王從明

（淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

沂沭泗直管控制性涵閘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

王從明

（淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

本文對(duì)工業(yè)級(jí)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，分析了沂沭泗直管控制性涵閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀特點(diǎn)，結(jié)合沂沭泗局網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，提出了涵閘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用方案，集成現(xiàn)有多個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沂沭泗直管控制性涵閘集中管理和統(tǒng)一調(diào)度的目的。

控制性涵閘 控制系統(tǒng) 遠(yuǎn)程監(jiān)控

1 引言

沂沭泗流域地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶，降水年內(nèi)分布不均，多集中于汛期，主要河道源短流急、峰高量大，洪水陡漲陡落，往往在暴雨結(jié)束后的幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，主要控制站就出現(xiàn)洪峰，洪水預(yù)見(jiàn)期短、傳播快。流域各主要河湖又相互連通，洪水調(diào)度過(guò)程中，某一控制點(diǎn)的動(dòng)作，往往會(huì)產(chǎn)生一連串的反應(yīng)。因此，流域各控制性涵閘調(diào)度十分頻繁，迫切需要建立集遠(yuǎn)程監(jiān)視與集中控制于一體的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制性涵閘遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，便于對(duì)全流域洪水的集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，發(fā)揮防洪、排澇、蓄水、灌溉、航運(yùn)等綜合效益，全面提高防洪調(diào)度水平，實(shí)現(xiàn)由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變。

圖1 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)信息系統(tǒng)開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的思路，工業(yè)級(jí)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)一般分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、監(jiān)控層和管理層（如圖1），各個(gè)層次的通信協(xié)議符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)互連模型，保證了系統(tǒng)的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化，便于系統(tǒng)集成。其硬件及通信協(xié)議專(zhuān)門(mén)為適合嚴(yán)重電磁干擾、液體侵蝕、高度污染和機(jī)械沖擊等工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。該層分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)互連并通信，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境特點(diǎn)，專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（如ProfiBus），現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有開(kāi)放、可操作的優(yōu)點(diǎn)，將分散的現(xiàn)場(chǎng)各控制器和儀表互連，大大降低建設(shè)和維護(hù)成本?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是控制系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)，各種信息的來(lái)源，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字控制、設(shè)備檢測(cè)與診斷。

監(jiān)控層。通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采集的所有信息，集中顯示和操作，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組態(tài)、優(yōu)化計(jì)算和參數(shù)修改。監(jiān)控層設(shè)備相對(duì)比較集中，一般采用局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連、通信。

管理層。將監(jiān)控層局域網(wǎng)絡(luò)接入管理單位的信息系統(tǒng)主干，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體系，使整個(gè)系統(tǒng)具有開(kāi)放的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從底層到頂層的數(shù)據(jù)采集、處理、融合和管理，達(dá)到在整個(gè)管理單位層面實(shí)現(xiàn)人、財(cái)、物總體協(xié)調(diào)和管理的目的。由于管理單位一般具有多級(jí)分支機(jī)構(gòu)，監(jiān)控層分散于各分支機(jī)構(gòu)，一般采用廣域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連、通信。

3 涵閘控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

沂沭泗直管控制性涵閘包括二級(jí)壩一閘、二閘、三閘，復(fù)新河閘、韓莊閘、老運(yùn)河閘、劉道口閘、彭道口閘、江風(fēng)口閘、新沭河閘、人民勝利堰閘、嶂山閘和宿遷閘等水閘，其中大部分初步實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)地自動(dòng)化監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用ProfiBus-DP、MODBUS等總線(xiàn)互連，每條總線(xiàn)安裝一臺(tái)PLC和一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，PLC和監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為該總線(xiàn)的主站，其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為從站，主站之間采用令牌環(huán)方式交互數(shù)據(jù)，從站和主站之間采用C/S方式交互數(shù)據(jù)?？偩€(xiàn)循環(huán)時(shí)間小于10ms，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1.5Mbps。多條總線(xiàn)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)連接，為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，工業(yè)以太網(wǎng)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率最大達(dá)到10Mbps，循環(huán)時(shí)間小于100ms。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

據(jù)現(xiàn)狀分析，沂沭泗直管控制性涵閘現(xiàn)地自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和監(jiān)控層功能。為實(shí)現(xiàn)集中管理和統(tǒng)一調(diào)度的目的，需要進(jìn)行管理層建設(shè)，依托現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在沂沭泗局本部建設(shè)監(jiān)控平臺(tái)，匯集所有涵閘的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、融合和管理。根據(jù)計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)狀況，數(shù)據(jù)傳輸速率為2～8Mbps，循環(huán)時(shí)間小于1000ms。

沂沭泗各涵閘現(xiàn)地自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間跨度較大，采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在較大的差異，分別采用了不同類(lèi)型的組態(tài)軟件（WinCC、Cimplicity、InTouch等）作為監(jiān)控層管理軟件。由于這類(lèi)組態(tài)軟件是比較單純的工業(yè)自動(dòng)化軟件，功能偏重于單個(gè)系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的管理和操作，當(dāng)使用這種軟件為一個(gè)涵閘或在一個(gè)級(jí)別上對(duì)多個(gè)涵閘服務(wù)的時(shí)候，有良好的可用性、可靠性和穩(wěn)定性。但是，當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展到在廣域的范圍內(nèi)，在多個(gè)級(jí)別上對(duì)多個(gè)涵閘進(jìn)行權(quán)限和控制管理，就會(huì)存在若干問(wèn)題。首先，多個(gè)級(jí)別的監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)控制一個(gè)涵閘，權(quán)限協(xié)調(diào)問(wèn)題難以解決；其次，多個(gè)級(jí)別的監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立取得涵閘數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)的一致性問(wèn)題；第三，多個(gè)級(jí)別的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是在由多個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)整之下的獨(dú)立系統(tǒng)，不能形成統(tǒng)一系統(tǒng)；第四，這種結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性較低，當(dāng)涵閘數(shù)量增多，或應(yīng)用發(fā)生擴(kuò)展時(shí)，需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)展，而且難以部署；第五，開(kāi)發(fā)相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)雜，不僅需要開(kāi)發(fā)本地系統(tǒng)，還要開(kāi)發(fā)權(quán)限管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

綜上所述，比較切實(shí)可行的辦法是建設(shè)一套獨(dú)立的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)地自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成。系統(tǒng)應(yīng)包含一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)和多個(gè)分散的I/O組件，監(jiān)控平臺(tái)與I/O組件通過(guò)現(xiàn)有的廣域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信（如圖2）。

監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)在管理層，應(yīng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)界面組件和系統(tǒng)配置組件幾部分。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采集的所有涵閘信息；人機(jī)界面組件提供圖形化界面，直觀(guān)的顯示監(jiān)控信息；系統(tǒng)配置組件提供系統(tǒng)配置修改、權(quán)限分配的功能。

I/O組件建設(shè)在各監(jiān)控層，但是與監(jiān)控層現(xiàn)有設(shè)備是相互獨(dú)立的，I/O組件直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的PLC。PLC是所在總線(xiàn)的主站設(shè)備，擁有該總線(xiàn)的所有數(shù)據(jù)，I/O組件從PLC取得數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)增加新的監(jiān)控站點(diǎn)時(shí)，只要增加I/O組件即可完成系統(tǒng)集成，擴(kuò)展性較強(qiáng)。

由于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)配置環(huán)境，集中了安全策略，具有靈活的數(shù)據(jù)連通性，易于維護(hù)，并能與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)緊密集成，適應(yīng)了新世紀(jì)下沂沭泗局的治水需求。因此，系統(tǒng)能夠延長(zhǎng)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命，增加其隨時(shí)間推移的功能值，從而提高沂沭泗局整個(gè)監(jiān)控體系建設(shè)的投資回收率。

4 總結(jié)

沂沭泗流域跨蘇魯兩省，主要控制性工程由沂沭泗局統(tǒng)一管理和調(diào)度，并建立了完善的管理機(jī)構(gòu)，為建立一個(gè)以整個(gè)流域?yàn)閱卧摹⑼暾暮樗O(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè)提供了良好的條件。建設(shè)沂沭泗直管控制性涵閘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，必將大大提高流域直管工程的防洪減災(zāi)和洪水資源利用水平