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        淺析城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

        2016-08-11 11:13:52俸建萍
        大科技 2016年13期
        關(guān)鍵詞:城市防洪水閘防洪

        俸建萍

        (桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002)

        淺析城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

        俸建萍

        (桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002)

        本文主要詳細(xì)介紹了城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,并以PLC系統(tǒng)為核心,采用人機(jī)界面開發(fā)工具、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)的城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。以華南計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所近年來所承建的城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)為案例,主要介紹了城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

        城市防洪;監(jiān)控系統(tǒng);結(jié)構(gòu)功能

        城市防洪工程的功能由單一型(傳統(tǒng)水利水電)向綜合型轉(zhuǎn)變,綜合型功能主要是指在水利水電的基礎(chǔ)上,通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái),將遙感、地理信息系統(tǒng)、GIS技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的防洪決策支持、防汛會(huì)商、水資源管理等信息系統(tǒng)充分運(yùn)用起來。所謂的城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)就是對(duì)城市防洪系統(tǒng)中的泵站、水閘、水文檢測(cè)站的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,并向城市防洪信息系統(tǒng)提供其現(xiàn)階段的運(yùn)行工況,以及水情、雨情、水位、流量、排泄量等數(shù)據(jù)信息,為相關(guān)職能部門在防洪決策方面提供有力的科學(xué)依據(jù),在城市防洪系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性的作用。

        1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

        城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三層:

        第一層為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、控制層,它是城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的核心,主要是由泵站、水閘、水文檢測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站構(gòu)成,用于防洪設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中所有設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程控制,能夠根據(jù)其測(cè)量的結(jié)果和設(shè)備運(yùn)行工況開實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行。

        第二層為監(jiān)視、操作層,它是城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中人—機(jī)信息的交換平臺(tái),由現(xiàn)場(chǎng)操作站、控制中心操作站、控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、Internet網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)器、文件服務(wù)器等構(gòu)成。該層主要對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可實(shí)時(shí)顯示各工藝的參數(shù)、動(dòng)力及變/配電設(shè)備的工作狀態(tài),并紀(jì)錄、存儲(chǔ)、事故報(bào)警等,可提供直觀的畫面,方便操作人員進(jìn)行人機(jī)交換接口和遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

        第三層為瀏覽、管理層,它是一個(gè)大型局域網(wǎng),將所有和城市防洪相關(guān)的職能部門結(jié)合起來。通過IE瀏覽器瀏覽人—機(jī)界面,掌握所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)工藝參數(shù),使相關(guān)職能部門能及時(shí)掌握水情、雨情、水位變化等防洪信息,做好防洪準(zhǔn)備工作,為防洪決策提供有力的科學(xué)依據(jù)。

        以下詳細(xì)介紹系統(tǒng)各部分組成、功能、及如何實(shí)現(xiàn):

        1.1 現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站

        現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站的主要組成部分是:現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)和I/O鏈路、在線檢測(cè)儀表、電控設(shè)備、高/低壓配電設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線等。

        在線檢測(cè)儀表通常將檢測(cè)的水位、流量、溫度等一些工藝參數(shù)以4~20mADC或1~5VDC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形式送到PLC系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析和信息傳遞;PLC系統(tǒng)可以通過電氣控制回路上的無源觸點(diǎn)獲取開關(guān)量的輸入信號(hào),以此來掌握電控設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài),比如潛水泵的運(yùn)行、故障、水閘的開到位、關(guān)到位、過力矩等信號(hào);與此同時(shí),PLC系統(tǒng)還可以將開關(guān)量的輸出信號(hào)發(fā)送到電氣控制回路,最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制相關(guān)的設(shè)備;除此之外,PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線,從高壓綜合計(jì)保(如Sepam1000+)和低壓電力檢測(cè)儀(如PM500)中采集高/低壓電力參數(shù),并對(duì)高/低壓配電柜提供保護(hù)和控制。

        PLC控制程序,符合工藝流程的設(shè)計(jì)要求,其主要功能有:①保護(hù)、測(cè)量和控制高/低壓柜;②保護(hù)和測(cè)量主變單元和直流屏單元;③采集儀表數(shù)據(jù)和電控設(shè)備狀態(tài),控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;④通過現(xiàn)場(chǎng)總線,采集高低壓進(jìn)線和機(jī)組運(yùn)行的電力參數(shù),并送人—機(jī)界面顯示和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ);⑤通過工業(yè)以太網(wǎng)和其它站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以及向人—機(jī)界面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù);⑥按照工藝流程的相關(guān)要求,對(duì)所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,包括現(xiàn)場(chǎng)泵站和水閘的無人值守;⑦通過人機(jī)界面接口接受操作人員的相關(guān)命令,遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟/停。

        1.2 監(jiān)視、操作層

        監(jiān)視、操作層主要包括現(xiàn)場(chǎng)操作站和控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這兩個(gè)部分。對(duì)于要有人值班的泵站和水閘,要求配置一定的現(xiàn)場(chǎng)操作站,現(xiàn)場(chǎng)操作站上的人—機(jī)界面程序的功能有:①整個(gè)系統(tǒng)的概況主要用工藝流程圖的形式展現(xiàn)出來,包括生產(chǎn)過程、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的顯示;②根據(jù)權(quán)限實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作;③對(duì)實(shí)時(shí)和歷史報(bào)警進(jìn)行查詢;④查詢相關(guān)的工藝參數(shù)變化趨勢(shì)圖;⑤生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表。

        控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要包括控制中心操作站和各種服務(wù)器??刂浦行牟僮髡緦⑺鞋F(xiàn)場(chǎng)操作站的圖形和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總,具備現(xiàn)場(chǎng)操作站的所有功能,在遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備時(shí),需要交換控制權(quán)。隨著現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的調(diào)整、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要以及對(duì)泵站水閘長期運(yùn)行效果的分析,可對(duì)相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行在線修改(如:測(cè)點(diǎn)名稱、越限限值等)。

        系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要按照IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行,要求PLC系統(tǒng)中的I/O點(diǎn)至少有20%的預(yù)留;PLC容量和機(jī)架可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展;確保結(jié)構(gòu)化和程序化的程序設(shè)計(jì),可讀性強(qiáng),以便于后期對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

        1.3 瀏覽、管理層

        在網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)器并開發(fā)門戶網(wǎng)站,主要采用可視化方式通過IE瀏覽器來查看防洪泵站、水閘、水文監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),將人—機(jī)界面的動(dòng)態(tài)圖形畫面和報(bào)表全部展示出來,以便于有關(guān)部門能深入了解相關(guān)的防洪信息和防洪設(shè)備在當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

        2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

        系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為快捷、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)以太網(wǎng),所有PLC控制站、現(xiàn)場(chǎng)操作站、控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和各職能部門用于瀏覽自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的PC機(jī)通過光纖連接在以太網(wǎng)上。對(duì)于有些站點(diǎn),光纖是不能連接到位的,主要通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)鏈路上的連接。

        控制中心計(jì)算機(jī)和各職能部門PC機(jī)組成局域網(wǎng),施行內(nèi)/外網(wǎng)雙網(wǎng)隔離。需要上外網(wǎng)(如部門內(nèi)局域網(wǎng),或Internet網(wǎng)等)的計(jì)算機(jī)都配置雙硬盤和雙系統(tǒng),防止一些不確定的因素(如病毒)沖擊工業(yè)以太網(wǎng),以此來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)安全性和可靠性的提高,確保控制指令的快速執(zhí)行和反饋。

        PLC控制站中還存在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng),高壓綜合計(jì)保、低壓電力檢測(cè)儀和大量智能儀表都配有RS485物理接口,支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議(如Modbus等)。方便PLC系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行大量參數(shù)采集,減少了大量I/O鏈路連接,相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)傳輸,提高了系統(tǒng)的采集精度。

        3 系統(tǒng)防雷

        系統(tǒng)中有獨(dú)立的接地裝置,接地電阻值小于1Ω。PLC系統(tǒng)模塊都有“三類”防雷要求,模塊所有公共端均是單點(diǎn)隔離方式。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,電源的進(jìn)線處加裝過壓保護(hù)裝置,PLC系統(tǒng)模塊配電加裝浪涌抑制器,網(wǎng)絡(luò)鏈路上加裝防雷裝置。對(duì)所有的DI/DO模塊,采用中間繼電器進(jìn)行電氣隔離。對(duì)采集二線制儀表數(shù)據(jù)的AI模塊,采用信號(hào)隔離裝置以提高模擬量信號(hào)的抗干擾能力。

        4 系統(tǒng)主要控制

        系統(tǒng)中所有設(shè)備的控制模式都為三級(jí)控制:

        (1)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng):通過現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制設(shè)備(優(yōu)先級(jí)最高);

        (2)遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng):通過人—機(jī)界面接口遠(yuǎn)程控制設(shè)備(包括現(xiàn)場(chǎng)操作站點(diǎn)動(dòng)和控制中心操作站點(diǎn)動(dòng));

        (3)遠(yuǎn)程自動(dòng):通過控制工藝自動(dòng)控制設(shè)備的啟/停。4.1水泵控制

        水泵控制模塊如圖1。

        圖1 水泵控制模塊圖

        手動(dòng)/自動(dòng)是人—機(jī)界面上的切換按鈕;手動(dòng)命令是操作員在人—機(jī)界面上發(fā)出的對(duì)水泵的控制指令;自動(dòng)命令是PLC程序根據(jù)水泵的控制要求自動(dòng)產(chǎn)生的控制指令(如:水泵根據(jù)水位高低的自動(dòng)啟/停,根據(jù)運(yùn)行狀況和輪循時(shí)間的自動(dòng)啟/停);遠(yuǎn)程/就地是水泵電氣控制回路上的電氣控制和計(jì)算機(jī)控制的切換開關(guān);安全連鎖是水泵的低水位保護(hù)位;水泵硬件故障包括電機(jī)過載、缺相、水泵泄漏、超溫、浸水等;水泵故障還包括PLC程序邏輯所檢測(cè)的水泵運(yùn)行時(shí)沒有運(yùn)行反饋和停止時(shí)沒有停止反饋等軟故障。

        4.2 水閘控制

        水閘控制包括開閘和關(guān)閘兩個(gè)控制模塊。水閘和水泵控制模式的相同部分不再重復(fù)。不同的是:自動(dòng)命令是PLC程序根據(jù)水閘的控制要求自動(dòng)產(chǎn)生的控制指令(如:水閘根據(jù)水位高低的自動(dòng)開/關(guān)/停閘,根據(jù)設(shè)定的開度或排泄量自動(dòng)開/關(guān)/停閘);水閘硬件故障包括電機(jī)過載、水閘過力矩、張力失衡等;水閘軟故障指水閘開/關(guān)時(shí),在預(yù)置時(shí)間內(nèi)沒有開到位/關(guān)到位信號(hào)。

        4.3 水利參數(shù)計(jì)算

        在城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中,要根據(jù)采集儀表的相關(guān)讀數(shù),來對(duì)水利數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算(如:水庫庫容、泵站排水量、水庫排泄量等),并將其提交給城市防洪信息系統(tǒng),作為防洪決策的主要依據(jù)。根據(jù)水庫水位和庫容特征曲線計(jì)算出水庫的庫容;根據(jù)水泵的排水量和揚(yáng)程曲線、效能曲線可計(jì)算出泵站的排水量;根據(jù)水庫水位、水閘開度、水庫實(shí)際水深計(jì)算水庫排泄量;根據(jù)雨量流量計(jì)計(jì)算雨情。

        5 結(jié)語

        由于各個(gè)城市具有不同的基礎(chǔ)設(shè)施、地形地貌、自然資源及防洪的重點(diǎn),在設(shè)計(jì)城市防洪自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),要綜合考慮選用不同的PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、人—機(jī)界面開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫和報(bào)表開發(fā)軟件及網(wǎng)上發(fā)布的開發(fā)模式,其首選目標(biāo)主要是確保自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的易擴(kuò)展性、可靠性、操作和維護(hù)的方便性。

        [1]馮磊,劉鋒.自動(dòng)化控制系統(tǒng)在平湖市城市防洪工程中的應(yīng)用[J].浙江水利科技,2015,43(1):93~95.

        [2]馬志宏.淺談自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在泵站運(yùn)行中的應(yīng)用[J].科學(xué)時(shí)代,2013(24).

        [3]馬琳.淺談自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用——以仙蠡橋水利樞紐工程為例[J].河南科技,2013(12):121.

        TP277

        A

        1004-7344(2016)13-0266-02

        2016-4-25

        俸建萍(1985-)女,助理工程師,本科,主要從事堤防、排澇溝的巡查,泵站等日常運(yùn)行維護(hù)工作。

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