亞控科技軟件在臺灣中港抽水站監控系統中的應用

北京亞控科技發展有限公司 顧 懿

1 背景

臺灣省臺北縣新荘市中港地區由于地勢低洼，貴子坑溪和中港大排兩大排水干線的大水都流向這里，導致附近民眾長期以來深受水患，尤其是當臺風來襲會在短時間內帶來大量降水，由于排水能力不夠更會造成該地區大范圍淹水，災情相當嚴重。

上世紀80年代初，臺北縣政府為了解決淹水問題，修建了中港西抽水站，設置了8個抽水機組，總抽水量達64CMS，用以收集新荘、泰山、五股地區流經的雨水，包括臺一線公路以北，中山高速公路以南之低洼平地，集流面積廣達1,660公頃。主要以新荘市區及五股工業區為主，將新荘市中港、輔仁、泰山及五股低洼地，經中港及貴子坑溪兩大排水干線匯集于五股工業區西北角，排至大窠坑溪，平時雨水少的季節，均以重力自然排水；并于出口處設立中港西抽水站，當雨季尤其是臺風季節來臨，大窠坑溪水位高漲后比排水干道的集水區水位高時，重力閘門關閉并通過中港西抽水站進行機械排水，以達到快速排除市區水澇的問題。

由于長期的泥沙沉積，造成大窠坑溪河床已經高于堤防內的中港大排，所以已經不能靠重力排水方式將中港大排的水排入大窠坑溪，但是因為中港西抽水站進水的水力條件不是很好，也使得中港西抽水站的排洪效果不能達到原始設計的期望成果，因此每逢細雨整個新荘地區都依賴中港西抽水站機械排水。中港西抽水站的建成雖然一定程度上緩解了水患，可是中港抽水站附近區域的土地未來將成為臺北的新都心，臺北縣政府也已經在正式開發周遭的土地，因此由于中港西抽水站抽水能力明顯不足，附近地區在暴雨期間仍然經常淹水。

為永久解決新荘地區的水患，臺北縣政府于2004年陸續擴建了中港西抽水站，增建了中港東抽水站，并制定了以下目標：

（1）擴增中港西抽水站的抽水容量，增加兩部10CMS抽水機組。增建中港東抽水站，兩部5CMS的沉水式抽水機，4部13CMS的軸流式抽水機，共計146CMS，以徹底解決水患；

（2）收集并整合中港東、西兩個抽水站的實時監測信息，并實時顯示于中港東、西站控制室內設立的水情展示及監控系統中，以達到東、西兩站聯合操作的效果；

（3）構建中港東、西兩個抽水站集水區水位、流量、雨量GPRS無線采集系統，為類神經水情預測系統提供實時水位、流量、雨量數據，類神經水情預測系統提供抽水站前池水位未來5分鐘、10分鐘及30分鐘的水位預測，警示功能。

2 項目規模

增擴建后，中港東西兩站抽水機組總數為16部，重力閘門24扇，粗格柵12臺，細格柵14臺及其他相關引水閘門、冷卻水系統、燃油系統、發電機等設備。

除上述設備之外，中港東及中港西上游增設了6個流量站、6個水位站、4個雨量站，并且配備類神經水情預測網絡系統，用來預測未來一段時間內上游水情變化趨勢。

經過擴建后的中港抽水站，總抽水容量達146CMS（遠高于目前所需求的134CMS），也就是525600噸/小時，抽水能力非常之大，完全可以達到快速排澇的效果。如圖1、圖2是增擴建后的中港東西兩站平面圖。

圖1 中港東抽水站平面圖

圖2 中港西抽水站平面圖

3 項目業主、集成商、設計院

（1）業主：臺北縣政府

（2）監造單位：萬銘工程科技股份有限公司

（3）總承攬商：信大環境工程股份有限公司

（4）系統集成：英碩系統科技股份有限公司

4 項目主要軟硬件產品

4.1 主要硬件產品

PLC：貝加萊B&R

工控機：研華工控機

服務器：IBM服務器

網絡交換機：MOXA網絡交換機

4.2 主要軟件產品

SCADA軟件：北京亞控King View繁體中文版

工業庫軟件：北京亞控King Historian英文版

水情預測軟件：臺灣大學水工實驗室

5 項目挑戰

5.1 水情預測方面

本次項目擴建后，基于過去的經驗，臺北縣政府深刻感受到監控系統缺乏水情預測是一個很大的缺失。因此本次擴建目標中明確提出要增加水情預測系統，即水位流量預測分析系統，以做到防患于未然。

水情預測系統要求必須提供一套成熟的水情預測分析雛形系統，確保證實水位預測的可行性，逐步實施第二期及第三期計劃，第三期實施完成后預期達到整個抽水站根據預測資料實現完全自動操控，以減少人力支出及人為造成的事故。

為達成上述目標，必須要有一個強大的數據庫支撐：以大量、快速存取現場的實時信息，進行長期的歷史數據存儲，為水情預測系統的分析提供足夠的數據資源；同時要考慮數據量較大，實時性較高時對系統資源的占用問題、數據庫系統的穩定性問題，必須要嚴格考慮。

2007年實施的原電腦監控系統使用的是Honeywell組態軟件，數據庫是Honeywell組態軟件自身的歷史數據庫，已經完全不能滿足上述對數據長期大量存儲、分析的要求。

5.2 實時監控方面

本項目增擴建后，在設備種類和數量繁多、設備控制流程復雜、實時采集監控點數達3000多點的情況下，必須采取可靠的監控設備和技術，才能確保抽水機組在惡劣的臺風天氣能夠正常連續運行，確保當地居民的生命財產安全。

本項目明確要求：上位監控系統必須能夠即時顯示各個設備的運轉狀況、即時記錄所有設備的運轉信息、即時記錄各設備故障信息和產生的報警信息；可隨時查詢某一段時間內各抽水機組中關鍵點的工作情況，需提供基于水位等的各種重要監測信息的分析統計報表；不允許系統出現停止監控的情況發生，不允許有任何信息的遺失。

為了實現上述功能，該系統對數據存儲和查詢的功能、性能要求都極高，要求有方便的報表查詢系統的支持，而該抽水站原有的軟件監控系統不能實現對歷史報警和歷史數據的報表查詢。

6 解決方案

為實現擴建后的中港抽水站達到想要的實時信息監測目標和及時提供水位流量的預測結果，臺灣英碩系統股份有限公司作為本項目實施的系統集成商，決定選用北京亞控科技組態王軟件King View和工業數據庫軟件King Historian，以此來構建整個抽水站的監控系統。同時和臺北大學水工研究所合作完成水情預測系統的構建和結果預告。該系統解決方案融合了現場通信技術、數據庫技術、SCADA/HMI技術、C/S技術等的一體化的數據采集監控系統整體解決方案。

6.1 完整的解決方案架構圖

中港抽水站監控系統解決方案系統架構圖，如圖3所示。

圖3 中港抽水站監控系統解決方案圖

（1）為保障項目安全可靠，本監控系統全部采取冗余配置體系。

所有的PLC與上位監控計算機均采用雙網絡連接通訊，這種連接方式避免了單一網絡系統中網絡出現故障后現場實時數據不能及時傳到監控中心的弊端。當主網絡通訊中斷時，通過PLC自動切換到從網，保證通訊鏈路不中斷，為系統不間斷采集提供了可靠性保障。

上位監控軟件組態王也采用了雙機熱備配置；其構造思想是主機和從機通過TCP/IP網絡連接，正常情況下主機處于工作狀態，實時跟I/O設備通訊完成對實時數據的監控；從機處于監視狀態，一旦從機發現主機異常，從機將會在很短的時間之內代替主機，完全實現主機的功能。

（2）工業數據庫King Historian和水情分析預測雛形系統充分結合，是水位預測高準確性的關鍵措施。

? King Historian是北京亞控科技發展有限公司面向現代化制造型企業推出的工業數據庫產品，具有以下特點：

? King Historian可以在線連續存儲，并達到15萬條記錄/秒的存儲速度；King Historian單客戶端單點查詢速度達到平均20萬條記錄/秒, 256個客戶端并發查詢，每秒可達2萬條記錄；King Historian穩定支持256客戶端并發查詢。

? King Historian單臺服務器可支持100萬點的數據點。

? King Historian數據壓縮可壓縮掉25%～95%的數據，具有超大的數據存儲容量，可實現長達數年的歷史數據保存和歸檔。

? King Historian具有高可用性、高容錯性（健壯性）和高可靠性，支持雙機冗余配置。

? King Historian支持開放的數據訪問接口OLEDB（ADO）、SQL-92（99）、XML、OPC標準，可與其他系統方便交互實時、歷史數據。

類神經網絡系統是臺灣大學水工所推出的一款基于水位預測分析系統，該系統主要原理是模仿人類神經系統(能夠大量且平行式處理各種數據信息)，而設計出了一套水位分析預測模型。其建構模式就是建構過程中需對輸入資料信息做相關性分析，以確認各監測點水位與流量、水位與雨量間的相互關系，以此來預測下一時刻關鍵地區水位的情況。該系統經過多年的項目運用經驗和不斷修正，目前水位預測的準確度得到業內的高度認可。

（3）完善的基于分布式網絡監控系統，督導單位可使用3.5G的GPRS無限網絡通過VPN方式可隨時隨地掌握抽水站運營實況。

（4）水情預測分析結果隨時以短信方式按不同權限發送給臺北縣政府及水利署河川局及新莊事公所指定人員，以方便他們隨時向抽水站提供技術支援。

7 運行效果

中港抽水站自動化系統于2009年2月開始運行測試，同年3月正式啟用。北京亞控組態王和King Historian軟件在中港東、西抽水站成功應用以后，成功實現了對抽水站所有設備的實時監控，并能實時顯示水情信息及完成水情預測和通知，方便了抽水站人員對設備的操作和維護，更為臺北縣政府解決當地民眾的淹水問題提供了可靠的保證。

臺灣內政部長李逸洋指出，中港東抽水站的及監控系統的全面啟用，是新莊市民一大福音，中港大排東西抽水站的總抽水量，僅次于臺北市的玉成抽水站，抽水防洪系統相當完善。