劉雪芹，劉新泉，梁云輝

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

通榆河北延送水工程連云港境內(nèi)涵閘工程全長71.2km，主要分布在連云港市灌南縣、灌云縣、新浦區(qū)、海州區(qū)和贛榆縣境內(nèi)，工程由新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、東門河節(jié)制閘、界圩河節(jié)制閘、車軸河節(jié)制閘、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站、青口河控制閘和青口河引水閘等13個工程組成，主要作用是解決連云港港口及臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展用水，提高連云港市供水保證率，保證河道通航水位，并且具備調(diào)度排澇等功能。

通榆河北延送水工程連云港境內(nèi)涵閘工程供水范圍廣，沿線泵站、節(jié)制閘、套閘和地涵眾多，管理和調(diào)度難度較大。為保證通暢輸水，合理配置水資源，充分發(fā)揮引供水工程的效益，建立一個綜合自動化系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

綜合自動化系統(tǒng)總體框架采用分層、分布、模塊式體系結(jié)構(gòu)，各層之間通過以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線進行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護、擴展和升級。同時遵循公專結(jié)合原則，充分利用運營商和水利部門現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)及信息資源，避免重復(fù)建設(shè)。

綜合自動化系統(tǒng)主要由計算機監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)和廣播信號指揮子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統(tǒng)構(gòu)成

計算機監(jiān)控子系統(tǒng)完成對泵站主機與輔機、節(jié)制閘和套閘、地涵閘門的控制與調(diào)節(jié)；視頻監(jiān)視子系統(tǒng)主要通過攝像機、工業(yè)液晶顯示大屏等設(shè)備，在控制室監(jiān)視機組與閘門的運行狀況；廣播與信號指揮子系統(tǒng)通過擴音喇叭和交通信號燈等設(shè)備對船舶的過閘運行進行指揮和管理。幾個子系統(tǒng)既相對獨立，又有機結(jié)合，在對現(xiàn)場設(shè)備控制時，通過計算機監(jiān)控子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)相互輔助完成設(shè)備控制，節(jié)制閘與套閘的最佳過閘方案又依賴廣播與信號指揮系統(tǒng)的具體執(zhí)行。

2 計算機監(jiān)控子系統(tǒng)

連云港境內(nèi)通榆河北延送水工程由2座泵站、4座地涵、6座節(jié)制閘、1座套閘共13座工程組成，工程按行政管理區(qū)域劃分為3部分，即灌云縣送水工程區(qū)域、連云港市送水工程區(qū)域和贛榆縣送水工程區(qū)域3部分。在連云港市建立連云港市通榆河北延送水工程調(diào)度管理控制中心，在灌云縣送水工程區(qū)域、連云港市送水工程區(qū)域和贛榆縣送水工程區(qū)域3處建立控制分中心。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

計算機監(jiān)控子系統(tǒng)為分層分布開放式結(jié)構(gòu)，分為3級，即集控中心、控制分中心和主控級。控制權(quán)相應(yīng)分為3級，可以進行無擾動切換，系統(tǒng)越接近現(xiàn)地設(shè)備，控制權(quán)限越高。主控級的控制優(yōu)先級別最高，控制分中心控制級別其次，集控中心的控制優(yōu)先級別最低[1]。主控級除能迅速可靠、準(zhǔn)確有效地完成對泵站主機與輔機、節(jié)制閘和套閘、地涵閘門的安全監(jiān)視和控制，還要完成對整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行管理，包括數(shù)據(jù)存檔、檢索、運行報表生成打印和對外通信管理等[2]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

計算機監(jiān)控子系統(tǒng)由監(jiān)控工作站、通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、現(xiàn)地控制單元以及各類傳感器等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、運行監(jiān)視和事故報警、控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)通訊等功能。

上位機監(jiān)控軟件完成對機組與閘門的運行監(jiān)控及管理，實時監(jiān)測、采集各現(xiàn)地控制單元運行狀態(tài)信號，完成機組與閘門、配電系統(tǒng)等設(shè)備運行的實時監(jiān)視與遠程控制；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。

現(xiàn)地控制單元配有彩色觸摸屏，人機界面功能通過觸摸屏實現(xiàn)，運行人員能通過觸摸屏直接對機組和閘門進行操作[3]?，F(xiàn)地控制單元的設(shè)計能保證當(dāng)它與上位機系統(tǒng)通訊中斷后仍然能實現(xiàn)對機組和閘門進行必要的監(jiān)視和控制，能夠監(jiān)控主機與輔機系統(tǒng)的啟停、閘門的提升和降落、水位和開度、荷重的采集、配電設(shè)備的運行狀況及其他相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)，當(dāng)其與上位機恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從上位機系統(tǒng)的控制和管理[4]。

控制分中心通過網(wǎng)絡(luò)與下轄各主控級鏈接，實現(xiàn)信息采集與調(diào)度指令的下發(fā)，實現(xiàn)遠程控制，同時將機組與閘門的運行狀態(tài)、參數(shù)等上傳給集控中心。

主控級計算機監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)在各閘站、泵站的控制室，配置監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。監(jiān)控工作站通過交換機同PLC通信實現(xiàn)對機組、輔機系統(tǒng)、閘門、配電系統(tǒng)等現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控及運行信息和數(shù)據(jù)的采集(如機組電量、溫度參數(shù)、閘門開度、荷重、水位、流量、壓力等運行參數(shù))；數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲歷史數(shù)據(jù)；通信服務(wù)器用于同分中心通信將機組、輔機系統(tǒng)、閘門的實時運行信息與數(shù)據(jù)上傳至控制分中心[5]。

主控級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 視頻監(jiān)視子系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要通過攝像機、監(jiān)視器以及顯示大屏等設(shè)備對機組與閘門、輔機及配電系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)視。在上下游、主廠房、啟閉機房、設(shè)備間等重要部位設(shè)置攝像機，前端攝像機采集的視頻信號通過交換機等網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備傳輸至硬盤錄像機，在中控室的監(jiān)視器上分別以單畫面、4畫面、16畫面等多種顯示模式顯示出來，同時將視頻信息輸出至顯示大屏做細致監(jiān)控。對于設(shè)置在現(xiàn)地的任意一路活動攝像機，在中控室可以通過控制鍵盤遙控操作活動攝像機的云臺轉(zhuǎn)動及變焦，從而對現(xiàn)場設(shè)備進行全方位、更細致的監(jiān)控。

系統(tǒng)可在無人值班的情況下正常工作，避免因人為疏忽導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行情況的發(fā)生。系統(tǒng)可在多路視頻同時顯示情況下，同時進行實時錄像與多路現(xiàn)場同步錄音，同時能夠保證錄像資料回放時不丟幀。

4 廣播與信號指揮子系統(tǒng)

節(jié)制閘和套閘具有船舶通航要求。廣播系統(tǒng)由定壓功放、前置放大器、手持無線話筒和揚聲器等設(shè)備組成，信號指揮系統(tǒng)由布置于上、下游和閘室內(nèi)的交通信號燈組成，兩者作為通航時組織和指揮船舶過閘之用。調(diào)度員根據(jù)收費調(diào)度系統(tǒng)制定出最佳過閘方案，進行船舶登記、過閘費征收及票據(jù)管理、船舶調(diào)度等業(yè)務(wù)工作，交通信號燈根據(jù)上行和下行規(guī)則自動設(shè)定進出閘信號和停止信號，指揮員通過話筒指揮相關(guān)船舶有序進閘、出閘，并在船舶進出閘過程中通過視頻畫面進行跟蹤實時監(jiān)視，指導(dǎo)船舶通行[6]。

5 分中心建設(shè)

分中心按照行政管理區(qū)域劃分為3個，即灌云縣送水工程分中心、連云港市送水工程分中心和贛榆縣送水工程分中心。灌云縣分中心采集東門河節(jié)制閘、車軸河節(jié)制閘、界圩河節(jié)制閘的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在東門河閘控制室；連云港市分中心采集新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、善北套閘、穿善后河地涵、穿薔薇河地涵、太平莊閘、灌河北泵站、善后河南泵站的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在善北套閘控制室；贛榆縣分中心采集青口河控制閘和青口河引水閘的數(shù)據(jù)和圖像，該分中心設(shè)在青口河閘控制室。

分中心配置監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)通信服務(wù)器，分中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控工作站與轄區(qū)內(nèi)主控站的通信服務(wù)器進行通訊，實時監(jiān)測、采集各現(xiàn)地控制單元運行狀態(tài)信號，完成對機組、閘門等設(shè)備運行的實時遠程監(jiān)控；通過數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理功能，生成各類運行管理報表及打印。分中心的設(shè)計能保證當(dāng)一部分主控站與分中心監(jiān)控工作站通訊中斷后仍然能實現(xiàn)對通訊正常的主控站進行監(jiān)視和控制功能。

各分中心通信服務(wù)器同集控中心經(jīng)網(wǎng)絡(luò)防火墻通過水利專網(wǎng)將分中心采集到的現(xiàn)場設(shè)備運行參數(shù)上送至集控中心將機組、輔機系統(tǒng)、閘門的實時運行信息與數(shù)據(jù)上傳至集控中心，從而實現(xiàn)各分中心的信息上送。

6 集控中心建設(shè)

集控中心采集灌云縣分中心、連云港市分中心和贛榆縣分中心的數(shù)據(jù)和圖像，該集控中心設(shè)在連云港市通榆河北延送水工程管理處。

集控中心配置Web服務(wù)器和監(jiān)控工作站、視頻綜合管理平臺；監(jiān)控工作站同轄區(qū)內(nèi)分中心的通信服務(wù)器通訊，采集各分中心的實時數(shù)據(jù)，通過Web服務(wù)器發(fā)布功能將采集到的現(xiàn)地各站點信息發(fā)布至水利專網(wǎng)，視頻綜合管理平臺同各分中心視頻管理平臺進行通訊采集各站點重要部位的視頻信息，并將該視頻信息發(fā)布至水利專網(wǎng)；計算機和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)兩者有機結(jié)合，供管理處各科室工作人員通過IE瀏覽器獲取各站點運行工況和視頻圖像信息；主控級、分中心級與集控中心級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示(以連云港市為例)。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)組網(wǎng)采用公專相結(jié)合的組網(wǎng)方式，距離較遠時傳輸方式采用向電信租賃10M帶寬方式，設(shè)有1個固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，距離較近時采用自建光纖組網(wǎng)方式。泵站、節(jié)制閘和地涵監(jiān)控系統(tǒng)通過租賃水利專網(wǎng)和自建光纖網(wǎng)把各自數(shù)據(jù)上傳至善北套閘分中心，經(jīng)該分中心監(jiān)控工作站整合后接入善北套閘分中心網(wǎng)絡(luò)交換機，分中心配置一套網(wǎng)絡(luò)防火墻，再通過水利專網(wǎng)與連云港市集控中心相連接，實現(xiàn)下轄各工程站點機組與閘門的遠程監(jiān)控和監(jiān)視功能。

7 結(jié)語

連云港境內(nèi)泵站與涵閘工程是通榆河北延送水工程的重要組成部分，其自動化系統(tǒng)監(jiān)控對象包括了沿線眾多工程的機組、閘門及電氣設(shè)備，設(shè)備數(shù)量與種類多、沿線距離長、控制范圍廣，因此要求系統(tǒng)性能必須更加安全、可靠。系統(tǒng)在保證可靠實用、易擴充的前提下，完全按照分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和建設(shè)，按集控中心、控制分中心與主控級三級進行組網(wǎng)，經(jīng)過近5年不間斷運行，實踐證明該系統(tǒng)達到了技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)合理、功能完善的要求。

通榆河北延送水工程綜合自動化系統(tǒng)的建立大幅度減少了供水風(fēng)險，提高了供水工程的效益，提高水資源利用、配置、節(jié)約和保護的水平，系統(tǒng)在通榆河北延送水工程中發(fā)揮了巨大的作用。

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