王 翔

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海 200080）

0 引言

大治河是自黃浦江東岸起，由西向東貫穿閔行區(qū)、浦東新區(qū)2個(gè)行政區(qū)的一條市級骨干河道。大治河西閘位于大治河最西端，由大治河泵閘運(yùn)行管理所運(yùn)行管理[1]，建成于 1979 年，主要設(shè)施為一座6 孔 10 m 節(jié)制閘和一座 300 t 級船閘，主要功能為擋潮、調(diào)水及通航。該工程在 2008 年進(jìn)行過一次自動(dòng)化控制系統(tǒng)的改造，為防汛保平安、通航保安全發(fā)揮了重要作用。但是，隨著系統(tǒng)工程的硬件設(shè)備老化，軟件支持弱化，以及防汛、通航等形勢環(huán)境的變化，大治河西閘的自動(dòng)化設(shè)備已不能完全滿足上海市市管泵閘的現(xiàn)代化管理要求。

作為 2016 年市管水閘、泵站專項(xiàng)維修工程的組成部分，大治河西閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)（以下簡稱控制系統(tǒng)）列入了該年度升級改造項(xiàng)目，實(shí)施中涉及綜合監(jiān)控設(shè)備、控制柜、檢測儀表、LED 電子公告牌，以及視頻監(jiān)控、廣播、船只超高報(bào)警、電子巡更管理等系統(tǒng)。為提升上海市管泵閘整體運(yùn)行水平，對控制系統(tǒng)升級改造實(shí)踐進(jìn)行分析很有必要。

1 升級改造的前置需求

1.1 設(shè)施設(shè)備本身存在的問題

經(jīng)過梳理，控制系統(tǒng)存在的主要問題有：操作現(xiàn)場控制設(shè)備普遍老化，監(jiān)控主機(jī)長時(shí)間保持運(yùn)行，死機(jī)的頻率較高，需冷卻重啟后才能繼續(xù)使用；軟件聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，操作畫面和數(shù)據(jù)處理等不夠合理；視頻監(jiān)控設(shè)備老化、有死角，攝像機(jī)分辨率低及發(fā)生故障；現(xiàn)場檢測設(shè)備數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；現(xiàn)有 LED顯示屏和廣播不夠完善且損壞嚴(yán)重，開關(guān)閘時(shí)，不能有效地進(jìn)行字幕和音響提示等。

1.2 形勢任務(wù)帶來的變化

1）隨著上海市管泵閘改革工作的推進(jìn)，大治河西閘的管理模式已轉(zhuǎn)化為市場化運(yùn)作，即采用公開招標(biāo)的方式，委托第三方專業(yè)資質(zhì)單位負(fù)責(zé)水閘的日常運(yùn)行養(yǎng)護(hù)，大治河泵閘運(yùn)行管理所對合同執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)督與考核[2]。

2）隨著落實(shí)河長制推進(jìn)河道環(huán)境綜合治理的常態(tài)化，大治河西閘需持續(xù)加大引清調(diào)水力度，為所屬和臨近水域水質(zhì)的改善分擔(dān)更多任務(wù)，這要求正確且合理地處理好與防汛、通航等安全間的關(guān)系，避免出現(xiàn)因大引大排造成防汛設(shè)施和過往船只受損的情況。

3）自 2016 年8月1日起，上海市取消收取過閘費(fèi)后，大治河西閘過閘船舶數(shù)量有所增加，漲幅約 30%，加上近年來，過閘船舶中的大噸位船舶所占比重日漸上升，船舶擱淺帶來的通航過閘管理風(fēng)險(xiǎn)有所上升，調(diào)度方式和運(yùn)行流程有較大改變。

4）隨著上?！八膫€(gè)中心”建設(shè)目標(biāo)的提出，大蘆線航道、大治河西閘復(fù)線船閘[3]建設(shè)等市重大工程項(xiàng)目先后上馬實(shí)施，對大治河西閘這座 24 h 不間斷運(yùn)行的水閘，在已有繁忙的工作任務(wù)上，提出了封航管理的水域管控新要求，需要既保障工程獲得最優(yōu)水上作業(yè)環(huán)境，又要確保封航期尤其是恢復(fù)通航后過閘秩序有序高效。

這些主要變化，對舊有系統(tǒng)在框架優(yōu)化、實(shí)時(shí)監(jiān)管、信息統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)度決策指揮等方面的不足予以了凸顯，形成迫切改造的需求。

2 升級改造的方案內(nèi)容

控制系統(tǒng)升級改造包括計(jì)算機(jī)、視頻和分控中心遠(yuǎn)程等3個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)部分。

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

針對監(jiān)控設(shè)施設(shè)備存在的問題和改進(jìn)需求，對PLC 控制柜、交換機(jī)、操作電腦、UPS 電源、LED顯示屏、制冷設(shè)備、靜電地板及廣播設(shè)施等進(jìn)行統(tǒng)一更換；增加船只超高報(bào)警系統(tǒng)；更換水位計(jì)、開度儀及行程開關(guān)，提升對閘門運(yùn)行開度工況的監(jiān)測精度。

考慮到大噸位船舶過閘安全管理優(yōu)化，大治河西閘在船閘登記站設(shè)置雙光束激光入侵探測器，同步聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控圖像，達(dá)到及時(shí)有效報(bào)警船舶超高的預(yù)期設(shè)想。雙光束激光入侵探測器安裝2對，通過2對探測裝置的時(shí)差不同，可以過濾掉絕大部分的誤傳輸信號。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對船閘現(xiàn)場重要部位及設(shè)備的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視，并可對監(jiān)視畫面執(zhí)行各種控制操作。由此可全方位、靈活地監(jiān)控船閘內(nèi)各種設(shè)備及周邊情況，通過直觀了解現(xiàn)場情況，及時(shí)進(jìn)行操作調(diào)整，預(yù)防各種因素可能引起的故障，保證船閘的安全運(yùn)行。

本次改造結(jié)合大治河泵閘運(yùn)行管理所準(zhǔn)備實(shí)施的船閘安保外包的計(jì)劃，將大治河西閘監(jiān)控區(qū)域劃分為工作區(qū)和管理區(qū)，更換工作區(qū)的監(jiān)控設(shè)備，將數(shù)字化視頻監(jiān)控設(shè)備接入中控室。管理區(qū)中增設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)位全部采用大治河西閘站點(diǎn)及其它站點(diǎn)改造更換下來的舊有模擬系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，并接入門衛(wèi)室。其中，大治河西閘工作區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖 1所示，管理區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖1 大治河西閘工作區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

圖2 大治河西閘管理區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.3 分控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1）大治河西閘的管理單位為大治河泵閘運(yùn)行管理所，直屬上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處（以下簡稱市堤防處），根據(jù)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的實(shí)際需要，結(jié)合管理機(jī)構(gòu)設(shè)置和設(shè)施運(yùn)行管理現(xiàn)狀，市堤防處監(jiān)控系統(tǒng)擬采用邏輯上的3層結(jié)構(gòu)，由第1層次的動(dòng)態(tài)監(jiān)控總中心、第2層次的監(jiān)控分中心和第3層次的各泵閘站現(xiàn)場監(jiān)控共同構(gòu)成。其中，大治河西閘作為第3層次，負(fù)責(zé)接收來自總中心或分中心的控制指令，并完成對設(shè)備、重要控制建筑物及水情信息的實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)地控制操作，同時(shí)具有將本閘控制權(quán)限分配給現(xiàn)場、分中心和總中心的權(quán)限。

2）舊有系統(tǒng)使用的組態(tài)軟件與市管泵閘控制中心聯(lián)網(wǎng)時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，本次改造時(shí)，統(tǒng)一更換成Kingview 組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備自動(dòng)切換與控制中心的聯(lián)網(wǎng)，預(yù)留區(qū)域分控中心接口，逐步實(shí)現(xiàn)上海浦東片泵閘的集中控制，為將來全面推進(jìn)市管泵閘自動(dòng)化、集中控制和遠(yuǎn)程調(diào)度于一體的運(yùn)行調(diào)度平臺打下基礎(chǔ)。

3 升級改造主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 現(xiàn)地 PLC 控制

現(xiàn)場控制站是直接控制和監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的單元，實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的檢測和設(shè)備運(yùn)行工況信號的采集、監(jiān)測和控制，數(shù)據(jù)向中央監(jiān)控站實(shí)時(shí)傳送?，F(xiàn)場控制站采用 PLC 系統(tǒng)作為主控制器[4]，考慮到市管泵閘改造站點(diǎn)的 PLC 系統(tǒng)均采用 Quantum 系列設(shè)備，因此大治河西閘改造更換的 PLC 設(shè)備選用Unity Quantum140CPU43412 系列設(shè)備，I/O 模塊根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置，并保留必要的備用通道。對于已有的 PLC 設(shè)備在改造更新后，保留作為備品、備件使用。

3.2 水情監(jiān)測

大治河西閘使用的水位計(jì)目前主要為浮子式和超聲波水位計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，水閘處于非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，2 種水位計(jì)獲得的測量數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定，可靠性高；處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于裝置的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水位變化率過快、水體中的雜物干擾等原因，使得數(shù)據(jù)可靠性下降，信息存在失真現(xiàn)象?？紤]到這些因素，結(jié)合當(dāng)前信息發(fā)展趨勢和技術(shù)成熟度，以及項(xiàng)目資金的充裕程度，采用抗干擾能力、采樣頻率和測量精度更高的雷達(dá)式水位計(jì)，并安裝在測井內(nèi)，既可以有效降低垃圾雜物、水生植物等水面漂浮物的干擾，船舶通航帶來的碰撞影響，也便于今后實(shí)施維護(hù)。

3.3 閘門監(jiān)控

3.3.1 閘位工況監(jiān)測

為實(shí)現(xiàn)“少人值守”的目標(biāo)，對大治河西閘節(jié)制閘和工作2個(gè)閘門更換閘門開度儀，對閘門當(dāng)前位置進(jìn)行直接檢測。大治河西閘節(jié)制閘為直升平面鋼閘門，船閘為升臥式平面鋼閘門，在本次改造中，考慮到安裝條件具備且無較大變化，選用GWS540 拉繩位移傳感器，配備現(xiàn)場顯示儀表。配置行程開關(guān)對閘門的全開、全關(guān)及沖頂?shù)任恢眠M(jìn)行監(jiān)測。行程開關(guān)接入閘門現(xiàn)地控制箱，供現(xiàn)地手動(dòng)控制時(shí)使用，同時(shí)也將信號接入到現(xiàn)地控制單元控制柜。

3.3.2 控制方式和優(yōu)先級

閘門控制功能主要實(shí)現(xiàn)對閘門的全部和任意開度的啟降。大治河西閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的監(jiān)控方式包括以下3種類型：1）現(xiàn)場手動(dòng)方式。指不經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制設(shè)備，直接通過閘門驅(qū)動(dòng)電機(jī)一次回路實(shí)現(xiàn)閘門升降操作，這種方式不需要具備閘門升降過程的自動(dòng)控制，完全由人工實(shí)現(xiàn)。2）本地自動(dòng)控制方式。用于現(xiàn)場日常的閘門啟閉操作，在此方式下，閘門升降過程的自動(dòng)控制完全由現(xiàn)地控制單元按預(yù)定流程控制實(shí)現(xiàn)。3）遠(yuǎn)程控制方式?？梢栽谶h(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)控制，控制過程與本地自動(dòng)控制方式操作過程相同。3 種類型中，給予現(xiàn)場手動(dòng)最高優(yōu)先級，本地自動(dòng)控制次之，遠(yuǎn)程控制最低。

3.3.3 安全保護(hù)

閘門控制除正常到位停機(jī)外，還須確保具備三級保護(hù)，分別為控制系統(tǒng)軟硬件保護(hù)，即實(shí)施一級保護(hù)的工況聯(lián)動(dòng)保護(hù)；控制二次回路保護(hù)，即實(shí)施二級保護(hù)的閘門全開（或全關(guān)）保護(hù)；一次回路保護(hù)，即實(shí)施三級保護(hù)的閘門沖頂保護(hù)（或鋼絲繩松動(dòng)保護(hù)）。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定緊急停機(jī)保護(hù)（動(dòng)力電源開關(guān)跳閘），緊急停機(jī)保護(hù)具備遠(yuǎn)程控制能力。此外，自動(dòng)控制實(shí)施狀態(tài)連鎖保護(hù)，將禁止遠(yuǎn)程控制的內(nèi)容予以明確規(guī)定。

3.4 系統(tǒng)防雷

感應(yīng)雷擊作為大治河西閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)首要防范內(nèi)容，主要采取均衡系統(tǒng)電位、逐級分別泄流、加強(qiáng)屏蔽和供電保護(hù)4項(xiàng)措施，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)、主及戶外設(shè)備等供電電源端，室外設(shè)備電源（信號、數(shù)據(jù)）輸出端，室外攝像機(jī)電源線（視頻線、控制線）和監(jiān)測主機(jī)的室外信號輸入端的重點(diǎn)保護(hù)。

3.5 高清攝像設(shè)備

大治河西閘船閘當(dāng)班站點(diǎn)室內(nèi)配置 720 P 高清槍式攝像機(jī)，安裝部位包括船閘中控室、內(nèi)外河候泊區(qū)登記室等；室外配置 1080 P 高清槍式攝像機(jī)，安裝部位包括船閘內(nèi)外河候泊區(qū)登記室、閘首，閘室內(nèi)外側(cè)閘門及閘門擱門器等；船閘室外重點(diǎn)區(qū)域配置 1080 P 高速球機(jī)，安裝部位包括船閘閘室、內(nèi)外河引航道，以及節(jié)制閘內(nèi)外河點(diǎn)位、環(huán)衛(wèi)垃圾運(yùn)輸船舶登記處（注：上海市區(qū) 95% 以上的生活垃圾經(jīng)往大治河西閘后，運(yùn)輸?shù)狡謻|老港垃圾處置場進(jìn)行處理，對此，大治河西閘船閘水域設(shè)立了專門的候泊區(qū)域，供環(huán)衛(wèi)垃圾運(yùn)輸船舶?？坎?yōu)先通行）。通過不同類型、區(qū)域組合配置高清攝像機(jī)，以確保監(jiān)控區(qū)域盡可能減少監(jiān)控死角。

3.6 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

大治河西閘站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就近接入到站內(nèi)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。為保證主干網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，數(shù)據(jù)網(wǎng)與視頻監(jiān)控安防網(wǎng)分開，在中控室配置1臺環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)主交換機(jī)和1臺視頻千兆匯聚層交換機(jī)，負(fù)責(zé)冗余環(huán)網(wǎng)的管理。各PLC 柜均配置1臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，各網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)NVR 也均配置1臺視頻千兆接入層交換機(jī)。此外，配置1臺上行聯(lián)網(wǎng)交換機(jī)通過骨干光纖網(wǎng)絡(luò)與上級中心或分中心實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

4 升級改造應(yīng)用與管理建議

4.1 關(guān)聯(lián)堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是上海市管泵閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成之一，后者與市堤防處應(yīng)用中的堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)一起構(gòu)成對市管泵閘信息化應(yīng)用的重要支撐。控制系統(tǒng)的升級改造，在實(shí)時(shí)監(jiān)測、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)和事件記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表查詢等方面形成的做法與經(jīng)驗(yàn)，建議關(guān)聯(lián)到正處于升級改造階段的堤防泵閘設(shè)施管理系統(tǒng)中，有利于在市堤防處統(tǒng)一管理格局下，通過2個(gè)系統(tǒng)的資源整合與模式互補(bǔ)，提升控制系統(tǒng)的應(yīng)用效益。

4.2 加大信息化人才培養(yǎng)和使用力度

目前，大治河西閘閘門運(yùn)行操作崗位上的工作人員，基本都具備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的操作技能，能夠維持水閘的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，期望更有效地發(fā)揮升級改造后的新系統(tǒng)效益，能夠在今后系統(tǒng)運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)較深層次的問題并自己動(dòng)手解決，這對平均年齡相對較大、學(xué)識層次相對較低的操作班組來說，無疑是很困難的。建議加快對信息化人才的引進(jìn)，促使水閘操作班組的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，同時(shí)加快普及計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)新知識，強(qiáng)化系統(tǒng)問題模擬實(shí)戰(zhàn)，多管齊下，將控制系統(tǒng)使用好、養(yǎng)護(hù)好。

5 結(jié)語

大治河西閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)升級改造項(xiàng)目已于2018 年1月通過驗(yàn)收，各項(xiàng)預(yù)期功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常。該項(xiàng)目作為市管泵閘各站點(diǎn)升級改造的先行試點(diǎn)，為高效建立和統(tǒng)籌實(shí)施新的市管泵閘信息化發(fā)展規(guī)劃積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，提供了有益參考。今后將進(jìn)一步就系統(tǒng)在提高科學(xué)管理水平和泵閘運(yùn)行的安全可靠性上，根據(jù)實(shí)際需要，對硬件配置和軟件功能予以不斷改進(jìn)和完善，持續(xù)探討與實(shí)踐控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、業(yè)務(wù)查詢，以及站網(wǎng)、通航、預(yù)案和調(diào)度等管理上的平衡與最優(yōu)化。

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