周忠育

（瑞安市水利綜合管理中心，浙江 溫州 325200）

1 引言

瑞安市環(huán)城河分屬錦湖、玉海、安陽等三個(gè)街道,屬于老城區(qū)，全長(zhǎng)37.1 km，由西門河、沙河、西橫河、西直河、高崗橫河、牛伏嶺河、周岙河、后垟河、龍池河、北濠河、東濠河、兩面河、松涌河、豐湖河、山前河商城段、山前河十八家段等16條河流組成，還連接了進(jìn)星河和小橫山河，寬度一般在8～30 m之間，河網(wǎng)正常蓄水位85高程2.68 m，河道容積約37萬m3。山區(qū)型溪流有愚溪、朱坑腳溪、西岙溪、西岙街頭溪等4條。環(huán)城河的功能主要是城市防洪、排澇、景觀和生態(tài)。汛期或臺(tái)風(fēng)季，環(huán)城河主要承受來自上游愚溪、橫山和牛伏嶺等山區(qū)來水，經(jīng)環(huán)城河調(diào)蓄后，在西側(cè)由紅旗水閘（孔徑4.0 m）排入飛云江，在南側(cè)由商城排水閘（單孔0.8 m）排入飛云江，在東側(cè)由益民水閘（2孔3.9 m）、十八家控制閘（單孔3.6 m）排入溫瑞塘河。

環(huán)城河引水工程沿途，除河道外，有以下水閘及泵站。水閘均配備了螺桿式啟閉機(jī)，設(shè)備設(shè)施現(xiàn)狀如表1所示。

表1 水工建筑物原狀表

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

針對(duì)江北水系管理單位的流域管理特性，結(jié)合實(shí)際調(diào)度需求，在設(shè)計(jì)上突出了空間全域性，形成了全域統(tǒng)一的管控框架。結(jié)合浙江省數(shù)字化改革的要求，考慮基層工作人員的技術(shù)水平，使系統(tǒng)具有“傻瓜型”的特點(diǎn)，既實(shí)用易學(xué)又易操作?？紤]各個(gè)閘門泵站星羅棋布分布特點(diǎn)，但同時(shí)又上下游關(guān)聯(lián)的調(diào)度特點(diǎn)，必須充分發(fā)揮調(diào)度中心集控聯(lián)調(diào)的功能，使系統(tǒng)既具有安全性和可靠性，又具有共享性和開放性，既要保障集控聯(lián)調(diào)的調(diào)水安全和工程安全，又要打破數(shù)據(jù)孤島，采用集中與分布式相結(jié)合的系統(tǒng)，建立管理單位統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一工作平臺(tái)，最大限度地避免信息孤島、應(yīng)用孤島，大幅提升水利信息資源、功能應(yīng)用共享水平[2]。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)環(huán)城河引水工程需求分析，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，環(huán)城河引水工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用“33212”體系，即“3大感知控制、3網(wǎng)融合、2項(xiàng)數(shù)據(jù)服務(wù)、1套應(yīng)用平臺(tái)、2類支撐”?？傮w框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)體系

系統(tǒng)采用專網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、局域網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，硬件系統(tǒng)低端的傳感器設(shè)備采用串口或網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，采用的協(xié)議包括模擬量轉(zhuǎn)換協(xié)議、Modbus TCP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、Modbus RTU協(xié)議等，應(yīng)對(duì)不同的場(chǎng)景采用不同數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議的設(shè)備[3]，提高了整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)率和適應(yīng)性，系統(tǒng)整體的通信架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 功能實(shí)現(xiàn)

閘泵的自動(dòng)控制主要分為現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制二種功能，現(xiàn)場(chǎng)控制是操作者在啟閉房對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，遠(yuǎn)程控制主要是操作員通過遠(yuǎn)程手段對(duì)閘門水泵啟閉設(shè)備進(jìn)行操作；現(xiàn)場(chǎng)控制優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制，并能現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)控切換。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。①模擬量的采集與處理。對(duì)閘泵站電量參數(shù)、水閘閘位、上下游水位等電量和非電量進(jìn)行周期采集并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，可以實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警。②開關(guān)量的采集與處理。對(duì)事故信號(hào)、各類故障信號(hào)、隔離開關(guān)位置信號(hào)、斷路器分合及重要繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)，采集存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，可以實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警。③開關(guān)量輸出。各類操作開關(guān)指令經(jīng)光電隔離輸出到執(zhí)行器，執(zhí)行動(dòng)作。④信號(hào)量值及狀態(tài)設(shè)定。閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)允許人工設(shè)定分析處理信號(hào)量。

（2）運(yùn)行監(jiān)視和事件報(bào)警。對(duì)閘泵站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。參數(shù)量值可預(yù)先設(shè)定，實(shí)現(xiàn)參數(shù)越限報(bào)警并記錄。定時(shí)掃查各故障狀態(tài)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)馬上顯示并記錄, 周期不超過2 s。

（3）控制與調(diào)節(jié)。包括水閘閘門的升、降；泵組的開、停；各輔助設(shè)備電機(jī)的啟動(dòng)、停止等。

（4）其他功能。如記錄功能、人機(jī)接口、畫面顯示、自診斷、第三方平臺(tái)數(shù)據(jù)接入與共享等。

反應(yīng)過程中苯酚的殘余濃度隨時(shí)間的變化情況如圖3(a)所示。由該圖可知，反應(yīng)液中苯酚的濃度在反應(yīng)開始后急劇下降，5 min后即可達(dá)到90%的去除率，30 min后反應(yīng)達(dá)到平衡，說明制備的Fe3O4-C空心微球具有較高的催化活性。以ln(Ct/C0)對(duì)t作圖，可得一條直線，見圖3(b)，說明苯酚的催化氧化降解反應(yīng)符合偽一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[8]。

4 實(shí)踐應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)實(shí)施

控制中心設(shè)在瑞安城區(qū)江北水系辦公樓，該系統(tǒng)包括2臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、1臺(tái)運(yùn)管平臺(tái)主機(jī)、1臺(tái)服務(wù)器、1套工業(yè)交換機(jī)、路由器、防火墻、1套視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括1臺(tái)視頻監(jiān)控主機(jī)，4臺(tái)56寸顯示屏等；12套PLC控制柜、44個(gè)攝像頭分布各閘泵現(xiàn)地，出江閘、內(nèi)河閘和泵站上下游配有超聲波水位計(jì)18只；控制方式分就地手動(dòng)控制和微機(jī)自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)方控制2種。主要部分功能如下：

（1）閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)。對(duì)原有環(huán)城河水系11座閘站、1座泵站設(shè)備升級(jí)改造及自動(dòng)化升級(jí)2個(gè)部分。對(duì)原有的手動(dòng)離合啟閉機(jī)進(jìn)行改造，方便自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)。對(duì)所有啟閉機(jī)進(jìn)行改造，加裝荷重傳感器、開度編碼器、限位開關(guān)等，確保水閘運(yùn)行安全。每個(gè)水閘增加LCU控制屏柜，使得水閘具備遠(yuǎn)程控制的能力，將閘位、水位、荷重等信號(hào)接入LCU屏柜，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

（2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在水閘和泵站關(guān)鍵位置，建設(shè)高清球機(jī)和高清槍機(jī)，實(shí)現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程控制閘泵。視頻圖像通過VPN網(wǎng)絡(luò)接入調(diào)度中心進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間為30 d。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)水閘接入50 M VPN網(wǎng)絡(luò)，中心站接入200 M VPN，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通，并且留有后續(xù)其它設(shè)備增加的空間。

（4）控制臺(tái)。在控制中心部署4臺(tái)工作站，2臺(tái)作為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)互為冗余；1臺(tái)作為管理工作站，負(fù)責(zé)日常管理；1臺(tái)作為視頻工作站，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)管。配置1臺(tái)安全網(wǎng)閘，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)隔離。

（5）數(shù)據(jù)資源。建設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)收集與整理、數(shù)據(jù)匯聚，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)服務(wù)，將工程的基本數(shù)據(jù)如視頻、水位、閘位等納入云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（6）“一張圖”調(diào)度決策平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)水雨情、工情、安全信息等水利工程可視化信息通過以地圖、工程布置圖等形式直觀展現(xiàn)。

4.2 實(shí)踐效果

瑞安環(huán)城河流域12閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自2019年建成投入運(yùn)行以來，實(shí)現(xiàn)了瑞安環(huán)城河水系12閘泵站運(yùn)行工況的遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)、監(jiān)視與控制，以及流域水情雨情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為瑞安環(huán)城河綜合整治工程的現(xiàn)代化管理、水環(huán)境自動(dòng)化調(diào)度和控制提供一個(gè)完善的信息系統(tǒng)平臺(tái)。極大地改善瑞安環(huán)城河水環(huán)境，保證瑞安環(huán)城河的水位和水環(huán)境，創(chuàng)造良好生活、人居環(huán)境，發(fā)揮顯著的社會(huì)效益。

經(jīng)過幾年來的運(yùn)行，性能穩(wěn)定，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)12座閘泵的監(jiān)控（視），能夠掌握瑞安環(huán)城河水系水情水質(zhì)的變化規(guī)律，為改善瑞安環(huán)城河流域水環(huán)境提供有效的決策依據(jù)及調(diào)控手段，同時(shí)提高城市防洪排澇調(diào)度和管理水平。

5 結(jié)論

通過瑞安市環(huán)城河引水工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）系統(tǒng)采用了分布式結(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)多區(qū)域異地聯(lián)閘聯(lián)控自動(dòng)化調(diào)度體系，將瑞安市區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的包括商城涵閘、益民水閘、白象泵站等共11座水閘和1座泵站等水利工程納入系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)了在控制中心對(duì)水閘、泵站的遠(yuǎn)程控制。

（2）系統(tǒng)建設(shè)了一個(gè)聯(lián)通各個(gè)閘站和管理中心的專線網(wǎng)絡(luò)，為控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全的通道，同時(shí)系統(tǒng)仍留有余量，為未來進(jìn)一步升級(jí)改造提供了空間。

（3）系統(tǒng)解決了原先技術(shù)員短缺、運(yùn)行調(diào)度難、自動(dòng)化水平低、現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)不及時(shí)等缺點(diǎn)，解決了在臺(tái)風(fēng)天氣、暴雨天氣人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)不便的問題，提升了瑞安市在臺(tái)汛期的防洪抗?jié)乘健?/p>

（4）系統(tǒng)通過多元異構(gòu)數(shù)據(jù)如水位、工情、荷重、視頻、地理等數(shù)據(jù)采集、結(jié)合雙中臺(tái)云端技術(shù)、GIS地理信息一張圖技術(shù)、PLC自動(dòng)化智能化技術(shù)、APP技術(shù)、信息平臺(tái)技術(shù)、可視化技術(shù)等技術(shù)，再結(jié)合環(huán)城河標(biāo)準(zhǔn)化管理體系與工程運(yùn)行三化管理模式，實(shí)現(xiàn)環(huán)河調(diào)度智慧化、遠(yuǎn)程控制智能化、異地運(yùn)行可視化、多區(qū)運(yùn)維現(xiàn)代化、全域管理閉環(huán)化的五化體系。

系統(tǒng)的建設(shè)是瑞安市環(huán)城河引水工程數(shù)字化改革的關(guān)鍵一步，從原來的“人工+手寫”向 “計(jì)算機(jī)+無紙化”模式轉(zhuǎn)變，使得工程的管理有更多方法、系統(tǒng)的調(diào)度效率更加高效。系統(tǒng)的建設(shè)為下一步瑞安市陶山平原以及其他河道工程的數(shù)字化改革奠定了基礎(chǔ)。