邢 則，王子晴，林 晶

（溫州市甌飛經(jīng)濟開發(fā)投資有限公司，浙江 溫州 325000）

1 引言

溫州甌飛灘涂地處浙東南沿海，屬于甌江河口和飛云江河口外區(qū)域，距溫州市中心僅40 km。南、北邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線，東至洞頭區(qū)的霓嶼島和瑞安市的鳳凰島連接線。 溫州甌飛一期圍墾工程（北片）位于甌飛灘區(qū)域高灘區(qū)域范圍，圍涂區(qū)域面積6.64萬畝，海堤堤線總長23.369 km，北堤4.30 km，東堤16.03 km，2號隔堤3.039 km，共設(shè)置北1號、北2號、東1號、西河堤排澇站4座水閘。本研究建設(shè)一套閘門群計算機集控系統(tǒng)，包括北1號（設(shè)工作閘門10扇）、北2號（設(shè)工作閘門6扇、通航孔工作閘門1扇）、東1號（設(shè)工作閘門3扇）、西河堤排澇站（設(shè)工作閘門7扇）共4座水閘，并為其他3座水閘的后期自動化接入預(yù)留接口余量[1]。

2 總體框架

系統(tǒng)的構(gòu)架采用了“分級管理、中心集控”的模式，采用了分層分布開放式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)備與功能均按照分級、分層分布的結(jié)構(gòu)進行部署。

計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點設(shè)備均有自己特定的功能，實現(xiàn)功能的分布。既保證某一設(shè)備故障只影響局部的功能，又便于今后功能的擴充。

調(diào)度中心平臺軟件應(yīng)采用C/S架構(gòu)，設(shè)置容錯的I/O采集服務(wù)器、操作員工作站，I/O采集服務(wù)器直接讀取計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上所有現(xiàn)地控制設(shè)備現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集的實時性和一致性，智慧管控平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用均取自于該容錯服務(wù)器的數(shù)據(jù)源，確保數(shù)據(jù)收集的真實性和一致性。

系統(tǒng)按控制層次分成三級，設(shè)置“中心集控”“站控級”“現(xiàn)地級”三級，各級之間相互閉鎖。系統(tǒng)的經(jīng)常運行模式采用“中心集控”模式[2]，當(dāng)骨干網(wǎng)絡(luò)異常時，采用“站控級”單站控制模式?！艾F(xiàn)地級”作為調(diào)試以及應(yīng)急使用。由于北1號和北2號間距100 m左右，計算機監(jiān)控系統(tǒng)合并為1座水閘考慮，分級管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分級管理架構(gòu)

（1）中心集控級

中心集控級設(shè)備布置于溫州甌飛圍墾工程管理樓調(diào)度管理中心控制室內(nèi)，由硬件設(shè)備部分和軟件部分組成，硬件設(shè)備部分主要包括：容錯的I/O采集服務(wù)器、操作員工作站、工程師/培訓(xùn)工作站、排澇調(diào)度仿真工作站、通信工作站、LED服務(wù)器、LED顯示屏、打印機等；軟件部分主要包括：操作系統(tǒng)軟件、工控組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件等。兩套操作員工作站采用冗余熱備工作方式，可任選其中一臺作操作運行，完成監(jiān)控任務(wù)；另一臺備用，同時可供監(jiān)視用。

（2）站控級

站控級為獨立完整的單閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由站控級主控制層設(shè)備、控制軟件、現(xiàn)地控制層設(shè)備及自動化元件（如水位計）等組成。

站控級系統(tǒng)具有相對獨立性，它們能直接完成生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、單元設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。能對所管轄的生產(chǎn)過程進行完善的監(jiān)控，它們經(jīng)過輸入、輸出接口與生產(chǎn)過程相連，通過千兆計算機監(jiān)控系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)與中心集控級交換信息[3]。

由于北1號和北2號間距有100 m左右，計算機監(jiān)控系統(tǒng)合并為1座水閘考慮。

計算機監(jiān)控子系統(tǒng)采用專用1 000 M光纖環(huán)網(wǎng)，4個閘站作為環(huán)網(wǎng)上的節(jié)點，北1號閘和北2號閘共用1 000 M光纖環(huán)網(wǎng)交換機外，東1號閘、西河堤水閘均單獨配置1 000 M光纖環(huán)網(wǎng)交換機，且與調(diào)度中心1 000 M光纖環(huán)網(wǎng)交換機環(huán)接，將所采集的數(shù)據(jù)、信息上傳至調(diào)度中心，并接受調(diào)度中心下發(fā)的控制指令。

站控級網(wǎng)絡(luò)交換機通過設(shè)置VLAN，將計算機監(jiān)控、水情監(jiān)測、工程安全監(jiān)測等不同業(yè)務(wù)劃分為不同的虛擬網(wǎng)。調(diào)度中心設(shè)1臺三層核心交換機，實現(xiàn)網(wǎng)間的三層數(shù)據(jù)交換。

3 站級計算機監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 北1號、北2號閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)

（1）主控制層設(shè)備

主控制層設(shè)備主要包括：2套操作員工作站、1套工程師工作站、1套通信工作站、1套LED服務(wù)器、1面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏、1套GPS（布置于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏內(nèi)）、2臺A3幅面黑白激光打印機、1張中控臺等設(shè)備。上述主控設(shè)備布置于北1號、北2號閘控制室內(nèi)。

①操作員工作站。操作員工作站功能包括對北1號閘、北2號閘的自動化控制系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號的分析處理等。②工程師工作站。工程師工作站將承擔(dān)單站調(diào)試和員工仿真培訓(xùn)工作，配置要求同調(diào)度管理中心工程師工作站。③通信工作站。該工作站將承擔(dān)通信網(wǎng)關(guān)的作用，可以將其他智能設(shè)備所采集的現(xiàn)場信息匯總并通過骨干千兆網(wǎng)絡(luò)上送調(diào)度中心。④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏技術(shù)要求同調(diào)度管理中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屏。⑤GPS設(shè)置1套高精度的衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)（GPS），它具有與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時間同步的能力，對時裝置通過以太網(wǎng)向各相連工作站和LCU發(fā)送對時信號，使各閘站主控制層和現(xiàn)地控制層同步。⑥打印機。配置2套網(wǎng)絡(luò)型A3幅面黑白激光打印機。⑦中控臺。中控臺技術(shù)要求除長度為4.8 m外，其余同調(diào)度管理中心中控臺。

（2）現(xiàn)地控制層設(shè)備

1號～16號工作閘門現(xiàn)地控制單元LCU 16套（對應(yīng)北1號閘、北2號閘16扇工作閘門），活動鋼橋現(xiàn)地控制單元LCU 2套，濾油系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元LCU 1套，北2號閘通航孔現(xiàn)地控制單元LCU 1套，北2號閘通航孔現(xiàn)地控制單元LCU柜內(nèi)包含PLC、觸摸屏、交直流雙供電源裝置、出口繼電器、空氣開關(guān)、按鈕、信號燈等。

（3）北2號閘通航孔廣播系統(tǒng)及交通信號燈

北2號閘通航孔上、下游2側(cè)均應(yīng)裝設(shè)交通信號燈及廣播系統(tǒng)。

3.2 東1號閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)

（1）主控制層設(shè)備

設(shè)備配置及數(shù)量要求均同北1號、北2號閘主控制層設(shè)備。

（2）現(xiàn)地控制層設(shè)備

1號～3號工作閘門現(xiàn)地控制單元LCU 3套，公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU 1套，通航孔廣播系統(tǒng)及交通信號燈。由于東1號閘有1孔工作閘有通航要求，故在此孔的上、下游2側(cè)均裝設(shè)交通信號燈及廣播系統(tǒng)，設(shè)備配置及數(shù)量均同北2號閘通航孔廣播系統(tǒng)及交通信號燈。

3.3 西河堤水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)

（1）主控制層設(shè)備

設(shè)備配置及數(shù)量均同北1號閘、北2號閘主控制層設(shè)備。

（2）現(xiàn)地控制層設(shè)備

西河堤水閘設(shè)置1套公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元，用于完成西河堤水閘7扇排澇閘門及配電裝置等公用設(shè)備的監(jiān)測、控制以及數(shù)據(jù)采集、處理，并完成與主控制層的數(shù)據(jù)通信。設(shè)備配置同北1號、北2號閘公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU[4]。

3.4 激光式水位計

本次4個閘站共設(shè)置12套激光式水位計，其中北1號閘、北2號閘、東1號閘、西河堤水閘上、下游側(cè)各設(shè)置1套激光式水位計，共8套；北2號閘和東1號閘通航孔閘門上、下游側(cè)各設(shè)置1套激光式水位計，共4套。

4 上位機集控系統(tǒng)

本次上位機集控系統(tǒng)采用了分布式實時客戶機/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)，I/O服務(wù)器負責(zé)直接采集、處理和分發(fā)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的實時數(shù)據(jù)，操作員工作站（客戶機）無須創(chuàng)建任何數(shù)據(jù)點便可直接進行遠程訪問、讀寫和組態(tài)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器和客戶機的數(shù)量不受限制。

組態(tài)軟件采用面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）的軟件平臺工具。各閘站操作員工作站、調(diào)度管理中心操作員工作站、工程師/培訓(xùn)工作站、排澇調(diào)度仿真工作站選用國際流行的工控軟件INTOUCH進行二次開發(fā)。

實時的歷史數(shù)據(jù)庫使用國際流行的實時工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫軟件（OSI SOFTWARE公司的PI數(shù)據(jù)庫）進行二次開發(fā)。

上位機集控應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計方法，功能軟件模塊或任務(wù)模塊具有一定的完整性和獨立性。

上位機集控系統(tǒng)的核心功能包括：

（1）排澇調(diào)度模型

根據(jù)汛期的氣象預(yù)報以及不同時段的歷史水文系列資料，預(yù)測水位的變化過程。建立了最優(yōu)排澇策略的數(shù)學(xué)模型，通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各閘站閘門的啟閉，加上優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)了閘站的最優(yōu)運行[5]。

（2）排澇調(diào)度預(yù)案

系統(tǒng)軟件增設(shè)專門的調(diào)度界面，在該界面中可以完成所有的調(diào)度操作，應(yīng)包括：閘門的控制和設(shè)定等工作，并且該界面具有完善的提示和邏輯分析能力。根據(jù)用戶的需要，用戶可以將每一次排澇方案存儲、命名并可以詳細描述，為自動排澇提供基礎(chǔ)。

（3）虛擬仿真預(yù)演及培訓(xùn)

為保證圍墾工程安全可靠運行，對運行人員進行接近實際操作情況的培訓(xùn)，以減少各種人為操作事故的發(fā)生，基于實時仿真技術(shù)的數(shù)字物理混合仿真，建立虛擬仿真培訓(xùn)和預(yù)演系統(tǒng)。系統(tǒng)逼真地模擬人與設(shè)備實時交互功能，可視化展示各種運行工況的信息反饋。虛擬仿真培訓(xùn)、預(yù)演系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括開機操作流程仿真預(yù)演、關(guān)機操作流程仿真預(yù)演、應(yīng)急處理仿真、誤操作工況下的模擬預(yù)演等。

（4）智能運維

掌握設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備生命周期管理，結(jié)合移動應(yīng)用的便捷性，構(gòu)建一站式服務(wù)的智能運維系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括自動化控制系統(tǒng)實時智能運營、關(guān)鍵績效KPI指標(biāo)、告警推送、視頻預(yù)覽、聯(lián)動控制、電氣設(shè)備巡查、歷史故障庫、專家知識庫、兩票三制等功能。通過移動終端與后臺的實時交互，實現(xiàn)一站式運維服務(wù)[6]。

（5）多業(yè)務(wù)子系統(tǒng)聯(lián)動

基于綜合自動化控制系統(tǒng)與智慧管控平臺的高度集成，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到高度共享，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)間的協(xié)同與聯(lián)動功能。通過各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的協(xié)同與聯(lián)動，應(yīng)能實現(xiàn)各類信息智能分析，將各種關(guān)聯(lián)結(jié)果進行可視化展示。

多業(yè)務(wù)子系統(tǒng)聯(lián)動主要功能應(yīng)包括計算機監(jiān)控子系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、安全監(jiān)測子系統(tǒng)等系統(tǒng)之間的聯(lián)動控制。

（6）智慧管控平臺WEBGIS功能的集成

以GIS地理信息平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合各類水利要素的空間屬性，與遙測站點的水雨情數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控圖像等構(gòu)建統(tǒng)一的實時顯示平臺。

實現(xiàn)基于GIS 平臺的工情分布情況、工情信息查詢、工情數(shù)據(jù)報表查詢等服務(wù)；并且可按行政區(qū)劃進行工情信息查詢，系統(tǒng)顯示限定轄區(qū)內(nèi)容的工情站點及信息。在水利數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進一步完善圍墾工程工情信息。

（7）數(shù)字孿生三維展示

結(jié)合三維虛擬與現(xiàn)實的特點，對圍墾工程各類對象建立統(tǒng)一的工程編碼體系，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建工程對象樹，并在此基礎(chǔ)上建立三維模型與工程數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)字孿生三維模型實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和同步。

三維展示應(yīng)主要包括各閘站三維漫游預(yù)覽、三維實時數(shù)據(jù)顯示、自動化設(shè)備三維動畫顯示及控制操作等功能。

5 結(jié)束語

溫州市甌飛圍墾工程（北片）閘門群計算機集控系統(tǒng)是行業(yè)內(nèi)多個閘站集中控制的一種研究探索性嘗試，雖然在運行過程中還有很多不如意的地方，但是系統(tǒng)運行總體穩(wěn)定，性能基本可靠，基本滿足了集中控制的要求。接下來需要進一步深化排澇調(diào)度模型研究、調(diào)度預(yù)案細化編制、三維數(shù)字孿生建設(shè)以及智能運維等模塊。