溫州龍舟運動基地水利自動化控制體系的設計與實踐

王思芳

（溫州市甌海中心區(qū)建設中心，浙江 溫州 325014）

1 基本概況

溫州龍舟運動基地作為2022杭州亞運會龍舟比賽項目場地，對保障國家亞運會順利進行、樹立溫州城市國際品牌以及弘揚溫州龍舟民族文化等具有重要意義。該基地位于溫州市甌海區(qū)中心區(qū)南單元，處于城市中央綠軸末端，周邊為居民住宅區(qū)及景觀河，地理位置優(yōu)越。該基地采取“水岸同建、無縫相連”方式，布局“一場二館一水上基地”，將打造全國最高端的龍舟綜合體育中心。基地包括溫州龍舟運動基地、甌海區(qū)奧體中心（包括主體育場、體育館、游泳館、運動員公寓及配套商業(yè)）、配套道路工程等。

本基地實質(zhì)上是一個水利水域工程，包括賽道及周邊河道，其中龍舟賽道長1 200 m、寬130 m，工程范圍內(nèi)周邊河道總長約2 170 m；賽道護岸長約2.5 km，周邊河道護岸長約4.5 km；河道開挖疏浚工程，開挖95.97萬m3；有5座節(jié)制閘，總凈寬106 m；1座排澇泵站與4號閘合建（兼換水），設計流量4 m3/s，Φ700 mm引水管線545 m。5座節(jié)制閘和1座閘站的基本情況如表1所示。

表1 水閘泵站基本情況表

溫州龍舟運動基地作為2022杭州亞運會龍舟比賽項目場地對防汛防臺提出了更高的要求，且總體控制要符合2021年浙江省政府提出的數(shù)字化改革總體要求。目前5座節(jié)制閘和1座閘站的主體工程建設已經(jīng)完成，如何在原來的設計基礎上進行深化和全自動化建設是本文重點研究和實踐的問題。

2 總體框架

本研究和實踐的總體思路是以浙江省水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型方針為宗旨，遵循“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的基本工作思路，充分運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、自動化等現(xiàn)代信息科學技術，接合工程防洪排澇的職能，建設龍舟基地閘泵站集中監(jiān)控系統(tǒng)，提升龍舟基地的防洪、防汛及排澇能力，輔助工程安全高效運行、防洪調(diào)度規(guī)范、科學、精準，加速溫州龍舟基地閘泵站數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

溫州市龍舟運動基地工程自動化控制系統(tǒng)按照多層通信架構進行建設，將傳統(tǒng)的感知控制層、通信傳輸層和集中控制層3層結構，增加為4層結構，即增加了數(shù)據(jù)應用層，該層為后續(xù)設備、組態(tài)軟件選擇、網(wǎng)絡安全體系建設及外部數(shù)據(jù)共享提供了基礎保障，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術架構圖

本次研究范圍主要圍繞1號、3號、4號、5號、6號5座閘站、龍舟賽道及1處控制中心進行。結合以往相關項目建設經(jīng)驗以及對比現(xiàn)場實際情況，本項目的主要建設內(nèi)容包括：

（1）1號、3號、4號、5號、6號5座閘站的遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設。完成對閘門現(xiàn)地控制柜的遠程對接，完成水泵的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)控制中心對現(xiàn)地閘泵的遠程控制及管理。閘門的開度需要閘門控制廠家在原控制柜上將閘門的實時開度經(jīng)備用AO點，以4～20 mA信號輸出，接至新增LCU控制站。

（2）控制中心建設。為了實現(xiàn)閘泵的遠程監(jiān)控，需要在控制中心增加核心交換機、防火墻、網(wǎng)閘及上位機控制軟件等，同時增加一臺控制工作站和一臺防汛工程師工作站。防汛工程師工作站通過防火墻與以太網(wǎng)鏈接，安裝龍舟基地的標準化防汛系統(tǒng)，采集視頻、閘門啟閉狀態(tài)、開度、水位等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)庫，與甌海區(qū)水平臺進行數(shù)據(jù)共享。

（3）網(wǎng)絡安全。采用光纖網(wǎng)絡進行建設，單獨新建工控信息交換網(wǎng)絡，采用工業(yè)級網(wǎng)絡設備組建控制網(wǎng)絡,網(wǎng)絡形式采用環(huán)形網(wǎng)絡,同時開展網(wǎng)絡安全設計與實施，達到國家二級等保的要求。

3 拓撲結構

本閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用3級結構進行建設，包括現(xiàn)地控制層、通信網(wǎng)絡及遠程控制層3級。系統(tǒng)建成后，基本實現(xiàn)現(xiàn)地無人值守管理模式，數(shù)據(jù)實時反饋到調(diào)度中心，提高水閘管理和調(diào)度效率。系統(tǒng)拓撲結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡拓撲結構圖

（1）現(xiàn)地控制層。現(xiàn)地控制層對所管轄的生產(chǎn)過程進行完善的監(jiān)控，能脫離遠端控制層獨立完成監(jiān)控過程的實時數(shù)據(jù)采集及處理，單元設備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。

（2）通信網(wǎng)絡層。通信專用光網(wǎng)絡，將現(xiàn)地控制層設備與遠端控制層設備網(wǎng)絡打通，連接控制中心和現(xiàn)場控制設備終端。

（3）遠端控制層。遠端控制層負責采集和處理來自現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)、人機對話、與現(xiàn)地控制層和綜合信息管理平臺的通信。遠端控制層控制工作站設置在管理中心運行人員操作控制臺上，同管理中心其他子系統(tǒng)協(xié)同工作，完成閘站監(jiān)控的調(diào)度任務。

4 系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。模擬量的采集與處理主要對閘站上下游水位進行周期采集。開關量的采集與處理主要對各類故障信號、設備運行狀態(tài)信號，手動自動方式選擇的位置信號等以定期掃查方式接收，最后經(jīng)格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。開關量輸出主要是特指各類操作指令。

（2）運行監(jiān)視和事件報警。①通過顯示器對閘站主要設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視。②監(jiān)控系統(tǒng)將對某些參數(shù)以及計算數(shù)據(jù)進行監(jiān)視。③閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)定時掃查各故障狀態(tài)信號，一旦發(fā)生狀變將在顯示器上即時顯示出來，同時記錄故障及其發(fā)生時間，并用語音報警。

（3）控制與調(diào)節(jié)。運行人員在控制室計算機上對需要控制的電氣設備發(fā)出各種控制操作命令，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的變位控制。如水閘閘門的開、關；汛情水泵電機的啟動、停止。

（4）系統(tǒng)保護。閘門系統(tǒng)自身擁有現(xiàn)場PLC控制柜，位置反饋信號和驅(qū)動信號均通過現(xiàn)場PLC控制柜IO模塊反饋至新建LCU控制柜。

5 應用實踐

5.1 現(xiàn)地控制單元建設

本系統(tǒng)的控制柜采用專業(yè)定制，長寬高分別為2 000 mm×800 mm×800 mm（含溫濕度凝露裝置、風扇，照明，加熱），不銹鋼，雙層門，尺寸與現(xiàn)場控制柜一致，保證美觀大方。

本次對閘門進行控制與監(jiān)測選用了西門子S7-200 Smart系列PLC，它是西門子公司研制開發(fā)的新型智能型PLC，具有多項業(yè)內(nèi)領先的功能與產(chǎn)品特點。單體I/O點數(shù)最高可達60點，基本指令執(zhí)行時間可達0.15 μs，標配以太網(wǎng)接口，集成了強大的以太網(wǎng)通信功能，CPU模塊本體最多集成3路高速脈沖輸出，頻率高達100 kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式。

觸摸屏采用MCGS（昆侖通態(tài)）公司的TPC1061Ti型號產(chǎn)品，TPC1061Ti是一套以先進的Cortex-A8CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

控制系統(tǒng)組態(tài)軟件選用亞控公司的組態(tài)王7.5 SP3，“組態(tài)王”作為民族工業(yè)軟件品牌，支持授權鎖國產(chǎn)化，響應國家號召。提供SOAP和Restful兩種協(xié)議的WebService服務，用戶可以根據(jù)需要訪問不同協(xié)議的WebService服務，為后續(xù)的應用軟件打造奠定了基礎。

根據(jù)現(xiàn)場情況，1號、3號、5號、6號閘門控制柜安裝在室外公共區(qū)域，控制柜安裝了防護柵欄，對設備進行防護，確保設備安全以及附近人民群眾的人身安全。

對原控制柜軟件進行改造，新增控制柜需要實時讀取已安裝控制柜的實時數(shù)據(jù)，包括閘門的開關情況、開關幅度，還需要調(diào)度中心對原系統(tǒng)進行遠程操作，控制閘門的開關和水泵的啟停。需要對原控制系統(tǒng)進行軟件改造，部分程序重新修改等。

實現(xiàn)了異構通信，讀取現(xiàn)有動力柜的軟啟動裝置、多功能電表的數(shù)據(jù)，實時讀取設備運行情況。

5.2 控制中心建設

為了最大限度地節(jié)約成本，本項目充分利用了現(xiàn)有辦公室操作工作臺，配備監(jiān)控工作站及管理工作站，完成賽道中心自控系統(tǒng)總調(diào)度監(jiān)控室搭建，通過集成的顯示系統(tǒng)及中控系統(tǒng)，集中展現(xiàn)各項監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息及圖像信息，全面展示賽道中心自控設備運行工況。

在控制中心部署網(wǎng)絡安全設備、交換設備等，確保遠程控制系統(tǒng)的安全及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，主要設備包括：防火墻1臺、網(wǎng)閘1臺、核心交換機1臺、打印機1臺、數(shù)據(jù)服務器1臺等。工作站采用了研華IPC610L，性能穩(wěn)定。數(shù)據(jù)服務器采用了DellR740，性能高，CPU頻率2.4 GHz，CPU核心為十核；CPU線程數(shù)為20線程。

由于現(xiàn)有控制室內(nèi)的電腦配置過低且顯示屏尺寸小、邊框大，不適合應用于閘泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)，因此需增加1臺高配置的工控機。

同時增加1臺防汛工程師工作站。防汛工程師工作站通過防火墻與以太網(wǎng)鏈接，安裝龍舟基地的標準化防汛系統(tǒng)，采集視頻、閘門啟閉狀態(tài)、開度、水位等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)庫，與甌海區(qū)水平臺進行數(shù)據(jù)共享。

5.3 網(wǎng)絡體系建設

為了保證網(wǎng)絡安全，閘泵遠程監(jiān)控的運行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)閘隔離后，存儲于數(shù)據(jù)服務器中，其數(shù)據(jù)的分發(fā)需要再經(jīng)過防火墻的隔離后，單向向上傳輸?shù)皆品掌鳌７阑饓Σ捎昧斯I(yè)網(wǎng)閘—寬域CKDYFID4000。該防火墻采用了2+1結構設計，雙主機系統(tǒng)+硬件隔離控制器；非INTEL指令集的網(wǎng)絡處理器；硬件隔離控制器采用專用數(shù)據(jù)處理芯片，無操作系統(tǒng)，延時小于5 ms。工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機采用了寬域S2100D-F2T8。

為了滿足國家等級保護2.0要求，對系統(tǒng)軟件進行可靠防護，建設了安全防護系統(tǒng)，包括云防火墻、數(shù)據(jù)庫審計、運維審計和日志審計、漏洞掃描、入侵防御、DDoS攻擊等。

6 結束語

通過本次龍舟基地閘門泵站自動化控制體系的設計與實踐，得出如下幾點經(jīng)驗。

（1）總體結構設計上采用了高要求高標準的4層結構。結合浙江省數(shù)字化改革和2022亞運會對基地建設的高要求進行總體設計，考慮自動化系統(tǒng)與甌海區(qū)水平臺以及外部單位的數(shù)據(jù)共享，在傳統(tǒng)的感知控制層、通信傳輸層和集中控制層3層結構上，增加了數(shù)據(jù)應用層，為后續(xù)設備、組態(tài)軟件選擇、網(wǎng)絡安全體系建設及外部數(shù)據(jù)共享提供了基礎保障。

（2）溫州龍舟運動基地作為2022亞運會競賽基地，在系統(tǒng)建設中，充分考慮國產(chǎn)化，因此在工作站組態(tài)軟件選擇上，選擇了支持國產(chǎn)化的民族工業(yè)軟件品牌“組態(tài)王”,同時選擇了能夠支持數(shù)據(jù)共享研發(fā)的7.5 SP3型號，提供了SOAP和Restful兩種協(xié)議的WebService服務，為后續(xù)的共享場景打造奠定基礎。

（3）由于數(shù)字化的高要求以及數(shù)據(jù)共享的需要，考慮亞運會競賽基地的戰(zhàn)略重要地位和重要場所，網(wǎng)絡安全必須高要求打造，而本次設計和建設充分考慮了這一點，在網(wǎng)絡硬件防火墻上選擇了高性能的設備，而且滿足了國家等級保護2.0要求，建設了包括云防火墻、數(shù)據(jù)庫審計、運維審計和日志審計、漏洞掃描、入侵防御、DDoS攻擊等模塊的安全防護系統(tǒng)。

（4）始終遵循既高標準又充分節(jié)約的原則，充分利用原有的控制中心機房、控制臺、大屏、光纖網(wǎng)絡等空間、備用接口和富余容納能力進行本次建設，在實踐中取得了很好的效果，值得同類項目設計與實踐借鑒。