長(zhǎng)距離調(diào)水工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

管世珍

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州456150）

南水北調(diào)中線工程全長(zhǎng)1 432 km，全線64座節(jié)制閘、97座分水口、54座退水閘、61座控制閘，總計(jì)276座閘站建筑物。為實(shí)現(xiàn)全線范圍內(nèi)的輸水信息、閘門運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，采用超聲波流量計(jì)和水位計(jì)采集水情信息，采用各類壓力、溫度傳感器和儀器儀表采集閘門運(yùn)行參數(shù)，通過PLC控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制，設(shè)計(jì)出同時(shí)具備現(xiàn)地和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的閘站監(jiān)控系統(tǒng)。

中線工程是非常有代表性的長(zhǎng)距離調(diào)水工程，沿途閘站布置距離較遠(yuǎn)，在水流量、水位發(fā)生變化的情況下，為快速獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，保證閘門根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)，多層分布式閘站監(jiān)控系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)多層次監(jiān)視與控制功能的最佳選擇，參照管理機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)地閘站為總局、分局、管理處提供運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、閘門狀態(tài)控制，現(xiàn)地站作為閘站監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各重要節(jié)點(diǎn)功能依據(jù)[1]。如圖1所示。

1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

閘站監(jiān)控系統(tǒng)以“先進(jìn)性、可靠性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)充性”為基本原則，確保系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)主界面

1.1 先進(jìn)性

閘站監(jiān)控系統(tǒng)主要的特性，是采用了一個(gè)全分布式的通信結(jié)構(gòu)，分布于大區(qū)域的數(shù)據(jù)被分散采集并集中送往系統(tǒng)中的某些計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，然后供遍布于系統(tǒng)中的各用戶索取和使用。多層分布式結(jié)構(gòu)可以在不同層次，依據(jù)系統(tǒng)授予的權(quán)限實(shí)現(xiàn)各層次數(shù)據(jù)采集、閘門控制、運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視。

1.2 可靠性

閘站監(jiān)控系統(tǒng)采用專網(wǎng)連接PLC設(shè)備，通過ModBus工業(yè)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)可以多級(jí)備份，配置高性能UNIX和X86服務(wù)管理器代替主機(jī)備份，實(shí)現(xiàn)閘控?cái)?shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)，為保證持續(xù)供電配置了UPS系統(tǒng)。

1.3 實(shí)時(shí)性

利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，通過GUI來顯示所監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集周期、歸檔周期、本系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)保留周期等可根據(jù)用戶要求進(jìn)行配置。

1.4 可擴(kuò)充性

閘站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）要提供可擴(kuò)充基本結(jié)構(gòu)，當(dāng)現(xiàn)有的系統(tǒng)功能需要增強(qiáng)時(shí)，在不修改現(xiàn)有指令的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)充。

2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)組成

2.1 現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)地PLC建立，配置現(xiàn)地閘站站控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元、傳感器，數(shù)據(jù)采集單元將傳感器識(shí)別出的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)PLC處理后通過I/O模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，由閘站值守人員對(duì)現(xiàn)地設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理。

2.2 遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）

遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)有統(tǒng)一監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)，監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)是總調(diào)、分調(diào)和中控室3級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它分布于3級(jí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，是分布式監(jiān)控平臺(tái)，各監(jiān)控平臺(tái)節(jié)點(diǎn)按照統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行通信和交互，為閘站對(duì)象和各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務(wù)[2]。如圖2所示。

圖2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)

3 現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)由PLC主控制柜、遠(yuǎn)程I/O控制柜、啟閉機(jī)控制柜實(shí)現(xiàn)工控機(jī)監(jiān)控、PLC監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控功能[3]。

3.1 現(xiàn)地設(shè)備選用

PLC主控柜是下位機(jī)系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O控制柜采集信號(hào)的處理并通過專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上送、接收通信專網(wǎng)上位機(jī)下發(fā)的控制并將控制轉(zhuǎn)發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O控制柜；遠(yuǎn)程I/O控制柜主要通過硬接線采集啟閉機(jī)控制柜的閘門開度、電壓、電流、水位、流量、部分元器件的工作狀態(tài)，控制閘門的開、關(guān)、停、設(shè)值等。

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，包含節(jié)制閘、分水閘（流量≥10 m3/s）、退水閘的現(xiàn)地站均需配備冗余PLC，其他類型現(xiàn)地站采用非冗余PLC。冗余PLC采用雙機(jī)熱備及冗余現(xiàn)場(chǎng)MB+總線和冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，I/O模塊通過雙MB+現(xiàn)場(chǎng)總線與雙CPU通信[4]。

現(xiàn)場(chǎng)外部設(shè)備的通信采用了SJ30B通信管理裝置。每套SJ30B裝置自帶數(shù)據(jù)庫，能進(jìn)行復(fù)雜、大量的數(shù)據(jù)處理，能把所有的通信數(shù)據(jù)組織、處理好后通過ModBus TCP協(xié)議傳輸給PLC，這樣大大減少M(fèi)B+總線上的數(shù)據(jù)流量，保證MB+總線的穩(wěn)定。

3.2 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)功能設(shè)計(jì)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、調(diào)度指令控制、數(shù)據(jù)信息查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)管理維護(hù)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括實(shí)時(shí)閘門狀態(tài)和水情信息監(jiān)測(cè)、設(shè)備告警、傳感器模擬量和設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)圖。閘門控制是接受高級(jí)別調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)閘門控制指令調(diào)節(jié)水位和流量，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障、網(wǎng)絡(luò)不通或發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)，對(duì)閘門進(jìn)行安全控制。數(shù)據(jù)信息查詢統(tǒng)計(jì)包括設(shè)備運(yùn)行基本情況查詢、實(shí)時(shí)運(yùn)行情況查詢、歷史運(yùn)行情況查詢、指令統(tǒng)計(jì)記錄。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是將系統(tǒng)采集的閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Oracle SQL中。管理維護(hù)實(shí)現(xiàn)用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、代碼管理和PLC 管理[5]。

3.3 現(xiàn)地PLC監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

3.3.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與處理

PLC數(shù)據(jù)采集與處理主要包括水位、流量、水量、閘位、溫度、電流、電壓以及各種狀態(tài)值的采集與處理。

3.3.2 閘門控制

3級(jí)調(diào)度管理機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)閘門控制，但是依據(jù)級(jí)別高低控制權(quán)限不同，進(jìn)行遠(yuǎn)程指令下達(dá)，控制閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)開啟或關(guān)閉，無論何種情況總是執(zhí)行權(quán)限高的調(diào)度機(jī)構(gòu)的閘門控制指令。

3.3.3 安全保護(hù)功能

現(xiàn)地傳感器采集信號(hào)，經(jīng)PLC程序分析，現(xiàn)地和遠(yuǎn)程均可監(jiān)視到閘門不正常狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)持續(xù)報(bào)警，可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分析故障報(bào)警的原因，以便維護(hù)人員快速消除故障。

3.3.4 控制切換

為確保閘站監(jiān)控系統(tǒng)的可控性，在現(xiàn)地啟閉機(jī)控制柜配置手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程切換旋鈕，優(yōu)先在現(xiàn)地實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的切換。

3.4 觸摸屏監(jiān)控功能

觸摸屏是閘站液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的人機(jī)界面，主要功能為數(shù)據(jù)的監(jiān)視、系統(tǒng)的操作。

3.4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)視

數(shù)據(jù)監(jiān)視畫面對(duì)PLC I/O模件采集的I/O信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括水利數(shù)據(jù)、配電數(shù)據(jù)、啟閉機(jī)數(shù)據(jù)（含開入量、開出量、模入量、溫度量、模出量）等。報(bào)警界面顯示本閘站所有相關(guān)設(shè)備的報(bào)警信息，其中有些是直接的設(shè)備故障點(diǎn)信息，有些則是通過PLC內(nèi)部計(jì)算出的報(bào)警信息。對(duì)一些事故信號(hào)、故障信號(hào)或重要的信號(hào)，在報(bào)警畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警[6]。如圖3所示。

圖3 觸摸屏主界面圖

3.4.2 系統(tǒng)操作

觸摸屏操作控制閘門啟閉，通過多幅畫面切換，在觸摸屏上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示液壓?jiǎn)㈤]機(jī)各部分的工況（觸點(diǎn)、電流、電壓、溫度、故障等），并按提示在線設(shè)置、修改參數(shù)以及查閱儲(chǔ)存資料。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)對(duì)開入、模入、開出、模出、溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)視和報(bào)警顯示，以及對(duì)各閘門的開、關(guān)、停和設(shè)置開度及比例閥開度等進(jìn)行控制操作[7]。

4 遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)采用3層架構(gòu)形式，從上而下為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。該架構(gòu)各層具有獨(dú)立性，層間依賴性不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)清晰，容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，層間替代性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

表現(xiàn)層是閘站監(jiān)控系統(tǒng)最外層，最接近使用者，實(shí)現(xiàn)用戶管理、人機(jī)交互界面、調(diào)度系統(tǒng)傳輸接口等重要功能。業(yè)務(wù)邏輯層在表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)源層中間，起到承上啟下的作用，處理表現(xiàn)層需要的業(yè)務(wù)邏輯、計(jì)算分析數(shù)據(jù)源交互的數(shù)據(jù)訪問等工作。數(shù)據(jù)源層作為數(shù)據(jù)管理的源頭，主要儲(chǔ)存和管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、PLC及閘站接口數(shù)據(jù)[2]。如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)3層架構(gòu)模式

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)權(quán)限

中心、分中心以及管理處具備遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)功能。中心系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限，能夠?qū)θ€所有用戶進(jìn)行管理，包括對(duì)其他用戶控制權(quán)限的配置、系統(tǒng)參數(shù)的配置以及直接進(jìn)行控制，中心調(diào)度管理人員（通過實(shí)時(shí)水量調(diào)度系統(tǒng)）、高級(jí)用戶以及一般用戶在獲得系統(tǒng)管理員的授權(quán)后，可以進(jìn)行控制。分中心系統(tǒng)管理員能夠?qū)λ茌牱秶鷥?nèi)的其他用戶的控制權(quán)限進(jìn)行配置、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置以及直接進(jìn)行控制，分中心調(diào)度管理人員（通過實(shí)時(shí)水量調(diào)度系統(tǒng)）、高級(jí)用戶以及一般用戶在獲得系統(tǒng)管理員的授權(quán)后，可以進(jìn)行控制。現(xiàn)地閘站的操作員在獲得中心或相應(yīng)分中心系統(tǒng)管理員的授權(quán)后，可以對(duì)本閘站實(shí)施控制。功能權(quán)限劃分如表1所示。

表1 管理機(jī)構(gòu)功能權(quán)限劃分

5 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

為適應(yīng)長(zhǎng)距離輸水自動(dòng)化的需求，從數(shù)據(jù)通信、控制模式、數(shù)據(jù)采集3個(gè)核心業(yè)務(wù)分析，實(shí)現(xiàn)閘站監(jiān)控系統(tǒng)的主要方案。

5.1 數(shù)據(jù)通信方案

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用分布式結(jié)構(gòu)、閘站分區(qū)、控制策略、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用策略，以確保監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地閘站（PLC）數(shù)據(jù)通信的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。

5.1.1 分布式結(jié)構(gòu)

總調(diào)、分調(diào)均能夠直接與現(xiàn)地閘站（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個(gè)現(xiàn)地閘站的PLC只與中心或分中心的某臺(tái)通信接口服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具體由哪臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將根據(jù)其優(yōu)先級(jí)決定。

5.1.2 現(xiàn)地閘站分區(qū)

基于數(shù)據(jù)通信的分布式結(jié)構(gòu)，需要將監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地閘站（PLC）的數(shù)據(jù)通信任務(wù)分布到不同的通信接口服務(wù)器上，然后將數(shù)據(jù)通信任務(wù)分布同一個(gè)服務(wù)器中的不同數(shù)據(jù)采集模塊上。

5.2 控制方案

5.2.1 閘門控制方式

閘門控制設(shè)置為手動(dòng)和自動(dòng)，手動(dòng)需要值守人員在現(xiàn)地站操縱控制屏上的開關(guān)進(jìn)行閘門啟閉，自動(dòng)可經(jīng)高級(jí)別調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)調(diào)度指令完成閘門啟閉，或者通過值守人員在現(xiàn)地站通過工控機(jī)或觸摸屏輸入要求的控制指令實(shí)現(xiàn)閘門啟閉。

5.2.2 控制模式

多閘聯(lián)合調(diào)度控制模型進(jìn)行全線統(tǒng)一閉環(huán)控制的控制模式，自動(dòng)從實(shí)時(shí)水量調(diào)度系統(tǒng)獲得控制指令，自動(dòng)對(duì)閘站進(jìn)行控制并向?qū)崟r(shí)水量調(diào)度系統(tǒng)返回閘站運(yùn)行狀態(tài)和渠道水情（水位和流量）。

單站控制模式由遠(yuǎn)程或現(xiàn)地監(jiān)控操作人員通過監(jiān)控界面對(duì)某個(gè)閘站實(shí)施控制，可分為分步控制和一步控制。分步控制即能夠?qū)刂七^程中的每個(gè)步驟實(shí)施控制，在對(duì)液壓閘的控制過程中，可以根據(jù)實(shí)際的控制流程，分別實(shí)施油泵開啟、升閘、降閘、停閘、油泵關(guān)閉等控制，主要用于控制設(shè)備的檢修、故障分析等；一步控制即用戶輸入閘門開度值，PLC接收到控制指令后，根據(jù)預(yù)先編制好的控制流程，通過對(duì)油泵的控制將閘門開/關(guān)到指定的高度。

5.3 數(shù)據(jù)采集與處理方案

數(shù)據(jù)采集模塊通過控制專網(wǎng)，采用ModBus TCP/IP數(shù)據(jù)通信協(xié)議，從現(xiàn)地閘站PLC采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊和報(bào)警處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。報(bào)警處理模塊對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，通過數(shù)據(jù)同步模塊，與其他實(shí)時(shí)監(jiān)控與通信接口服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。歷史數(shù)據(jù)處理模塊將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到應(yīng)用信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的Oracle數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性[8]。

6 結(jié)束語

以分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的閘站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分利用自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)建設(shè)掌握水情、工情的閘站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸水調(diào)度數(shù)據(jù)、閘站設(shè)備運(yùn)行信息的遠(yuǎn)程監(jiān)視，啟閉設(shè)備現(xiàn)地和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)全線閘門聯(lián)合調(diào)度，確保輸水渠道始終保持在合理的水位和需求的流量。閘站監(jiān)控系統(tǒng)在南水北調(diào)中線的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了資源合理配置，對(duì)長(zhǎng)距離調(diào)水工程的自動(dòng)化運(yùn)行管理模式的改進(jìn)有很大推動(dòng)作用。