沂沭泗直管控制性涵閘遠程控制系統應用分析

王從明

（淮河流域水資源保護局 蚌埠 233001）

沂沭泗直管控制性涵閘遠程控制系統應用分析

王從明

（淮河流域水資源保護局 蚌埠 233001）

本文對工業級的控制系統體系結構進行了介紹，分析了沂沭泗直管控制性涵閘自動化控制系統的現狀特點，結合沂沭泗局網絡現狀，提出了涵閘遠程控制系統技術應用方案，集成現有多個自動化控制系統，實現沂沭泗直管控制性涵閘集中管理和統一調度的目的。

控制性涵閘 控制系統 遠程監控

1 引言

沂沭泗流域地處我國南北氣候過渡地帶，降水年內分布不均，多集中于汛期，主要河道源短流急、峰高量大，洪水陡漲陡落，往往在暴雨結束后的幾個小時之內，主要控制站就出現洪峰，洪水預見期短、傳播快。流域各主要河湖又相互連通，洪水調度過程中，某一控制點的動作，往往會產生一連串的反應。因此，流域各控制性涵閘調度十分頻繁，迫切需要建立集遠程監視與集中控制于一體的遠程控制系統，利用現代化通信和計算機網絡技術實現控制性涵閘遠程實時監視和控制，便于對全流域洪水的集中管理和統一調度，發揮防洪、排澇、蓄水、灌溉、航運等綜合效益，全面提高防洪調度水平，實現由控制洪水向洪水管理轉變。

圖1 控制系統體系結構

2 控制系統體系結構

根據信息系統開放、標準的思路，工業級的控制系統體系結構一般分為現場設備層、監控層和管理層（如圖1），各個層次的通信協議符合國際標準的開放式系統互連模型，保證了系統的開放性和標準化，便于系統集成。其硬件及通信協議專門為適合嚴重電磁干擾、液體侵蝕、高度污染和機械沖擊等工業環境設計。

現場設備層。該層分散的現場設備通過專業網絡互連并通信，根據現場的環境特點，專業網絡一般采用現場總線（如ProfiBus），現場總線具有開放、可操作的優點，將分散的現場各控制器和儀表互連，大大降低建設和維護成本。現場設備層是控制系統體系的基礎，各種信息的來源，主要完成數據采集、數字控制、設備檢測與診斷。

監控層。通過監控計算機監視現場設備層采集的所有信息，集中顯示和操作，進行系統結構設計、組態、優化計算和參數修改。監控層設備相對比較集中，一般采用局域網絡進行互連、通信。

管理層。將監控層局域網絡接入管理單位的信息系統主干，建立統一的數據體系，使整個系統具有開放的軟硬件平臺，實現從底層到頂層的數據采集、處理、融合和管理，達到在整個管理單位層面實現人、財、物總體協調和管理的目的。由于管理單位一般具有多級分支機構，監控層分散于各分支機構，一般采用廣域網絡進行互連、通信。

3 涵閘控制系統應用分析

沂沭泗直管控制性涵閘包括二級壩一閘、二閘、三閘，復新河閘、韓莊閘、老運河閘、劉道口閘、彭道口閘、江風口閘、新沭河閘、人民勝利堰閘、嶂山閘和宿遷閘等水閘，其中大部分初步實現了現地自動化監控。現場設備采用ProfiBus-DP、MODBUS等總線互連，每條總線安裝一臺PLC和一臺監控計算機，PLC和監控計算機作為該總線的主站，其他現場設備為從站，主站之間采用令牌環方式交互數據，從站和主站之間采用C/S方式交互數據。總線循環時間小于10ms，數據傳輸速率達到1.5Mbps。多條總線通過工業以太網絡連接，為加強系統的可靠性，工業以太網采用環形結構，數據傳輸速率最大達到10Mbps，循環時間小于100ms。

圖2 遠程監控系統示意圖

據現狀分析，沂沭泗直管控制性涵閘現地自動化監控系統初步實現了控制系統體系結構中的現場設備層和監控層功能。為實現集中管理和統一調度的目的，需要進行管理層建設，依托現有的計算機網絡，在沂沭泗局本部建設監控平臺，匯集所有涵閘的信息，并進行數據處理、融合和管理。根據計算機廣域網絡狀況，數據傳輸速率為2～8Mbps，循環時間小于1000ms。

沂沭泗各涵閘現地自動化監控系統建設時間跨度較大，采用的技術標準存在較大的差異，分別采用了不同類型的組態軟件（WinCC、Cimplicity、InTouch等）作為監控層管理軟件。由于這類組態軟件是比較單純的工業自動化軟件，功能偏重于單個系統對控制對象的管理和操作，當使用這種軟件為一個涵閘或在一個級別上對多個涵閘服務的時候，有良好的可用性、可靠性和穩定性。但是，當系統擴展到在廣域的范圍內，在多個級別上對多個涵閘進行權限和控制管理，就會存在若干問題。首先，多個級別的監控系統同時控制一個涵閘，權限協調問題難以解決；其次，多個級別的監控系統獨立取得涵閘數據，存在數據的一致性問題；第三，多個級別的監控系統實際上是在由多個級別的數據庫調整之下的獨立系統，不能形成統一系統；第四，這種結構的可擴展性較低，當涵閘數量增多，或應用發生擴展時，需要花費大量時間進行擴展，而且難以部署；第五，開發相對來說復雜，不僅需要開發本地系統，還要開發權限管理協調系統。

綜上所述，比較切實可行的辦法是建設一套獨立的遠程監控系統，對現有的現地自動化監控系統進行集成。系統應包含一個監控平臺和多個分散的I/O組件，監控平臺與I/O組件通過現有的廣域網絡進行通信（如圖2）。

監控平臺建設在管理層，應包括數據庫、人機界面組件和系統配置組件幾部分。數據庫存儲采集的所有涵閘信息；人機界面組件提供圖形化界面，直觀的顯示監控信息；系統配置組件提供系統配置修改、權限分配的功能。

I/O組件建設在各監控層，但是與監控層現有設備是相互獨立的，I/O組件直接連接現場設備層的PLC。PLC是所在總線的主站設備，擁有該總線的所有數據，I/O組件從PLC取得數據，實時傳送給監控平臺的數據庫。當增加新的監控站點時，只要增加I/O組件即可完成系統集成，擴展性較強。

由于遠程監控系統具有統一的開發配置環境，集中了安全策略，具有靈活的數據連通性，易于維護，并能與現有監控系統緊密集成，適應了新世紀下沂沭泗局的治水需求。因此，系統能夠延長現有監控系統的使用壽命，增加其隨時間推移的功能值，從而提高沂沭泗局整個監控體系建設的投資回收率。

4 總結

沂沭泗流域跨蘇魯兩省，主要控制性工程由沂沭泗局統一管理和調度，并建立了完善的管理機構，為建立一個以整個流域為單元的、完整的洪水監控與調度管理系統建設提供了良好的條件。建設沂沭泗直管控制性涵閘遠程控制系統，必將大大提高流域直管工程的防洪減災和洪水資源利用水平