進引調(diào)水工程運行管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，已經(jīng)成為當(dāng)前水利工程信息化研究的熱點[1]。特別是大型引調(diào)水工程，由于工程設(shè)施分散布局，運行管理風(fēng)險點多面廣，自動化控制系統(tǒng)對工程實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行、精準(zhǔn)可靠管控、科學(xué)合理調(diào)度、節(jié)約資源成本起著非常重要的作用，通過自動化控制系統(tǒng)能夠增強引調(diào)水工程的全域數(shù)據(jù)感知、險情預(yù)測預(yù)報、遠程監(jiān)測調(diào)度、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行，大幅提高引調(diào)水工程的智能化管理水平，進而實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，實現(xiàn)少人值守、無人值守的運行管理機制，實現(xiàn)由經(jīng)驗管理到科學(xué)管理、規(guī)范管理、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的轉(zhuǎn)變[2]。

1 工程概況

天水市城區(qū)引洮供水工程供水對象為天水市城區(qū)，設(shè)計引水流量2.1m3/s，為Ⅲ等中型工程。工程自引洮二期工程四干渠末端取水，經(jīng)暗渠、隧洞、倒虹吸、壓力管道輸水至楊家灣調(diào)蓄水池，線路總長94.07km，其中暗渠4.31km，隧洞16.35km，倒虹吸2.97km，壓力管道70.44km，調(diào)蓄水池1座155萬m3。

工程線路長且地處黃土丘陵溝壑區(qū)，交通不便，各類水工建筑物種類繁多，有壓管道輸水壓力高達4.5MPa，運行工況復(fù)雜多變，建立方便、可靠、高效、完善的自動化控制系統(tǒng)對工程安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)少人、無人值守具有非常重要的意義。

2 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)工程實際運行工況和運行管理對自動化控制系統(tǒng)的需求，借鑒同類工程自動化控制系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗，采用先進可靠的技術(shù)手段，實現(xiàn)功能全面、運行可靠、維護簡單的自動化控制功能。系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、現(xiàn)地測控系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一體化應(yīng)用平臺組成(見圖1)。

圖1 天水市城區(qū)引洮供水工程自動化控制系統(tǒng)總體框架

根據(jù)本工程的運行特點，為便于管理自動化控制系統(tǒng)采取縱向分層、橫向分區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用三級管控模式。第一級為總調(diào)度中心級(城區(qū)調(diào)度中心)，可查看和控制一級、二級和三級的所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)；第二級為管理站級，根據(jù)工程實際運行需要設(shè)置了兩個管理站(洛門管理站、秦州管理站)進行分段管控，可查看、控制二級和三級所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)；第三級為現(xiàn)地級，即工程沿線各類重要閘(閥)門的現(xiàn)地控制站點，可查看、控制三級所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)(見圖2)。

圖2 天水市城區(qū)引洮供水工程自動化控制系統(tǒng)縱向分層結(jié)構(gòu)

3 自動化控制系統(tǒng)功能

天水市城區(qū)引洮供水工程自動化控制信息系統(tǒng)的功能主要包括供水管道流量、壓力等水情信息監(jiān)測；

供水管道各類工作閥(閘)門及其他設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測、控制；重要部位的視頻圖像遠程采集與實時監(jiān)控；工程整體二維GIS應(yīng)用和展示；各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合展示與信息服務(wù)；通過運行過程中大量數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測對比、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)日常運行數(shù)據(jù)異常時的報警，大量運行數(shù)據(jù)變化規(guī)律的曲線圖繪制，對總結(jié)研究閥門開啟度操作和壓力管道運行工況提供數(shù)據(jù)支撐，為提升運行管理水平提供參考。

3.1 閥(閘)門的監(jiān)測、控制

工程前段14.91km主要由暗渠及隧洞組成，為無壓流段，為隧洞檢修方便，通過在隧洞進出口布置的螺桿式閘門來控制水流；工程壓力管道段最大靜水壓力達4.5MPa，是工程安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵部位，運行過程中對壓力管道段的閥門開關(guān)進行精準(zhǔn)控制，對流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、統(tǒng)計分析是自動機控制系統(tǒng)的重要功能。

3.1.1 各類數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

在壓力管道主要控制閥門站點配置現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)地控制單元實時自動采集所轄對象的各類閥門開度、管道實時流量、管道瞬時壓力等數(shù)據(jù)。

3.1.2 閥(閘)門的控制與調(diào)節(jié)

閥(閘)門現(xiàn)地控制單元能夠通過與閥(閘)門配套的PLC控制柜接受城區(qū)調(diào)度中心、洛門(秦州)管理站及閥(閘)門現(xiàn)地站三個層級的控制命令并調(diào)整閥(閘)門開啟度，實現(xiàn)閥(閘)門設(shè)備在調(diào)度中心、管理站的遠程開關(guān)控制和現(xiàn)地開關(guān)控制。

3.1.3 運行監(jiān)視

通過現(xiàn)地控制單元上的顯示屏、指示燈等，實時對該現(xiàn)地控制站現(xiàn)場閥門開度狀態(tài)，管道實時流量、瞬時壓力，電氣設(shè)備的電壓、電流等運行狀態(tài)的監(jiān)視，并將運行狀態(tài)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)運行過程的遠程監(jiān)視。

3.1.4 安全保護

通過閘門現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)及智能傳感器，實現(xiàn)閘門啟閉警告，閘門啟閉過程中過力矩、過電壓等故障安全防護，以保證閘門的啟閉安全。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于工程線路較長，各類水力機械設(shè)備分布于94.07km的線路上，通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)地各站點的管理站和調(diào)度中心兩級視頻監(jiān)控，提高了工作效率，實現(xiàn)了少人、無人值守，大大降低了運行管理成本。

現(xiàn)場站點配置了前端網(wǎng)絡(luò)攝像機、接入點交換機、運行管理中心核心交換機等設(shè)備，采集處理該站點管轄范圍的閘室環(huán)境、各類水力機械設(shè)備工作狀況、站點周邊環(huán)境等監(jiān)控視頻圖像，現(xiàn)地站點視頻圖像根據(jù)區(qū)域管理權(quán)限分別匯聚至二級管理站，再通過骨干傳輸系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將管轄范圍各站點的視頻圖像傳送至調(diào)度中心。既能為引水調(diào)度提供重要的決策依據(jù)，還能用于工程設(shè)施設(shè)備的安全防衛(wèi)。

3.3 一體化應(yīng)用系統(tǒng)

一體化應(yīng)用系統(tǒng)是工程自動化控制系統(tǒng)的核心，以本工程壓力管道運行工況特點為基礎(chǔ)，綜合借鑒其他類似工程自動化控制系統(tǒng)運行經(jīng)驗，運用當(dāng)前先進可靠的自動化控制軟件技術(shù)，建立以運行數(shù)據(jù)采集、傳輸、統(tǒng)計分析、判斷為主線，以科學(xué)合理、安全穩(wěn)定的水量調(diào)度為目標(biāo)，通過數(shù)學(xué)模型、虛擬仿真、遠程控制、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，實現(xiàn)閥(閘)門遠程監(jiān)測控制、運行過程中各類參數(shù)的采集分析、險情預(yù)測預(yù)報、水量調(diào)度、工程線路走向及建筑物類型三維實景展示、工程維護等各類生產(chǎn)運行業(yè)務(wù)的綜合運用系統(tǒng)，同時兼顧工程運行管理辦公自動化[4-5]、綜合會商、視頻會議等功能。實現(xiàn)工程運行安全穩(wěn)定、水資源的優(yōu)化配置、運行管理信息化智能化，實現(xiàn)少人、無人值守，降低運行管理成本，充分發(fā)揮工程效益(見圖3)。

圖3 一體化引用系統(tǒng)組成架構(gòu)

整個應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層和支撐層作為一體化管控平臺的建設(shè)基礎(chǔ)，根據(jù)管道工程運行管理為主的需求，開發(fā)部署各類業(yè)務(wù)相應(yīng)的應(yīng)用軟件。一體化軟件基礎(chǔ)平臺軟件包括數(shù)據(jù)采集與交互平臺、數(shù)據(jù)資源管理平臺、應(yīng)用支撐平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊(見圖4)。

圖4 一體化應(yīng)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集與交互平臺

數(shù)據(jù)采集與交互主要進行閥門開度、流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集，工程建筑物及周邊環(huán)境視頻數(shù)據(jù)的采集與處理，巡檢情況數(shù)據(jù)的人工比對等，并按照數(shù)據(jù)資源管理平臺相關(guān)要求將采集到的信息寫入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)系統(tǒng)各層級之間的數(shù)據(jù)交互應(yīng)用。

3.3.2 數(shù)據(jù)資源管理平臺

數(shù)據(jù)資源管理平臺主要進行各類運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯集、存儲與管理。對下實現(xiàn)各種信息采集傳輸和調(diào)度指令傳輸下達，對上為應(yīng)用支撐平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)信息。

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理平臺，實現(xiàn)橫跨生產(chǎn)控制區(qū)和辦公管理區(qū)以及調(diào)度中心與會商中心之間的數(shù)據(jù)交換，同時進行對實時數(shù)據(jù)庫采集與整理，從而實現(xiàn)對閘站監(jiān)控、險情預(yù)報、視頻監(jiān)控、運行調(diào)度等各類信息的存儲、管理。

3.3.3 應(yīng)用支撐平臺

應(yīng)用支撐平臺是由采集到的各類運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制系統(tǒng)應(yīng)用功能的樞紐，其作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享和應(yīng)用系統(tǒng)的互連互通，為應(yīng)用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供技術(shù)支持，是實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間、應(yīng)用系統(tǒng)與其他平臺之間信息共享的核心[6]。

根據(jù)天水市城區(qū)引洮供水工程的運行管理特點，本應(yīng)用支撐平臺主要實現(xiàn)管道壓力、流量等實時運行數(shù)據(jù)的分析處理并形成統(tǒng)計圖表，提供閥門開度、壓力、流量等各類運行參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，閥門設(shè)備的遠程自動啟閉，當(dāng)運行參數(shù)超出閾值后的報警提醒，工程全線二維GIS，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃進行分級權(quán)限管理及日常運行管理中的運行日志記錄等。

3.3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊

在一體化應(yīng)用支撐平臺基礎(chǔ)上，采用一套軟件平臺統(tǒng)一實現(xiàn)閘(閥)門遠程監(jiān)測控制、動環(huán)監(jiān)控等綜合監(jiān)控監(jiān)測功能，并實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)可在同一畫面中顯示、操作、查詢。并將上述信息在一張GIS圖上綜合展示，在統(tǒng)一界面中實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計分析、綜合展示。

3.3.5 二維GIS應(yīng)用

由于工程線路長，且工程建成后管道、暗渠、隧洞等建筑物大多被隱蔽，基于GIS的二維仿真系統(tǒng)是對本工程有關(guān)工程參數(shù)的直觀展示，本系統(tǒng)以工程各類建筑尺寸及相關(guān)工程屬性、管道材質(zhì)壁厚、閥門設(shè)備功能屬性、地理位置等工程特性為基礎(chǔ)，通過信息化工程技術(shù)，結(jié)合成像技術(shù)，以形象、直觀、可視化的形式展現(xiàn)隱蔽工程相關(guān)工程實體狀況、運行工況。同時將各類設(shè)施設(shè)備運行情況進行實時展示，實現(xiàn)工程運行的可視化模擬功能，達到更加科學(xué)的管理目的，為工程運行管理決策提供支持[7]。

4 結(jié) 語

本工程通過自動化控制系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)了調(diào)度中心、管理站、現(xiàn)地對沿線各類閘(閥)門設(shè)施的三級控制，實現(xiàn)了運行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計、分析，為工程運行提供了參考，是實現(xiàn)工程安全穩(wěn)定運行、及時高效調(diào)度的重要保障措施，經(jīng)三年多的運行檢驗，工程系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但由于壓力管道系統(tǒng)運行工況復(fù)雜，對系統(tǒng)中各種閾值的設(shè)定還需根據(jù)實際情況進一步優(yōu)化設(shè)置，同時，管道系統(tǒng)運行過程中采集到的各類參數(shù)的統(tǒng)計分析還需與相關(guān)水力計算相結(jié)合，以更加科學(xué)合理地指導(dǎo)工程運行。