水利工程自動化現狀與適應技術分析研究

黃祚繼 黃忠赤 馬 浩

(水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000)

1 前言

水利自動化工程是指采用自動化控制技術和信息技術實現水利信息自動采集和水利設施自動控制的專項工程。計算機技術、電子技術和通訊技術的高速發展，給水利自動化的發展提供了良好的建設環境和技術支持，水利自動化系統已廣泛應用于水文測報、洪水調度、大壩監測、水質監測等水利建設的各個方面，大幅提升了水利現代化管理水平，為水利工程建設質量和投資效益提高發揮了巨大的作用。

由于水利自動化工程建設起步較晚，還處于探索階段，存在水利自動化工程投資嚴重不足、工程設計招標階段不夠完善、一些承包單位后期服務不到位、自動化工程質量控制難度大、基層缺乏專業維管人員等問題。為探索適合水利工程自動化系統的適用技術，須開展自動化適應技術研究，以便更好地發揮水利工程自動化系統的作用，為水利自動化系統項目建好、管好、用好提供理論支撐。

2 水利工程自動化系統現狀

2.1 系統建設情況

目前大部分大中型水閘、泵站和水庫樞紐工程均配置了自動化控制系統，主要包括防洪調度自動化系統、視頻監視系統、水工設備計算機監控系統、水情測報系統和安全監測自動化系統。各工程一般都具有視頻監視系統、水工設備計算機監控系統和安全監測自動化系統，基本采用分層、分布、開放式系統結構。水利工程自動化系統的技術構成模式如下:

2.1.1 系統的總體結構特性

目前水利工程自動化系統大都采用二層或三層分布式系統結構，第一層為現地測量控制層(現地單元層)，第二層為集中監控層(主控單元層)，第三層為生產調度管理層(管理單元層)。

系統各單元間的測控計算機均通過TCP/IP高速以太網連接，其主控級與現地單元級以及現地單元級間采用星形以太網或環網連接，網絡介質大都采用了網線和光纜相結合的模式。

控制權分生產調度管理層、集中監控層、現地測量控制層三級，控制權可以進行設置和切換，優先順序為“現地測量控制層—集中監控層—生產調度管理層”。

2.1.2 系統的主要硬件配置

現地測量控制層一般都是由現地傳感器或變送器、現地智能儀表、PLC控制系統等部分組成。現地傳感器或變送器主要包括開度傳感器、荷重傳感器、水位變送器、壓力變送器等;現地智能儀表主要包括開度測控儀、荷重測控儀、水位儀、電流表、電壓表等;PLC控制系統主要由PLC系統與其輸入輸出接口及其電源按鈕等部件組成。

集中監控層一般都是由主控計算機、數據服務器、打印機、UPS電源、網絡設備等部分組成。系統主控應用軟件安裝在主控計算機中，可通過主控計算機對整個系統進行操作控制。

生產調度管理層一般由調度管理計算機、數據庫服務器、打印機、UPS電源、網絡設備等部分組成，可以進行遠程調度管理和實現辦公自動化。

2.1.3 系統的應用軟件與數據庫的配置

水利工程自動化系統主控應用軟件大都采用了組態軟件技術，大部分為進口產品，部分為國產產品。具有無需編制復雜的指令代碼、開發周期短、界面友好、通用性強、可靠性高等優點。

數據庫采用SQLSERVER系統，數據庫的性能較高。

2.1.4 系統操作與應用特點

水利工程自動化系統是一種硬件和軟件相結合的系統，其硬件環節多而分散，影響因素多，且間歇性使用，必須定期對系統進行檢測和維護，以保證系統在需要使用時能正常可靠地工作，因此對操作維護人員的素質要求較高。

2.2 運行情況

水利工程自動化系統建成后，系統運行操作便捷、數據采集方便、設備監控全面。部分工程自動化系統應用較好，比如:安徽宣城南漪湖樞紐工程包括南漪湖閘和雙橋閘，兩閘相距25km，閘門開關較為頻繁，樞紐工程的運行實現了遠程控制，自動化系統發揮了很大的作用。在安徽宣城港口灣水庫，大壩變形觀測采用測量機器人自動觀測，大大降低了管理人員的勞動強度和人員成本，且測量數據準確可靠。在安徽蕪湖鳳凰頸排灌站和安徽蚌埠閘水電站、上橋抽水站，機組的運行、監測全部采用計算機操作，運行環境得到了很大的改善。在安徽六安白蓮崖水庫實現了對大壩的遠程監控。

2.3 管理情況

大中型水利工程自動化系統建成后，移交運行管理單位管理，有固定的運行管理機構和管理人員。在自動化系統管理方面，各單位均配備了專職或兼職的管理人員，對系統的管理和維護做到了常態化。但同時也存在缺少專業技術人員、缺乏專業技術支撐和管理的平臺、問題發現和處理不及時、維護資金落實難、設備更新不及時、備品備件缺少等方面的問題，致使自動化系統的作用不能充分發揮，影響自動化系統的發展。

3 存在的主要問題

閘門自動啟閉系統、水位監測系統基本正常，其中大部分是人工測量結果。

沒有數據發布與共享功能。由于軟件接口不統一，硬件接口不匹配，以至難以達到設計要求。有的工程點沒有此項設計內容。

視頻控制系統基本正常，失控點基本是由于硬件損壞、排線不合理所致。

開度、荷重儀表以及編碼器、傳感器等部件經常損壞，導致儀表顯示不準、數據不能遠控。

3.1 方案設計方面

水利工程自動化系統設計僅提供框架設計和功能要求，項目實施時由各承包單位進行詳細設計，導致了水利自動化系統千差萬別。

存在的突出問題:硬件選型不成熟、軟件接口不開放、相互之間難兼容，造成維修難、改造難;重復建設現象普遍，比如:水位和雨量觀測，一些工程水文測報系統均有設置，各大中型工程也設置了相應的系統，但缺少統一整合;設計方案不盡合理，比如:水位井大多離閘過近，致使水位測量不夠準確;部分系統操作存在流程繁雜、設備標識不清、圖紙資料不全的問題。

3.2 工程建設方面

當前建設主要模式是項目法人建設，移交運行管理單位管理，建管基本處于分離狀態，建管之間銜接不足，矛盾突出，管理單位對自動化系統在使用方面的訴求不能得到有效的解決。

方案審查流于形式是普遍現象。雖然項目法人召開設計聯絡會，對自動化系統的細部設計和實用功能進行審查，但參與審查會的自動化專業技術人員比重小，不能解決實際問題，方案審查流于形式。

建設過程中，缺少質量把關。參建單位缺少專業技術人員，在項目建設過程中，或是發現不了問題，或是出現問題時，沒有從根本上解決;在工程驗收時，缺少系統評估和評定標準，造成應有的功能不能完全實現或運行不穩定。

3.3 運行管理方面

普遍缺少專業技術管理人員、缺少專業技術管理平臺，無備品備件和易耗品的儲備，維護經費落實難。缺少水利自動化系統運行管理辦法技術標準和控制管理規定。

4 問題對策與適應性技術研究

4.1 提升行業監管的力度

行業監管主要是在自動化系統實施時對其進行建設監管，如:制訂市場準入制，培育出臺相應的制度;制訂統一的有關標準規程規范;出臺加強自動化系統建設工作的指導性意見;開展自動化系統施工或設備供應單位的信用備案、評價信用體系建設。

4.2 提高設計質量，嚴把方案審批關

細化設計方案及水利自動化項目建設審批程序，特別是設計單位在設計時要綜合考慮工程實際情況，注重自動化系統的方案，在方案審查時能夠有基層管理部門以及專業人員全程參與，盡量形成較為詳細的設計文件。

4.3 加強實施過程中質量控制，嚴把驗收關

由于自動化系統投資比重較小，在工程建設過程中往往得不到重視。自動化系統工程專業性比較強，過程控制單獨依賴監理單位是難以奏效的，應委托專業機構進行過程控制。

a.建設單位重視建設過程中的質量控制，聘請專業機構進行檢測把關。從設備采購、線纜敷設、安裝調試等環節逐項控制，并參與后期驗收。在施工過程當中要減少變更行為，如果存在設計不合理等問題，應進行論證及時更改。

b.加強出廠調試驗收。自動化系統建設過程中，有出廠驗收環節，但大部分缺少專家把關和專業檢測，應完善專家把關和專業檢測制度。

4.4 加強運行管理、設備保養

4.4.1 加強運行管理

運行管理部門定人定崗定期對設備進行維護，應根據維護對象在系統中的重要程度對其進行分級:監控主機、可編程控制器和網絡設備等為關鍵設備級;傳感器、數據采集裝置和動作設備等為重要設備;其他設備歸于一般級。在對設備進行分級的同時，根據維護對象、運用環境實際情況再對其進行分類:室內環境設備;室外環境設備。根據不同維護對象的級別和類型制定相應的維護周期，做到關鍵設備重點維護，非關鍵設備視具體情況進行維護。

4.4.2 設備保養手段

根據不同設備采用相應的保養方法。設備按系統劃分，微機監控系統的主要設備有上位機、可編程控制器、控制設備、測量儀表;視頻監視系統的主要設備有數字硬盤錄像機、視頻矩陣、監視器、前端攝像設備。灰塵和電源系統的供電質量是影響計算機設備正常可靠運行的兩個因素。監控計算機應根據情況不定期進行除塵;機箱內部的各種板卡、卡槽和風扇等設備處的積塵會引起板卡接觸不良或風扇散熱效率低等故障或異常，需要及時除塵清潔;電源系統的供電質量直接影響著監控計算機運行的穩定性，UPS設備應定期進行充放電操作;對可編程控制器的維護除了除塵外，還應包括對信號電纜連接部位進行檢查，CPU內置電池失效時應及時進行更換等;設備的運(轉)動部位應定期加注潤滑油脂，以保證其動作靈活可靠;測量儀表的維護除保持儀表表面清潔外，還應檢查信號線纜連接處是否有灰塵或者銹蝕氧化等現象，以保證測量值準確傳輸;視頻矩陣設備在除塵的同時也應對信號線纜連接處等部位進行檢查緊固。前端攝像設備的維護包括云臺和攝像機兩部分，云臺維護主要是去除表面雜物污漬，在轉動部位加注潤滑油脂;攝像機維護主要是鏡頭清潔和信號線纜接頭部位的檢查。

4.5 編制管理規定和出臺標準規范

為了讓自動化系統充分發揮作用，研究出臺了《水利工程自動化系統建設管理指導意見》、《水利工程自動化系統建設管理辦法》、《水利工程自動化系統運行管理辦法》、《水利工程自動化維修養護定額》，著手研究編寫了《水利工程自動化系統檢測規范》、《水利工程自動化系統驗收規范》等標準，對自動化項目審批、設計、建設、管理進行了約束，也為管理部門的人員、經費等落實提供了依據。制定有關技術標準，對傳感器信號、硬件接口、數據庫格式、軟件接口等進行規范統一，以保證技術通用性強，方便維護，也便于系統的整合和數據共享。

4.6 增強兼容性，上層軟件與硬件設備統一化

加強對系統硬件設備選型和軟件功能的前期認證，強調實用性、可靠性和通用性，對主要設備選型實行準入制。方案設計階段，有關部門制定硬件設備接口，上層軟件進行統一化要求，增強系統的兼容性。