石雨生，徐志明，張恒昌

（南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

南水北調(diào)東線一期工程山東段閘站自動化系統(tǒng)設(shè)計中管理機構(gòu)分為三級：一級調(diào)度中心（主調(diào)中心）、二級管理局分中心、三級現(xiàn)地管理處。目前“兩級調(diào)度、三級管理”的調(diào)度模式趨于成熟，兩級調(diào)度是指由二級局分中心根據(jù)調(diào)度指令要求直接對所轄的現(xiàn)地閘站進行遠程自動化控制，完成日常調(diào)水作業(yè)。閘站參與調(diào)水作業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備主要包括啟閉機、開度儀、PLC 成套柜等。自動化控制系統(tǒng)自建成投入運行后，大大提升了調(diào)水作業(yè)的規(guī)范性、安全性。同時，部署遠程和現(xiàn)地組態(tài)軟件，建立一個分布式監(jiān)控平臺，通過統(tǒng)一的協(xié)議使各監(jiān)控平臺節(jié)點進行通信和交互，監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務(wù)與各級閘站監(jiān)控系統(tǒng)交互，提供了現(xiàn)場閘站“無人值守”化管理的技術(shù)保障，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測、操控[1]。

本文在剖析南水北調(diào)東線一期工程山東段閘站自動化系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)采集與處理功能設(shè)計進行探究，為日后調(diào)水作業(yè)控制數(shù)據(jù)的采集、分析、精細化應(yīng)用提供參考。

1 閘站自動化系統(tǒng)架構(gòu)

南水北調(diào)山東段一期的閘站自動化系統(tǒng)由遠程和現(xiàn)地兩部分構(gòu)成。遠程控制系統(tǒng)主要有調(diào)度中心遠程控制系統(tǒng)，主要負責全線閘站調(diào)度運行作業(yè)和系統(tǒng)運行監(jiān)控；分中心遠程控制系統(tǒng)，主要負責轄區(qū)內(nèi)所屬各閘站系統(tǒng)控制與監(jiān)控。現(xiàn)地站控制系統(tǒng)部署在各現(xiàn)地閘站，通過采集PLC的數(shù)據(jù)系統(tǒng)實行現(xiàn)地操作控制，與底層的水位計、流量計及部分終端直接通訊。

監(jiān)控服務(wù)主要有：監(jiān)控管理，監(jiān)控各閘站的運行情況及指令下發(fā)；控制模型，負責閘站控制邏輯及運算單元；數(shù)據(jù)庫服務(wù)，提供強有力的數(shù)據(jù)存儲和管理及數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。

現(xiàn)地站主要運行兩套冗余熱備的PLC 設(shè)備，以其中一臺PLC 為主，一臺為輔，可以任意切換，PLC 模塊主要采用 Quantum M340 系列，CPU 模塊間通過熱備光纖相連；現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)主要進行水位信息、流量信息、開度信息、電流信息、電壓信息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作，對采集數(shù)據(jù)進行初步分析篩選，為設(shè)備安全運行提供有效依據(jù)，為后期數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理功能設(shè)計

對于沿線各閘站自動化系統(tǒng)采集、監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包括閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、開度信息、電量信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、限位及荷重狀態(tài)、相序故障信息等，并實施閘門現(xiàn)地及遠程的自動啟閉控制。

2.1 功能概述

數(shù)據(jù)采集功能主要包括對現(xiàn)場閘站水位、流量、開度、電量信息、限位及荷重狀態(tài)以及各種狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集和處理?？刂乒δ苤饕ìF(xiàn)地PLC 柜及遠程控制平臺下發(fā)控制指令并實現(xiàn)遠程控制閘門的目標。

通過現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)將現(xiàn)地設(shè)備數(shù)據(jù)信息全部采集到PLC 控制柜，分析后上傳至遠程控制平臺，集中展示數(shù)據(jù)信息。

1）水情信息采集。對閘室閘門開度、閘門啟閉狀態(tài)、水位及電源、供配電狀態(tài)進行實時采集。所采集數(shù)據(jù)在上傳遠程控制平臺的同時，還需為現(xiàn)地控制、監(jiān)控、管理及記錄提供實時數(shù)據(jù)。

平陰渠道管理處所轄閘室大部分采用電子水尺采集方式，該設(shè)備安裝于閘前、閘后翼墻處，通過測量水淹沒傳感器的高度并經(jīng)換算后獲得水深。所測數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸設(shè)備傳輸?shù)絇LC 控制柜。

2）流量信息。重要節(jié)點安裝流量計進行流量數(shù)據(jù)采集并上傳；非重要節(jié)點通過計算模型加載流量信息，流量計算模型通過實時水位信息、水位設(shè)計高程、開度、閘站類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)定可修整變量參數(shù)實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的計算。

3）遠程控制。通過遠程控制平臺實現(xiàn)閘門開度、啟停的控制。遠程控制平臺通過網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)將控制指令下發(fā)至現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)，現(xiàn)地PLC 控制系統(tǒng)通過解析控制指令，將控制命令下發(fā)至現(xiàn)地啟閉機控制系統(tǒng)。

4）故障報警自動上報。水位異常變化和閘門異常變化均可發(fā)出報警信息，報警閾值可在管理端進行設(shè)定。當出現(xiàn)通訊狀態(tài)中斷、閘門沖頂、停電、過流等故障狀態(tài)時平臺發(fā)出報警信息，報警數(shù)據(jù)在上傳平臺的同時在本地記錄留存。

5）事件操作記錄。啟停狀態(tài)變化、操作指令（包括遠程指令）、控制參數(shù)的增加、刪除、修改等動作、故障報警狀態(tài)將作為事件在上傳平臺的同時在本地記錄留存。

6）事件警告。啟停狀態(tài)變化、操作指令（包括遠程指令）、控制參數(shù)的增加、刪除、修改等動作均可觸發(fā)事件報警。

7）參數(shù)設(shè)置。由于外界環(huán)境的變化，測量設(shè)備正常運行的情況下，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)微差，消除微差，參數(shù)修改。

8）聲光報警。遠程提升閘門時會給現(xiàn)場人員提前告示，閘門在動作之前會有聲光警示。

2.2 輸入、輸出項

1）輸入項。通過PLC 實時收集的數(shù)據(jù)如模擬量與開關(guān)量，對需要計算的數(shù)據(jù)進行必要的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按不同類型分別存入不同的數(shù)據(jù)庫表，以備查詢?，F(xiàn)場需要采集的數(shù)字量有：啟閉機手動、自動、停止、運行、故障、機械上下限、儀表上下限狀態(tài)，采集模塊為DDI1602，該輸入模塊觸點對應(yīng)程序的輸入寄存器地址，由此在程序中對應(yīng)分配正確的寄存器地址，該狀態(tài)就會相應(yīng)發(fā)送至觸摸屏。

水位采集設(shè)備包括浮子式水位計、超聲波水位計、電子式水位計、雷達式水位計、壓阻式水位計。水位計輸出信號包括2 種，一種是RS485 Modbus 協(xié)議類型，一種是4～20 mA。其中采集4～20 mA 的模擬量信模塊為AMI0810 模塊，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，給定相應(yīng)的通道分配，程序中建立模擬量轉(zhuǎn)換功能塊，功能塊經(jīng)過邏輯運算，然后整定輸出相應(yīng)的閘前、閘后水位。RS485 Modbus 協(xié)議采集模塊為BMXNOM0200 串口模塊，通訊格式9600.0.8.1 地址等參數(shù)設(shè)置正確后，在PLC 程序中就可讀到水位計信號，讀到的數(shù)據(jù)會存儲在指定的寄存器中。

現(xiàn)地高壓柜的電量為多功能表，傳輸方式為RS485，Modbus 協(xié)議，采集模塊為 BMXNOM0200串口模塊，通訊格式9600.0.8.1 地址等參數(shù)設(shè)置正確后，在PLC 程序中就可讀到電能表的電流、電壓等參數(shù)，讀取的數(shù)據(jù)會存儲在指定的寄存器中。

2）輸出項。通過PLC 采集的各類數(shù)據(jù)信息存放在不同的寄存器中，作為限制條件執(zhí)行邏輯程序，包括遠程開閘、關(guān)閘、停止等，限制條件滿足，執(zhí)行信號輸出，驅(qū)動外部繼電器，由外部繼電器去啟動或關(guān)閉信號。

采集到的模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)，PLC 可通過接口通道讀取各類數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)再經(jīng)過數(shù)據(jù)計算、整定、處理得出實際的測量值。

2.3 流程邏輯

底層設(shè)備的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過采集模塊傳輸?shù)絇LC 處理單元，PLC 進行計算處理判斷后，在監(jiān)控單元上進行展示，包括觸摸屏和上位機，并且存入上位機的數(shù)據(jù)庫。

3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備優(yōu)化升級

經(jīng)過較長時間的調(diào)度作業(yè)，可以看到傳統(tǒng)采集設(shè)備普遍存在“測不到、測不準、測得慢、成本高”[2]的難題。尤其是在南水北調(diào)東線現(xiàn)場工況下，高溫、灰塵和濕度過大是導(dǎo)致各類采集設(shè)備損壞的主要原因[3]。各類采集設(shè)備提供了基礎(chǔ)決策的數(shù)據(jù)，為保證這些采集設(shè)備可靠運行，在優(yōu)化運行環(huán)境的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮水質(zhì)和冰期調(diào)水作業(yè)對水位采集的影響，充分考慮感應(yīng)、傳輸、供電等電子元件的使用壽命、故障率對數(shù)據(jù)采集的影響，根據(jù)運行維護工況對故障頻發(fā)的水位、閘位等采集設(shè)備進行優(yōu)化升級。

3.2 強化數(shù)據(jù)篩選和清洗

基于具有強大處理功能的PLC，高頻次的數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生了大量干擾數(shù)據(jù)或無效數(shù)據(jù)。在進行閘站自動化系統(tǒng)設(shè)計過程中，已經(jīng)采取了一定的過濾策略。然而經(jīng)過長時間的運行，暴露了不能全面覆蓋數(shù)據(jù)種類、范圍的缺陷。應(yīng)當在原有過濾策略的基礎(chǔ)上建立一套數(shù)據(jù)分析決策機制，在保證真實交互的基本需求下，對采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，篩選和清洗干擾數(shù)據(jù)，降低PLC和遠控系統(tǒng)的處理負荷。

4 結(jié) 語

隨著“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”總基調(diào)的確定，水利信息化已開始步入快車道，強大而完善的閘站自動化系統(tǒng)有效提升了南水北調(diào)東線調(diào)水作業(yè)效率，采集設(shè)備的提升改造保障了自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的及時、準確、可靠。在完善遠控、現(xiàn)地控制功能的同時，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理的設(shè)備、流程，引入數(shù)據(jù)分析技術(shù)，全面提升南水北調(diào)東線的閘站自動化控制水平，實現(xiàn)南水北調(diào)工程的自動化操作、精準化控制、智慧化調(diào)度等方面，確保安全運行，為社會經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的保障。