攔河閘、船閘自動化集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

劉沂衡

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會對水利工程的需求日益增長，水利設(shè)施的數(shù)量不斷增加，對其自動化控制系統(tǒng)的要求也越來越高。某供水樞紐攔河閘、船閘是韓江水道的重要樞紐工程，其運(yùn)行情況直接關(guān)系到下游的防洪安全、通航安全、生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)安全。通過采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對某供水樞紐攔河閘、船閘進(jìn)行自動化控制，既可提高工作效率和管理水平，又能減輕人員勞動強(qiáng)度，還可節(jié)約大量的人力成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

某供水樞紐攔河閘、船閘自動化集中控制系統(tǒng)將采用一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對所有機(jī)電設(shè)備的自動控制，對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視、控制和記錄，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上完成各種操作和各種參數(shù)的計(jì)算，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算結(jié)果傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行分析、處理。使整個(gè)船閘或閘室的機(jī)電設(shè)備及其附屬設(shè)備的布局更合理。

現(xiàn)場可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以對整個(gè)船閘或閘室進(jìn)行集中管理和控制。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對船閘或閘室的自動化管理。除計(jì)算機(jī)外，控制系統(tǒng)的硬件主要包括 PLC、人機(jī)界面（HMI）、各種傳感器及執(zhí)行器。它們共同完成系統(tǒng)對設(shè)備的監(jiān)視、控制、測量、記錄、顯示等功能。

在某供水樞紐攔河閘、船閘控制系統(tǒng)中，可根據(jù)具體應(yīng)用場合進(jìn)行選擇和配置，以滿足相應(yīng)的要求?，F(xiàn)場主要采用 PLC 或觸摸屏來完成對設(shè)備的監(jiān)視和控制，同時(shí)也可以采用人機(jī)界面（HMI）來完成與外界的通信及信息交換。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和顯示功能。計(jì)算機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和存儲，并能通過以太網(wǎng)接口與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，是現(xiàn)場操作控制與監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信的紐帶[1]。

在攔河閘、船閘控制系統(tǒng)中，可根據(jù)應(yīng)用場合選用不同功能的觸摸屏或計(jì)算機(jī)；在船閘控制系統(tǒng)中，主要選擇具有觸摸屏功能的計(jì)算機(jī)。

2 硬件設(shè)備存在的問題

某供水樞紐原攔河閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需安裝在WINDOWS NT 架構(gòu)下運(yùn)行，如今WINDOWS NT 架構(gòu)系統(tǒng)已停產(chǎn)，核心硬件設(shè)備多數(shù)已淘汰或停產(chǎn)，并且目前攔河閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用的WINDOWS SERVER 2000 系統(tǒng)平臺已被認(rèn)定為高風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)軟件平臺，存在大量安全漏洞，系統(tǒng)安全性非常低。

攔河閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地設(shè)備由于運(yùn)行時(shí)間長、現(xiàn)地設(shè)備室處于寬闊的江面上，運(yùn)行環(huán)境惡劣，受空氣潮濕、環(huán)境溫度變化大等因素影響，陸續(xù)出現(xiàn)元器件氧化、老化及技術(shù)性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

另外，船閘、魚閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地設(shè)備的陳舊老化等因素導(dǎo)致的系統(tǒng)響應(yīng)緩慢、通信故障、藍(lán)屏、死機(jī)等現(xiàn)象增多，并且部分現(xiàn)地設(shè)備的PLC 模件存在損壞現(xiàn)象，由于備品備件已停產(chǎn)，采購困難，目前已不能滿足運(yùn)行要求。

3 改造后的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)

改造后的供水樞紐攔河閘、船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為船閘中控層和生產(chǎn)調(diào)度控制中心層。在控制網(wǎng)通道上，攔河閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級建設(shè)雙環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級建設(shè)雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過光纖連接，在通道限流或交換機(jī)設(shè)備故障導(dǎo)致系統(tǒng)通信中斷時(shí)，系統(tǒng)自動切換到備用通道。

在船閘中控室布置1 臺船閘操作員工作站，用于船閘的集中控制操作，布置1 臺魚閘操作員工作站，用于魚閘的集中控制操作。通過船閘中控層操作員工作站完成數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、數(shù)據(jù)記錄與存儲等應(yīng)用，通信服務(wù)器與管理區(qū)單向傳輸運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在生產(chǎn)調(diào)度控制中心層的生產(chǎn)調(diào)度控制中心布置2 臺攔河閘/船閘操作員工作站、1 臺魚閘操作員工作站，實(shí)現(xiàn)攔河閘、船閘生產(chǎn)調(diào)度控制中心集中控制的功能。

東溪攔河閘16 孔閘門和西溪攔河閘16 孔閘門分別設(shè)置一套LCU(配置雙網(wǎng))，形成一個(gè)大的雙環(huán)網(wǎng)。自動化控制系統(tǒng)通過交換機(jī)與東溪和西溪攔河閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)LCU 直接連接，收集攔河閘各閘門的運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況，包括閘門開啟前的潤滑水啟停、閘門工作狀態(tài)、開度荷載信息、水位信息等。所有數(shù)據(jù)通過通信傳輸與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送至生產(chǎn)調(diào)度控制中心機(jī)房應(yīng)用服務(wù)器。

船閘現(xiàn)地層由4 臺船閘現(xiàn)地控制單元和1 臺公用LCU(配電與魚閘控制)現(xiàn)地控制單元組成，部署對應(yīng)船閘/魚閘的閘閥門與供配電現(xiàn)地分散控制業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、數(shù)據(jù)記錄等應(yīng)用等功能，實(shí)現(xiàn)船閘本地對各自閘閥門等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)地控制等。

由于改造前船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的閘首LCU中配置有分散式UPS，業(yè)主反映使用體驗(yàn)良好，故在攔河閘、船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各現(xiàn)地閘門LCU 屏內(nèi)單獨(dú)配置一套UPS，裝機(jī)容量2 kVA。

同時(shí)配備廣播設(shè)備、工業(yè)電視系統(tǒng)和信號燈設(shè)備等輔助系統(tǒng)完成自動化控制。

魚閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的外圍輔助(誘魚燈、增氧機(jī)、配電箱等)暫不考慮更換，本次項(xiàng)目接入外圍需控制設(shè)備[2]。

為實(shí)現(xiàn)船舶收費(fèi)調(diào)度功能，在船閘中控室布置1 臺調(diào)度收費(fèi)客戶端，在上、下游收費(fèi)站各布置1 臺收費(fèi)調(diào)度工作站，作為調(diào)度收費(fèi)客戶端，采用B/S 結(jié)構(gòu)，與一體化平臺的調(diào)度服務(wù)器和原有WEB服務(wù)器連接，通過瀏覽器即可使用。收費(fèi)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)置在船閘中控室和生產(chǎn)調(diào)度控制中心，如圖1所示。

圖1 船閘自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

攔河閘及一體化平臺建設(shè)采用全智能控制，主要設(shè)備包括：①PLC 智能設(shè)備：完成對各閘的運(yùn)行狀態(tài)采集，并根據(jù)各閘的閘位信息、閘位監(jiān)測數(shù)據(jù)、水位信息，實(shí)現(xiàn)對各閘的精準(zhǔn)控制；②智能儀表設(shè)備：通過采集閘室各相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對閘室內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制；③其他設(shè)備：如閘門驅(qū)動裝置、閘門安全保護(hù)裝置等；④軟件系統(tǒng)：包括PLC 軟件、組態(tài)軟件、人機(jī)界面等；⑤數(shù)據(jù)通信方式：通過RS485、RS232 等通信方式與一體化平臺進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，如PLC 與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與其它設(shè)備之間等（圖2）。

圖2 一體化平臺結(jié)構(gòu)圖

4 軟件平臺搭建

根據(jù)實(shí)際情況，平臺采用B/S 和C/S 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，服務(wù)器采用阿里云進(jìn)行搭建。應(yīng)用服務(wù)器分別設(shè)置在機(jī)房A、機(jī)房B。應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心的通信通過VPN 技術(shù)進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)房之間的數(shù)據(jù)交換。

應(yīng)用服務(wù)器平臺由監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫備份服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)管理等組成，承擔(dān)了整個(gè)系統(tǒng)的核心功能。監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器對所監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行操作控制，完成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)存儲與檢索、歷史數(shù)據(jù)查詢和打印等功能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供各類歷史數(shù)據(jù)庫的維護(hù)與管理，支持對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。應(yīng)用服務(wù)管理作為監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺的重要組成部分，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)安全可靠、穩(wěn)定高效的軟件平臺，它包括軟件登錄、權(quán)限分配、系統(tǒng)配置管理、日志管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了用戶操作權(quán)限的靈活分配和配置。數(shù)據(jù)庫備份服務(wù)器提供數(shù)據(jù)備份服務(wù)，包括故障恢復(fù)功能，用戶管理功能等，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的在線實(shí)時(shí)恢復(fù)，保證數(shù)據(jù)的安全可靠。在本平臺中，管理系統(tǒng)的用戶身份為管理員，可以通過管理員的操作權(quán)限控制各種操作的執(zhí)行，從而保證了平臺操作的安全性和可控性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要考慮到諸多因素，如系統(tǒng)架構(gòu)、性能、業(yè)務(wù)需求、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等。本平臺的設(shè)計(jì)和部署都是在充分考慮以上因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，也是一次大膽的嘗試，得到了不錯(cuò)的效果。運(yùn)維管理系統(tǒng)是對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行全面監(jiān)控、集中管理、集中報(bào)警、集中分析和統(tǒng)計(jì)的重要工具，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測[3]。

5 各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：采用高速、大容量、傳輸可靠性高的專用通信網(wǎng)絡(luò)，各控制站采用專用以太網(wǎng)或無線通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，并配置相應(yīng)的路由器，實(shí)現(xiàn)各控制站之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。②圖像監(jiān)控系統(tǒng)：采用專用視頻通信網(wǎng)絡(luò)，配置相應(yīng)的服務(wù)器及采集卡，實(shí)現(xiàn)視頻圖像實(shí)時(shí)采集和顯示。③門禁系統(tǒng)：采用專用的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對門禁的控制和管理。在工作人員進(jìn)入施工現(xiàn)場時(shí)，對施工現(xiàn)場的出入口、通道門、門禁控制設(shè)備進(jìn)行自動開關(guān)。在施工人員離開現(xiàn)場時(shí)，對進(jìn)出的人員進(jìn)行自動識別和控制。④在施工現(xiàn)場設(shè)立相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)，通過視頻采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸設(shè)備和電子地圖顯示等手段，對施工現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。⑤緊急報(bào)警系統(tǒng)：在施工現(xiàn)場設(shè)立緊急報(bào)警設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，可以通過緊急報(bào)警設(shè)備及時(shí)通知相關(guān)人員采取緊急措施，確保施工安全。

6 結(jié)語

綜上所述，本文對某供水樞紐攔河閘、船閘自動化集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用及總體架構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)自動化集中控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、安全性，能夠?qū)θ藛T進(jìn)行有效監(jiān)控，并且通過先進(jìn)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)收集，進(jìn)而提升管理水平。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的技術(shù)人員提供一些幫助和參考。