泗陽節制閘綜合自動化管理系統設計

劉厚愛， 劉須朋， 李偉鵬， 范明業

（江蘇省南水北調泗洪站樞紐管理所，江蘇宿遷 223900）

0 引言

泗陽節制閘為新建大型水閘。位于泗陽縣眾興鎮東約2.5 km處的京杭運河上，是南水北調中運河段梯級控制之一，也是泗陽水利樞紐工程重要組成之一，該閘具有防洪、灌溉、發電等綜合功能。汛期主要承泄上游沂沭泗流域下泄洪水，非汛期攔蓄劉老澗來水便于上游的灌溉、航運及工業、生活用水。泗陽節制閘設計流量1000 m3/s，為7孔節制孔；閘門采用弧形鋼閘門，配QH-2×225KN-10 m卷揚式啟閉機；安裝2臺套葉輪直徑為1.0 m的立式軸流水輪機，單機配套電機功率160 kW。為提高泗陽閘進行現代化管理水平，特別是在國家南水北調東線工程中，建設以泗陽閘綜合自動化監控信息系統更具有現實性和重要性。

1 泗陽節制閘綜合自動化管理系統設計原則

1）實用性。滿足日常生產、管理的需要,使用方便、界面友好。

2）先進性。應采用先進和成熟的硬件、軟件、協議和平臺。

3）可靠性和安全性。應從各方面考慮系統的可靠性,且必須具有足夠的安全性能。

4）開放性和標準化。應能實現網絡互連、應用互操作,達到資源共享。

5）可管理性。系統應具有良好的可管理性,應在不影響正常運行的情況下,具備有動態的重組和擴展性。

6）可擴充性。要求系統的可擴充性及前后兼容一致性應較好,在現基礎上靈活方便地構建和擴充新系統。

7）經濟性。在系統配置方案中應充分考慮性能價格比的因素。

2 泗陽節制閘綜合自動化管理系統設計內容

主要包括：基本信息管理系統、工程適時運行信息管理系統、計算機遠程監控系統、遠程視頻監視系統、綜合辦公管理系統、電話語音系統。通過網絡對工程進行監控并將運行數據、狀態實時真實地傳輸至各級管理人員面前。系統集測量、控制、保護、信號、管理等功能于一體。結合視頻系統，實現工程運行在線巡查，提高效率，保證工程安全。

3 泗陽節制閘綜合自動化管理系統設計要求

1）數據采集與處理：數字量（模擬量）和開關量的采集與處理；實現數據指令傳送和圖像瀏覽，以及水情數據的收集處理。實現數據通訊：與上級部門的通信，計算機與設備的數據通信。

2）運行監視和事故報警：運行實時監視、參數越限報警記錄、事故順序記錄、故障狀態顯示記錄、事故追憶及相關量記錄。

3）控制與調節：主要為7孔節制孔閘門及戶內變電所的電氣設備。小水電控制單元在小水電控制屏完成，并與監控主機相連接。根據上下游水位、流量關系曲線，自動控制閘門開高；根據上下游水位、自動限流、限水位控制；實現節制閘設備的自動控制，滿足“無人值班，少人值守”的要求。實現控制室內集中數據顯示、分析、處理；實現集中和分散控制。

a.統計與制表：對采集的數據與檢測事件進行在線計算，計算過閘流量和統計過水量。

b.人機接口：使值班人員對運行過程進行安全監視，根據工作人員職權不同，設置不同操作權限。

c.語音提示功能、系統自檢和自動重啟動。

圖1 泗陽節制閘監控系統結構圖

4 泗陽節制閘綜合自動化管理系統結構

如圖1所示，泗陽節制閘監控系統為自動化系統的核心，實時采集現場運行數據，實施設備的自動控制，上傳實時數據及時接收調度控制命令，完成遙信、遙測、遙控、遙調等功能，實現閘門的遠程集中控制。泗陽節制閘監控系統采用分層分布開放式結構，分為遠方、站控室、現地3級，控制權分遠方、控制室、現地3級。

1）遠控級設在泗陽閘站管理所（泗陽閘上級管理單位）內，通過光纖與節制閘控制系統連接，實現信息采集與調度指令的下發，必要時實現遠程控制，同時閘門、小水電等設備運行狀態、參數等上傳給遠控級。現地監控單元與監控工作站采用以太網方式與交換機連接。

2）站控級設于節制閘橋頭堡控制室內，通過網絡將節制閘實時運行信息與數據（如運行參數、閘門開度、水位曲線、流量等）上傳至遠方。通過監控網絡與現地控制級建立通信，通過工作站的監測監控界面，顯示現場設備的運行參數與狀態，同時下發控制命令，監督現地監控單元對監測監控命令的執行。

3）現地控制級是系統最后一級也是最優先的一級控制，它向下接收各類傳感器與執行機構的輸入輸出信息，采集設備運行參數和狀態信號；向上接收上級控制主機的監測監控命令，并上傳現場的實時信息，實施對現場執行機構的邏輯控制。

5 泗陽節制閘計算機監控系統功能

1）監控工作站。控制室監控主機是自動監控系統的上位機。其主要功能如下：聯網功能與調度管理系統中心（位于泗陽閘管理所）聯網，通過網絡接收帶密碼的調度、控制指令，并向上發送本站實時運行信息。

2）現地控制單元。現地控制單元LCU由PLC、電源系統、切換開關、控制按鈕、通訊模塊、觸摸屏等組成。現地控制單元是控制閘門運行的最高一級自動控制單元，即使在監控主機出現故障或脫離站監控工作站時，它也能保證閘門正常運行和程序控制的各種運行操作。現地控制單元采用以太網方式通過交換機與監控主機進行通訊，接受上級開、停命令，同時上傳各種設備的狀態和運行數據。

6 泗陽閘計算機監控系統硬件設計

1）監控主機兼操作員工作站計算機技術參數：Z620/E5-2609*2/4GB/500GB/NVS300/DVDRW/P221顯示器。

2）信息發布服務器：DL388G8/E5-2609*2/8GB/300GB*2/dvd/冗余電源等，隨機配Windows 2008 Server操作系統軟件。

3）數據庫服務器：Proliant DL388G8 E5-2609/4GB/500GB*8/DVDRW等，隨機配Windows 2008 Server操作系統軟件。

4）PLC控制單元。主配CPU、電源模塊、觸摸屏、DI、DO、AI、繼電器、避雷器、附件等，標準機柜尺寸為800mm×600 mm×2200 mm。

5）浪涌保護器。浪涌保護器在水利系統有廣泛運用，性能指標為TDX DG系列水平。包括一級浪涌保護、二級浪涌保護、三級浪涌保護、信號浪涌保護。

6）水位計及揚壓力傳感器：a.上游水位計采用WFX-40型數字式斜井水位計；b.下游水位計采用雷達式超聲波物位儀ABM200/033R5C4-PVPP3A-N-OOBG；c.投入式揚壓力傳感器GEMS-2600BGA1619M3GA4～20 mA（0～0.2 MPa）。

7）觸摸屏：現地控制單元設置10寸的觸摸屏，用于現地數據監視及操作的人機接口。

8）環網交換機：16個100Mbps電口，2個1000Mbps光口。

9）工作電源：現地控制單元工作電源選用交直流雙供電裝置。電源裝置應具有過電壓、短路、沖擊電流等基本保護。UPS不間斷電源：C3KS/3kVA/2h。

7 泗陽閘自動化計算機監控系統軟件設計

計算機監控軟件系統包括系統軟件和應用軟件。

1）系統軟件。系統軟件包括操作系統、數據庫管理平臺及防病毒軟件。

a.操作系統：各類服務器應采用Windows 2008 Server的服務器版，調度計算機及操作員站采用Win7專業版。

b.數據庫管理平臺軟件采用客戶機/服務器體系結構，支持快速存取和實時處理，為監控系統記錄及管理實時及歷史數據提供基礎平臺。數據庫平臺軟件選用Wonderware Historian歷史數據庫。為高性能實時和歷史數據庫，能提高數據管理和存儲性能，易于報表生成的開發且靈活的SQL訪問。

2）應用軟件。應用軟件包括數據接口與管理程序、信息發布與查詢程序、數據上傳接口程序。

監控系統應用軟件包含上位機監控軟件及現地控制單元應用軟件。上位機監控軟件包括監控平臺軟件監控平臺軟件選用Wonderware inTouch for Sysplatform系統平臺及系列。及基于平臺軟件二次開發的應用程序軟件；現地控制單元應用軟件包括PLC編程軟件PLC編程軟件選用GE編程軟件運行于Wonderware平臺使用IEC語言編程。PLC應用程序軟件及觸摸屏應用程序軟件。

系統運行環境軟件：泗陽節制閘和管理所調度計算機及操作員站配置運行軟件（InTouch for SysPlatform 2012R2 w/HistClient,Chinese），可視化操作員界面，可以連接多種PLC、DCS和智能儀表，將整個系統的數據和報警信息與控制系統進行交換數據，可以將實時數據庫的歷史數據和實時數據進行提取訪問和數據分析輸出、打印。

8 泗陽節制閘計算機監控系統操作流程

操作流程分現地控制操作流程和遠方控制操作流程。遠方控制操作流程（提升閘門）為：確認現地控制柜上的控制方式選擇開關在"遠方"位置，按照規定的順序逐級合上電源開關，將PLC控制程序下載至PLC，并啟動PLC運行，檢查各狀態指示燈是否正常指示，起動監控主機監控程序，其控制流程為如圖2所示。

9 泗陽節制閘視頻監視系統

1）視頻系統結構分布，如圖3所示。

通過設置視頻監視設施，使工作人員能夠對現場關鍵設備的運行狀態進行直接的觀察了解，作為對自動監控系統的補充，幫助運行人員進行綜合判斷。同時該系統能夠與自動監控系統相連，實現信號傳輸。

在工程范圍內配置活動攝像機和固定攝像機，對各點及周圍的現場情況進行全方位的監視和管理，使運行情況能夠得到有效控制。

2）視頻系統構成。視頻監視系統按照4部分設計，即前端設備、傳輸設備、控制設備、顯示設備4部分。在控制室監控中心利用視頻控制主機對視頻圖像進行切換和管理；在監視器上顯示畫面分割圖像；通過網卡與局域網連接，使值班人員能夠在監控中心通過監視器實時直觀地看到來自前端監控點的任意圖像。系統的傳輸分布于各攝像點、報警點和監控中心之間，主要完成視頻信號、控制信號的傳送。系統傳輸采用結構化的標準布線方式，開放式的體系，靈活的模塊化結構。

圖2 控制流程

10 泗陽節制閘、泗陽閘站管理所調度及信息管理系統

泗陽節制閘上級主管單位是泗陽閘站管理所，主管部門為江蘇省省駱運水利工程管理處。

10.1 泗陽節制閘、泗陽閘站管理所信息管理系統結構

如圖4所示，信息管理系統選用星形拓撲結構組網，將泗陽閘管理所控制樓節點作為信息管理中心節點，集中實現數據應用、存儲、應用管理及對外接口等功能，其它節點應僅作為信息管理的終端，選用信息管理網交換機，信息管理中心配備1臺數據庫服務器、1臺信息發布服務器以及各站點的辦公終端組成辦公網絡，調度管理系統為環形光纖快速以太網拓撲結構，采用環網交換機，分別由泗陽一站、泗陽二站、泗陽閘、泗陽閘站管理所組成。環網交換機網絡協議保證環內站點發生故障時在100 ms內收斂，實現各節點的數據傳輸并高度實時。調度管理系統中心交換機通過硬件防火墻與信息管理系統相連，并通過與信息管理系統相連，向上接入江蘇省駱運管理處水利系統調度網，進行傳輸數據、話音交換、圖文傳真、監控圖像等內容。各站點之間全部采用光纖通信。

圖3 泗陽節制閘視頻系統結構圖

圖4 泗陽節制閘及泗陽閘站管理所信息網絡結構圖

10.2 信息管理系統功能

信息管理系統的建設應能實現運行管理單位的辦公自動化、管理智能化、調度遠程化、決策科學化。調度管理系統接收各工程站點的運行狀態（包括機組開、停機狀態；節制閘閘門升降停狀態等）、數據傳輸（包括上下游水位、閘門開度等參數）信息，實現對各站點的遠程調度管理，系統具有權限設定功能。實現各工程站點數據共享。由信息管理系統取用調度管理系統存儲的數據、信息，實現發布、查詢及上傳功能。

11結 語

泗陽節制閘綜合自動化信息管理系統的設計，是根據泗陽節制閘的現代化管理要求，全面考慮了節制閘工程運行的各種因素，改變了過去靠人工手動操作設備和巡視工程運行的管理模式，實現了工程管理的計算機自動化監控，達到過程運行在線式巡查。結合視頻系統和信息管理系統，使工程管理達到"少人值班，無人值守"的運行模式，提高了效率，提高了泗陽節制閘工程安全運行的可靠性。設計理念較為先進，其設計方案可供同類水閘設計和技術改造時參考。

［1］ 劉中偉，王泗宏，書震.遠程監控系統的設計與實現［J］.飛行器測控學報，2002（1）：44-49.

［2］ 楊天怡.圖像通信與監控系統［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［3］ 盧選民，張原，史浩山.分布式智能監控系統視頻多畫面顯示的設計與實現［J］.計算機應用研究，2000（3）：73-75.

［4］ 楊磊，李峰，付龍.電視監控實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2003.