攔河閘、船閘自動化集中控制系統的應用分析

劉沂衡

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國國民經濟的不斷發展，社會對水利工程的需求日益增長，水利設施的數量不斷增加，對其自動化控制系統的要求也越來越高。某供水樞紐攔河閘、船閘是韓江水道的重要樞紐工程，其運行情況直接關系到下游的防洪安全、通航安全、生態安全和經濟安全。通過采用計算機監控系統對某供水樞紐攔河閘、船閘進行自動化控制，既可提高工作效率和管理水平，又能減輕人員勞動強度，還可節約大量的人力成本。

1 系統總體設計

某供水樞紐攔河閘、船閘自動化集中控制系統將采用一種先進的計算機控制系統，該系統通過計算機實現了對所有機電設備的自動控制，對機電設備運行參數的監視、控制和記錄，同時在計算機上完成各種操作和各種參數的計算，并通過通信網絡將計算結果傳送到遠程監控中心進行分析、處理。使整個船閘或閘室的機電設備及其附屬設備的布局更合理。

現場可以實現對機電設備的實時監測，也可以實現對機電設備運行參數的實時監測，還可以對整個船閘或閘室進行集中管理和控制。該系統采用計算機技術、通信技術、網絡技術、自動化技術等實現對船閘或閘室的自動化管理。除計算機外，控制系統的硬件主要包括 PLC、人機界面（HMI）、各種傳感器及執行器。它們共同完成系統對設備的監視、控制、測量、記錄、顯示等功能。

在某供水樞紐攔河閘、船閘控制系統中，可根據具體應用場合進行選擇和配置，以滿足相應的要求。現場主要采用 PLC 或觸摸屏來完成對設備的監視和控制，同時也可以采用人機界面（HMI）來完成與外界的通信及信息交換。觸摸屏主要實現人機交互和顯示功能。計算機用于進行數據采集、處理和存儲，并能通過以太網接口與其他系統進行通信，是現場操作控制與監控中心實現數據交換和通信的紐帶[1]。

在攔河閘、船閘控制系統中，可根據應用場合選用不同功能的觸摸屏或計算機；在船閘控制系統中，主要選擇具有觸摸屏功能的計算機。

2 硬件設備存在的問題

某供水樞紐原攔河閘計算機監控系統需安裝在WINDOWS NT 架構下運行，如今WINDOWS NT 架構系統已停產，核心硬件設備多數已淘汰或停產，并且目前攔河閘計算機監控系統軟件采用的WINDOWS SERVER 2000 系統平臺已被認定為高風險系統軟件平臺，存在大量安全漏洞，系統安全性非常低。

攔河閘計算機監控系統現地設備由于運行時間長、現地設備室處于寬闊的江面上，運行環境惡劣，受空氣潮濕、環境溫度變化大等因素影響，陸續出現元器件氧化、老化及技術性能不穩定等現象。

另外，船閘、魚閘計算機監控系統現地設備的陳舊老化等因素導致的系統響應緩慢、通信故障、藍屏、死機等現象增多，并且部分現地設備的PLC 模件存在損壞現象，由于備品備件已停產，采購困難，目前已不能滿足運行要求。

3 改造后的硬件設備結構

改造后的供水樞紐攔河閘、船閘計算機監控系統采用分層分布式結構，分為船閘中控層和生產調度控制中心層。在控制網通道上，攔河閘計算機監控系統考慮網絡結構升級建設雙環型網絡結構，船閘計算機監控系統考慮網絡結構升級建設雙星型網絡結構，計算機監控系統網絡通過光纖連接，在通道限流或交換機設備故障導致系統通信中斷時，系統自動切換到備用通道。

在船閘中控室布置1 臺船閘操作員工作站，用于船閘的集中控制操作，布置1 臺魚閘操作員工作站，用于魚閘的集中控制操作。通過船閘中控層操作員工作站完成數據采集與處理、控制命令下發、圖形顯示、數據記錄與存儲等應用，通信服務器與管理區單向傳輸運行數據。

在生產調度控制中心層的生產調度控制中心布置2 臺攔河閘/船閘操作員工作站、1 臺魚閘操作員工作站，實現攔河閘、船閘生產調度控制中心集中控制的功能。

東溪攔河閘16 孔閘門和西溪攔河閘16 孔閘門分別設置一套LCU(配置雙網)，形成一個大的雙環網。自動化控制系統通過交換機與東溪和西溪攔河閘計算機監控系統下位機LCU 直接連接，收集攔河閘各閘門的運行數據，監視設備運行狀況，包括閘門開啟前的潤滑水啟停、閘門工作狀態、開度荷載信息、水位信息等。所有數據通過通信傳輸與計算機網絡傳送至生產調度控制中心機房應用服務器。

船閘現地層由4 臺船閘現地控制單元和1 臺公用LCU(配電與魚閘控制)現地控制單元組成，部署對應船閘/魚閘的閘閥門與供配電現地分散控制業務，實現數據采集與處理、控制命令下發、圖形顯示、數據記錄等應用等功能，實現船閘本地對各自閘閥門等設備進行現地控制等。

由于改造前船閘計算機監控系統的閘首LCU中配置有分散式UPS，業主反映使用體驗良好，故在攔河閘、船閘計算機監控系統各現地閘門LCU 屏內單獨配置一套UPS，裝機容量2 kVA。

同時配備廣播設備、工業電視系統和信號燈設備等輔助系統完成自動化控制。

魚閘計算機監控系統的外圍輔助(誘魚燈、增氧機、配電箱等)暫不考慮更換，本次項目接入外圍需控制設備[2]。

為實現船舶收費調度功能，在船閘中控室布置1 臺調度收費客戶端，在上、下游收費站各布置1 臺收費調度工作站，作為調度收費客戶端，采用B/S 結構，與一體化平臺的調度服務器和原有WEB服務器連接，通過瀏覽器即可使用。收費調度系統設置在船閘中控室和生產調度控制中心，如圖1所示。

圖1 船閘自動化控制系統結構圖

攔河閘及一體化平臺建設采用全智能控制，主要設備包括：①PLC 智能設備：完成對各閘的運行狀態采集，并根據各閘的閘位信息、閘位監測數據、水位信息，實現對各閘的精準控制；②智能儀表設備：通過采集閘室各相關參數，實現對閘室內運行狀態的監測與控制；③其他設備：如閘門驅動裝置、閘門安全保護裝置等；④軟件系統：包括PLC 軟件、組態軟件、人機界面等；⑤數據通信方式：通過RS485、RS232 等通信方式與一體化平臺進行連接，實現遠程訪問，如PLC 與計算機之間、計算機與其它設備之間等（圖2）。

圖2 一體化平臺結構圖

4 軟件平臺搭建

根據實際情況，平臺采用B/S 和C/S 結構相結合的方式，服務器采用阿里云進行搭建。應用服務器分別設置在機房A、機房B。應用服務器與數據中心的通信通過VPN 技術進行，可以實現兩個機房之間的數據交換。

應用服務器平臺由監控系統服務器、數據庫備份服務器、應用服務管理等組成，承擔了整個系統的核心功能。監控系統服務器對所監控的設備進行操作控制，完成數據采集與監視、報警處理、數據存儲與檢索、歷史數據查詢和打印等功能。數據庫服務器提供各類歷史數據庫的維護與管理，支持對歷史數據進行備份。應用服務管理作為監控系統軟件平臺的重要組成部分，為監控系統提供了一個安全可靠、穩定高效的軟件平臺，它包括軟件登錄、權限分配、系統配置管理、日志管理等功能模塊，實現了用戶操作權限的靈活分配和配置。數據庫備份服務器提供數據備份服務，包括故障恢復功能，用戶管理功能等，可以實現數據庫的在線實時恢復，保證數據的安全可靠。在本平臺中，管理系統的用戶身份為管理員，可以通過管理員的操作權限控制各種操作的執行，從而保證了平臺操作的安全性和可控性。系統的設計和部署是一個復雜的過程，需要考慮到諸多因素，如系統架構、性能、業務需求、技術實現等。本平臺的設計和部署都是在充分考慮以上因素的基礎上進行的，也是一次大膽的嘗試，得到了不錯的效果。運維管理系統是對工業現場進行全面監控、集中管理、集中報警、集中分析和統計的重要工具，實現了對設備運行狀態的全面實時監測[3]。

5 各系統設計

①數據通信網絡設計：采用高速、大容量、傳輸可靠性高的專用通信網絡，各控制站采用專用以太網或無線通信方式接入網絡，并配置相應的路由器，實現各控制站之間的高速數據傳輸。②圖像監控系統：采用專用視頻通信網絡，配置相應的服務器及采集卡，實現視頻圖像實時采集和顯示。③門禁系統：采用專用的智能控制系統，實現對門禁的控制和管理。在工作人員進入施工現場時，對施工現場的出入口、通道門、門禁控制設備進行自動開關。在施工人員離開現場時，對進出的人員進行自動識別和控制。④在施工現場設立相應的監控點，通過視頻采集設備、網絡視頻傳輸設備和電子地圖顯示等手段，對施工現場進行遠程監控。⑤緊急報警系統：在施工現場設立緊急報警設備，當出現意外情況時，可以通過緊急報警設備及時通知相關人員采取緊急措施，確保施工安全。

6 結語

綜上所述，本文對某供水樞紐攔河閘、船閘自動化集中控制系統的應用及總體架構進行了分析，發現自動化集中控制系統具有較高的穩定性、安全性，能夠對人員進行有效監控，并且通過先進的技術手段實現遠程控制和數據收集，進而提升管理水平。希望能夠為相關的技術人員提供一些幫助和參考。