通榆河北延送水工程自動化系統設計與實現

劉雪芹，劉新泉，梁云輝

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

通榆河北延送水工程連云港境內涵閘工程全長71.2km，主要分布在連云港市灌南縣、灌云縣、新浦區、海州區和贛榆縣境內，工程由新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、東門河節制閘、界圩河節制閘、車軸河節制閘、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站、青口河控制閘和青口河引水閘等13個工程組成，主要作用是解決連云港港口及臨港產業發展用水，提高連云港市供水保證率，保證河道通航水位，并且具備調度排澇等功能。

通榆河北延送水工程連云港境內涵閘工程供水范圍廣，沿線泵站、節制閘、套閘和地涵眾多，管理和調度難度較大。為保證通暢輸水，合理配置水資源，充分發揮引供水工程的效益，建立一個綜合自動化系統十分必要。

1 系統設計

綜合自動化系統總體框架采用分層、分布、模塊式體系結構，各層之間通過以太網或現場總線進行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護、擴展和升級。同時遵循公專結合原則，充分利用運營商和水利部門現有的通信網絡及信息資源，避免重復建設。

綜合自動化系統主要由計算機監控子系統、視頻監視子系統和廣播信號指揮子系統組成，系統構成如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統構成

計算機監控子系統完成對泵站主機與輔機、節制閘和套閘、地涵閘門的控制與調節；視頻監視子系統主要通過攝像機、工業液晶顯示大屏等設備，在控制室監視機組與閘門的運行狀況；廣播與信號指揮子系統通過擴音喇叭和交通信號燈等設備對船舶的過閘運行進行指揮和管理。幾個子系統既相對獨立，又有機結合，在對現場設備控制時，通過計算機監控子系統和視頻子系統相互輔助完成設備控制，節制閘與套閘的最佳過閘方案又依賴廣播與信號指揮系統的具體執行。

2 計算機監控子系統

連云港境內通榆河北延送水工程由2座泵站、4座地涵、6座節制閘、1座套閘共13座工程組成，工程按行政管理區域劃分為3部分，即灌云縣送水工程區域、連云港市送水工程區域和贛榆縣送水工程區域3部分。在連云港市建立連云港市通榆河北延送水工程調度管理控制中心，在灌云縣送水工程區域、連云港市送水工程區域和贛榆縣送水工程區域3處建立控制分中心。系統整體結構如圖2所示。

計算機監控子系統為分層分布開放式結構，分為3級，即集控中心、控制分中心和主控級?？刂茩嘞鄳譃?級，可以進行無擾動切換，系統越接近現地設備，控制權限越高。主控級的控制優先級別最高，控制分中心控制級別其次，集控中心的控制優先級別最低[1]。主控級除能迅速可靠、準確有效地完成對泵站主機與輔機、節制閘和套閘、地涵閘門的安全監視和控制，還要完成對整個監控系統的運行管理，包括數據存檔、檢索、運行報表生成打印和對外通信管理等[2]。

圖2 系統結構圖

計算機監控子系統由監控工作站、通信服務器、網絡交換機、現地控制單元以及各類傳感器等組成，實現數據采集與處理、運行監視和事故報警、控制與調節、數據通訊等功能。

上位機監控軟件完成對機組與閘門的運行監控及管理，實時監測、采集各現地控制單元運行狀態信號，完成機組與閘門、配電系統等設備運行的實時監視與遠程控制；實現歷史數據存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。

現地控制單元配有彩色觸摸屏，人機界面功能通過觸摸屏實現，運行人員能通過觸摸屏直接對機組和閘門進行操作[3]?，F地控制單元的設計能保證當它與上位機系統通訊中斷后仍然能實現對機組和閘門進行必要的監視和控制，能夠監控主機與輔機系統的啟停、閘門的提升和降落、水位和開度、荷重的采集、配電設備的運行狀況及其他相關設備運行參數，當其與上位機恢復聯系后又能自動地服從上位機系統的控制和管理[4]。

控制分中心通過網絡與下轄各主控級鏈接，實現信息采集與調度指令的下發，實現遠程控制，同時將機組與閘門的運行狀態、參數等上傳給集控中心。

主控級計算機監控子系統設在各閘站、泵站的控制室，配置監控工作站、數據服務器、通信服務器以及網絡交換機等設備。監控工作站通過交換機同PLC通信實現對機組、輔機系統、閘門、配電系統等現地設備的監控及運行信息和數據的采集(如機組電量、溫度參數、閘門開度、荷重、水位、流量、壓力等運行參數)；數據服務器用于存儲歷史數據；通信服務器用于同分中心通信將機組、輔機系統、閘門的實時運行信息與數據上傳至控制分中心[5]。

主控級系統結構如圖3所示。

圖3 主控級系統結構圖

3 視頻監視子系統

視頻監視系統主要通過攝像機、監視器以及顯示大屏等設備對機組與閘門、輔機及配電系統的運行狀況進行監視。在上下游、主廠房、啟閉機房、設備間等重要部位設置攝像機，前端攝像機采集的視頻信號通過交換機等網絡通訊設備傳輸至硬盤錄像機，在中控室的監視器上分別以單畫面、4畫面、16畫面等多種顯示模式顯示出來，同時將視頻信息輸出至顯示大屏做細致監控。對于設置在現地的任意一路活動攝像機，在中控室可以通過控制鍵盤遙控操作活動攝像機的云臺轉動及變焦，從而對現場設備進行全方位、更細致的監控。

系統可在無人值班的情況下正常工作，避免因人為疏忽導致系統不能正常運行情況的發生。系統可在多路視頻同時顯示情況下，同時進行實時錄像與多路現場同步錄音，同時能夠保證錄像資料回放時不丟幀。

4 廣播與信號指揮子系統

節制閘和套閘具有船舶通航要求。廣播系統由定壓功放、前置放大器、手持無線話筒和揚聲器等設備組成，信號指揮系統由布置于上、下游和閘室內的交通信號燈組成，兩者作為通航時組織和指揮船舶過閘之用。調度員根據收費調度系統制定出最佳過閘方案，進行船舶登記、過閘費征收及票據管理、船舶調度等業務工作，交通信號燈根據上行和下行規則自動設定進出閘信號和停止信號，指揮員通過話筒指揮相關船舶有序進閘、出閘，并在船舶進出閘過程中通過視頻畫面進行跟蹤實時監視，指導船舶通行[6]。

5 分中心建設

分中心按照行政管理區域劃分為3個，即灌云縣送水工程分中心、連云港市送水工程分中心和贛榆縣送水工程分中心。灌云縣分中心采集東門河節制閘、車軸河節制閘、界圩河節制閘的數據和圖像，該分中心設在東門河閘控制室；連云港市分中心采集新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站的數據和圖像，該分中心設在善北套閘控制室；贛榆縣分中心采集青口河控制閘和青口河引水閘的數據和圖像，該分中心設在青口河閘控制室。

分中心配置監控工作站、數據服務器和數據通信服務器，分中心計算機監控系統通過監控工作站與轄區內主控站的通信服務器進行通訊，實時監測、采集各現地控制單元運行狀態信號，完成對機組、閘門等設備運行的實時遠程監控；通過數據服務器實現歷史數據存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。分中心的設計能保證當一部分主控站與分中心監控工作站通訊中斷后仍然能實現對通訊正常的主控站進行監視和控制功能。

各分中心通信服務器同集控中心經網絡防火墻通過水利專網將分中心采集到的現場設備運行參數上送至集控中心將機組、輔機系統、閘門的實時運行信息與數據上傳至集控中心，從而實現各分中心的信息上送。

6 集控中心建設

集控中心采集灌云縣分中心、連云港市分中心和贛榆縣分中心的數據和圖像，該集控中心設在連云港市通榆河北延送水工程管理處。

集控中心配置Web服務器和監控工作站、視頻綜合管理平臺；監控工作站同轄區內分中心的通信服務器通訊，采集各分中心的實時數據，通過Web服務器發布功能將采集到的現地各站點信息發布至水利專網，視頻綜合管理平臺同各分中心視頻管理平臺進行通訊采集各站點重要部位的視頻信息，并將該視頻信息發布至水利專網；計算機和視頻監控子系統兩者有機結合，供管理處各科室工作人員通過IE瀏覽器獲取各站點運行工況和視頻圖像信息；主控級、分中心級與集控中心級組網結構如圖4所示(以連云港市為例)。

圖4 系統組網結構圖

系統組網采用公專相結合的組網方式，距離較遠時傳輸方式采用向電信租賃10M帶寬方式，設有1個固定IP地址的網絡結點，距離較近時采用自建光纖組網方式。泵站、節制閘和地涵監控系統通過租賃水利專網和自建光纖網把各自數據上傳至善北套閘分中心，經該分中心監控工作站整合后接入善北套閘分中心網絡交換機，分中心配置一套網絡防火墻，再通過水利專網與連云港市集控中心相連接，實現下轄各工程站點機組與閘門的遠程監控和監視功能。

7 結語

連云港境內泵站與涵閘工程是通榆河北延送水工程的重要組成部分，其自動化系統監控對象包括了沿線眾多工程的機組、閘門及電氣設備，設備數量與種類多、沿線距離長、控制范圍廣，因此要求系統性能必須更加安全、可靠。系統在保證可靠實用、易擴充的前提下，完全按照分層分布式結構進行設計和建設，按集控中心、控制分中心與主控級三級進行組網，經過近5年不間斷運行，實踐證明該系統達到了技術先進、結構合理、功能完善的要求。

通榆河北延送水工程綜合自動化系統的建立大幅度減少了供水風險，提高了供水工程的效益，提高水資源利用、配置、節約和保護的水平，系統在通榆河北延送水工程中發揮了巨大的作用。

[1] 羅秀卿, 潘世虎, 劉清文. 淮安樞紐計算機監控系統[J]. 水利規劃與設計, 2005(01).

[2] 駱偉明, 吳迪. 青溪水電廠閘門監控系統改造[J]. 水電自動化與大壩監測, 2008, 32(03): 77- 80.

[3] 徐進軍, 邱春華. 大田河(落生、大地)梯級水電站計算機監控系統設計的特點[M]. 北京: 水利規劃與設計, 2008(04).

[4] 黃干祥. 杜家臺分洪閘控制系統改造和遠程監控設計[J]. 水利規劃與設計, 2014(06).

[5] 童顒, 徐青. 通信管理裝置在泵站計算機監控系統中的應用[J]. 水電自動化與大壩監測, 2008, 32(01): 78- 80.

[6] 劉雪芹, 劉新泉, 姚懷柱, 等. 三河船閘計算機監控系統設計與應用[J]. 江蘇水利, 2012(08): 30- 31.