南水北調(diào)閘站自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

石雨生，徐志明，張恒昌

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109）

南水北調(diào)東線一期工程山東段閘站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中管理機(jī)構(gòu)分為三級(jí)：一級(jí)調(diào)度中心（主調(diào)中心）、二級(jí)管理局分中心、三級(jí)現(xiàn)地管理處。目前“兩級(jí)調(diào)度、三級(jí)管理”的調(diào)度模式趨于成熟，兩級(jí)調(diào)度是指由二級(jí)局分中心根據(jù)調(diào)度指令要求直接對(duì)所轄的現(xiàn)地閘站進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，完成日常調(diào)水作業(yè)。閘站參與調(diào)水作業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備主要包括啟閉機(jī)、開(kāi)度儀、PLC 成套柜等。自動(dòng)化控制系統(tǒng)自建成投入運(yùn)行后，大大提升了調(diào)水作業(yè)的規(guī)范性、安全性。同時(shí)，部署遠(yuǎn)程和現(xiàn)地組態(tài)軟件，建立一個(gè)分布式監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)統(tǒng)一的協(xié)議使各監(jiān)控平臺(tái)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信和交互，監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)與各級(jí)閘站監(jiān)控系統(tǒng)交互，提供了現(xiàn)場(chǎng)閘站“無(wú)人值守”化管理的技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、操控[1]。

本文在剖析南水北調(diào)東線一期工程山東段閘站自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理功能設(shè)計(jì)進(jìn)行探究，為日后調(diào)水作業(yè)控制數(shù)據(jù)的采集、分析、精細(xì)化應(yīng)用提供參考。

1 閘站自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

南水北調(diào)山東段一期的閘站自動(dòng)化系統(tǒng)由遠(yuǎn)程和現(xiàn)地兩部分構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要有調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)全線閘站調(diào)度運(yùn)行作業(yè)和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控；分中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)所屬各閘站系統(tǒng)控制與監(jiān)控。現(xiàn)地站控制系統(tǒng)部署在各現(xiàn)地閘站，通過(guò)采集PLC的數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)行現(xiàn)地操作控制，與底層的水位計(jì)、流量計(jì)及部分終端直接通訊。

監(jiān)控服務(wù)主要有：監(jiān)控管理，監(jiān)控各閘站的運(yùn)行情況及指令下發(fā)；控制模型，負(fù)責(zé)閘站控制邏輯及運(yùn)算單元；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理及數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。

現(xiàn)地站主要運(yùn)行兩套冗余熱備的PLC 設(shè)備，以其中一臺(tái)PLC 為主，一臺(tái)為輔，可以任意切換，PLC 模塊主要采用 Quantum M340 系列，CPU 模塊間通過(guò)熱備光纖相連；現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)主要進(jìn)行水位信息、流量信息、開(kāi)度信息、電流信息、電壓信息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析篩選，為設(shè)備安全運(yùn)行提供有效依據(jù)，為后期數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理功能設(shè)計(jì)

對(duì)于沿線各閘站自動(dòng)化系統(tǒng)采集、監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要包括閘前水位、閘后水位、流量、閘門(mén)啟閉狀態(tài)、開(kāi)度信息、電量信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、限位及荷重狀態(tài)、相序故障信息等，并實(shí)施閘門(mén)現(xiàn)地及遠(yuǎn)程的自動(dòng)啟閉控制。

2.1 功能概述

數(shù)據(jù)采集功能主要包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閘站水位、流量、開(kāi)度、電量信息、限位及荷重狀態(tài)以及各種狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。控制功能主要包括現(xiàn)地PLC 柜及遠(yuǎn)程控制平臺(tái)下發(fā)控制指令并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閘門(mén)的目標(biāo)。

通過(guò)現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)將現(xiàn)地設(shè)備數(shù)據(jù)信息全部采集到PLC 控制柜，分析后上傳至遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，集中展示數(shù)據(jù)信息。

1）水情信息采集。對(duì)閘室閘門(mén)開(kāi)度、閘門(mén)啟閉狀態(tài)、水位及電源、供配電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。所采集數(shù)據(jù)在上傳遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的同時(shí)，還需為現(xiàn)地控制、監(jiān)控、管理及記錄提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

平陰渠道管理處所轄閘室大部分采用電子水尺采集方式，該設(shè)備安裝于閘前、閘后翼墻處，通過(guò)測(cè)量水淹沒(méi)傳感器的高度并經(jīng)換算后獲得水深。所測(cè)數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備傳輸?shù)絇LC 控制柜。

2）流量信息。重要節(jié)點(diǎn)安裝流量計(jì)進(jìn)行流量數(shù)據(jù)采集并上傳；非重要節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算模型加載流量信息，流量計(jì)算模型通過(guò)實(shí)時(shí)水位信息、水位設(shè)計(jì)高程、開(kāi)度、閘站類(lèi)型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)定可修整變量參數(shù)實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的計(jì)算。

3）遠(yuǎn)程控制。通過(guò)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)度、啟停的控制。遠(yuǎn)程控制平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)將控制指令下發(fā)至現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)，現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)通過(guò)解析控制指令，將控制命令下發(fā)至現(xiàn)地啟閉機(jī)控制系統(tǒng)。

4）故障報(bào)警自動(dòng)上報(bào)。水位異常變化和閘門(mén)異常變化均可發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警閾值可在管理端進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)出現(xiàn)通訊狀態(tài)中斷、閘門(mén)沖頂、停電、過(guò)流等故障狀態(tài)時(shí)平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警數(shù)據(jù)在上傳平臺(tái)的同時(shí)在本地記錄留存。

5）事件操作記錄。啟停狀態(tài)變化、操作指令（包括遠(yuǎn)程指令）、控制參數(shù)的增加、刪除、修改等動(dòng)作、故障報(bào)警狀態(tài)將作為事件在上傳平臺(tái)的同時(shí)在本地記錄留存。

6）事件警告。啟停狀態(tài)變化、操作指令（包括遠(yuǎn)程指令）、控制參數(shù)的增加、刪除、修改等動(dòng)作均可觸發(fā)事件報(bào)警。

7）參數(shù)設(shè)置。由于外界環(huán)境的變化，測(cè)量設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)微差，消除微差，參數(shù)修改。

8）聲光報(bào)警。遠(yuǎn)程提升閘門(mén)時(shí)會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)人員提前告示，閘門(mén)在動(dòng)作之前會(huì)有聲光警示。

2.2 輸入、輸出項(xiàng)

1）輸入項(xiàng)。通過(guò)PLC 實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)如模擬量與開(kāi)關(guān)量，對(duì)需要計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按不同類(lèi)型分別存入不同的數(shù)據(jù)庫(kù)表，以備查詢(xún)。現(xiàn)場(chǎng)需要采集的數(shù)字量有：?jiǎn)㈤]機(jī)手動(dòng)、自動(dòng)、停止、運(yùn)行、故障、機(jī)械上下限、儀表上下限狀態(tài)，采集模塊為DDI1602，該輸入模塊觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)程序的輸入寄存器地址，由此在程序中對(duì)應(yīng)分配正確的寄存器地址，該狀態(tài)就會(huì)相應(yīng)發(fā)送至觸摸屏。

水位采集設(shè)備包括浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、電子式水位計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)、壓阻式水位計(jì)。水位計(jì)輸出信號(hào)包括2 種，一種是RS485 Modbus 協(xié)議類(lèi)型，一種是4～20 mA。其中采集4～20 mA 的模擬量信模塊為AMI0810 模塊，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，給定相應(yīng)的通道分配，程序中建立模擬量轉(zhuǎn)換功能塊，功能塊經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，然后整定輸出相應(yīng)的閘前、閘后水位。RS485 Modbus 協(xié)議采集模塊為BMXNOM0200 串口模塊，通訊格式9600.0.8.1 地址等參數(shù)設(shè)置正確后，在PLC 程序中就可讀到水位計(jì)信號(hào)，讀到的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在指定的寄存器中。

現(xiàn)地高壓柜的電量為多功能表，傳輸方式為RS485，Modbus 協(xié)議，采集模塊為 BMXNOM0200串口模塊，通訊格式9600.0.8.1 地址等參數(shù)設(shè)置正確后，在PLC 程序中就可讀到電能表的電流、電壓等參數(shù)，讀取的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在指定的寄存器中。

2）輸出項(xiàng)。通過(guò)PLC 采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息存放在不同的寄存器中，作為限制條件執(zhí)行邏輯程序，包括遠(yuǎn)程開(kāi)閘、關(guān)閘、停止等，限制條件滿足，執(zhí)行信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)外部繼電器，由外部繼電器去啟動(dòng)或關(guān)閉信號(hào)。

采集到的模擬量、開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，PLC 可通過(guò)接口通道讀取各類(lèi)數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算、整定、處理得出實(shí)際的測(cè)量值。

2.3 流程邏輯

底層設(shè)備的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)采集模塊傳輸?shù)絇LC 處理單元，PLC 進(jìn)行計(jì)算處理判斷后，在監(jiān)控單元上進(jìn)行展示，包括觸摸屏和上位機(jī)，并且存入上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備優(yōu)化升級(jí)

經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)度作業(yè)，可以看到傳統(tǒng)采集設(shè)備普遍存在“測(cè)不到、測(cè)不準(zhǔn)、測(cè)得慢、成本高”[2]的難題。尤其是在南水北調(diào)東線現(xiàn)場(chǎng)工況下，高溫、灰塵和濕度過(guò)大是導(dǎo)致各類(lèi)采集設(shè)備損壞的主要原因[3]。各類(lèi)采集設(shè)備提供了基礎(chǔ)決策的數(shù)據(jù)，為保證這些采集設(shè)備可靠運(yùn)行，在優(yōu)化運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮水質(zhì)和冰期調(diào)水作業(yè)對(duì)水位采集的影響，充分考慮感應(yīng)、傳輸、供電等電子元件的使用壽命、故障率對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，根據(jù)運(yùn)行維護(hù)工況對(duì)故障頻發(fā)的水位、閘位等采集設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

3.2 強(qiáng)化數(shù)據(jù)篩選和清洗

基于具有強(qiáng)大處理功能的PLC，高頻次的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中產(chǎn)生了大量干擾數(shù)據(jù)或無(wú)效數(shù)據(jù)。在進(jìn)行閘站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，已經(jīng)采取了一定的過(guò)濾策略。然而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，暴露了不能全面覆蓋數(shù)據(jù)種類(lèi)、范圍的缺陷。應(yīng)當(dāng)在原有過(guò)濾策略的基礎(chǔ)上建立一套數(shù)據(jù)分析決策機(jī)制，在保證真實(shí)交互的基本需求下，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，篩選和清洗干擾數(shù)據(jù)，降低PLC和遠(yuǎn)控系統(tǒng)的處理負(fù)荷。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”總基調(diào)的確定，水利信息化已開(kāi)始步入快車(chē)道，強(qiáng)大而完善的閘站自動(dòng)化系統(tǒng)有效提升了南水北調(diào)東線調(diào)水作業(yè)效率，采集設(shè)備的提升改造保障了自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。在完善遠(yuǎn)控、現(xiàn)地控制功能的同時(shí)，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理的設(shè)備、流程，引入數(shù)據(jù)分析技術(shù)，全面提升南水北調(diào)東線的閘站自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程的自動(dòng)化操作、精準(zhǔn)化控制、智慧化調(diào)度等方面，確保安全運(yùn)行，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠的保障。