氣盾壩綜合自動化系統設計探討

□馬 勇（貴州省水利水電勘測設計研究院）

1 概述

南明河(紅巖橋～葉家莊河段)是漁安安井片區的主要城市河道，承擔著漁安安井片區城市景觀、泄洪排澇等多種功能。身為城市河流的南明河是漁安安井片區重要的景觀水道，西岸結合水東路實施人工駁岸，布置游樂城、商業街、餐飲街、文化娛樂等功能空間；東岸設置自然式或混合式駁岸，布置溫泉度假、濱河綠地、商務酒店等功能空間，形成“水-街交融，水-綠結合”的注滿活力與生機的濱水開放休閑綠帶。

為發揮依山面水的環境優勢，通過良好的功能組織和城市形態設計積聚人氣，同時，提升南明河(紅巖橋～葉家莊河段)管理手段，加強日常業務管理，對主要監控閘門進行實時在線監視和控制，建立南明河(紅巖橋～葉家莊河段)河流管理信息系統，實現南明河(紅巖橋～葉家莊河段)管理的信息化、科學化，為今后南明河(紅巖橋～葉家莊河段)遠期管理、漁安安井片區休閑旅游產業開發提供基礎數據和信息技術支撐。

2 設計思路

工程集控系統按“無人值班，少人值守”的運行方式設計，計算機監控系統采用符合國際標準的、開放的、分層分布式的系統結構。

工程新建四座氣動盾形閘門景觀壩，每一座景觀壩均分別設有現地控制單元。根據每座景觀壩的地理位置，考慮在2#景觀壩新建一座集中監控室，布置主控級單元中控層于該控制室，并通過光纖以太網實現對1#、3#、4#景觀壩現地控制單元的遠方監控。

3 計算機監控系統

3.1 閘站集控中心

3.1.1 系統結構

閘站集控中心監控設備主要包括1 臺100M 工業以太網交換機、兩臺操作員工作站、1 臺A4 打印機、UPS 電源、GPS 時鐘等設備。閘站集控中心將采集到的各閘站的數據信息加以處理、儲存、顯示，以此來了解各閘站的運行情況及水位等情況，并控制各閘站的運行。閘站群監控中心可對下屬各閘站下達控制命令和全局數據，在中控模式時能直接操作現場設備。

操作員站通過與工業以太網交換機相連，實現對各種設備的運行數據的信息采集和實時控制，包括安全監視、控制操作等；并對歷史數據進行處理，包括運行報表、設備檔案、運行參數等。同時預留與上級的網絡接口及軟件數據接口。在閘站集控中心設一套馬賽克模擬屏設備，模擬屏將在群閘的地圖上形象地顯示每個閘站重要數據。

3.1.2 系統功能

3.1.2.1 數據采集和處理

閘站集控中心可實時采集各閘站的電氣量和非電氣量，包括模擬量、開關量和脈沖量。其中開關量包括各種狀態量、故障量和事故量。閘站集控中心可采集各閘站的重要模擬量的歷史和實時信息量，進行變化趨勢分析并形成曲線表示。

3.1.2.2 運行監視

閘站集控中心計算機監控系統可以實現對所有閘站的機電設備（如閘門、其附屬設備等）的運行數據進行監視。運行監視分為狀態監視、趨勢和越限監視、過程監視、計算機監控系統內部運行及設備的故障監視。閘站集控中心的監視方式包括系統對各閘站運行的自動監視和由閘站群監控中心值班人員通過各種人機接口設備對運行的監視。

3.1.2.3 實時控制

閘站集控中心操作人員通過控制臺上的計算機鍵盤、鼠標向各閘站LCU 下達控制命令，實現對閘門和配電設備的控制。控制包括以下內容：①對閘門的正常開啟和關閉、事故緊急停機的控制。②閘站根據水位變化的要求進行自動控制，滿足排灌要求。

3.1.2.4 事故處理和控制

事故處理和控制是指在非正常緊急情況下（如事故停電）按預定程序進行事故處理的自動控制與調節。

3.1.2.5 人機聯系

通過顯示器、鍵盤、打印機、語音報警裝置、模擬屏等設備進行人機聯系，使值班工作人員對生產過程進行安全監控、管理，以及進行監控系統的內部測試，數值設定，程序開發、修改。

3.1.2.6 通信功能

監控中心計算機監控系統采用以太網通訊，提高通信網絡的安全性、可靠性和可用性。在閘站群監控中心通信網絡中，所有服務器和各工作站間通信都采用TCP/IP 協議通信，進行數據的100M 高速交換和存儲以及各種操作和控制。

閘站群監控中心監控系統通過通信網絡的光纜實現與閘（站）連接通信（物理上是星形連接）。實現閘站群監控中心對各閘（站）的信息采集、調度、控制、管理。

3.1.2.7 系統診斷功能

計算機監控系統能提供系統硬件設備故障診斷和軟件故障診斷。

3.2 閘站現地控制層(LCU)

3.2.1 系統結構

在四級景觀壩閘站均各配置一套現地控制單元，現地控制單元相互獨立，現地控制單元通過以太網口、光纖通信介質等完成與中控層計算機連網，實現數據交換，但其功能并不依賴于中控層控制。現地控制單元用于閘門的控制及其狀態顯示、采集。現地控制單元以PLC 為基礎，并具有過程輸入/輸出，數據處理和外部通信功能。PLC 在脫離中控層及網絡后，能對所控制的閘門進行正確、無誤的操作。PLC 具有自診斷功能，檢出的錯誤信息能在就地LCU 屏的LCD 上顯示出來。PLC 在完成所要求的功能外，預留有20%的硬件裕量，包括過程信號輸入/輸出容量、內存容量等。

3.2.2 控制方式

3.2.2.1 手動

當開關置于“手動”時，操作人員可在現地手動操作，即通過控制箱上的閘門啟、閉、停三個操作按鈕，控制閘門的開啟和關閉。此時通過觸摸屏或工作站不能控制閘門。

3.2.2.2 自動

當切換開關位于自動位置，操作人員可在現地觸摸屏或遠程通過工作站控制機組的啟停和閘門的開啟與關閉。

4 視頻監視系統

4.1 監視對象

視頻監控對象主要包括中控室、閘門、水位及周邊環境等。

4.2 系統結構

視頻圖像監視系統由高清網絡攝像機、硬盤錄像機、傳輸線路、顯示及控制等部分組成，用于監視每個閘站及周邊安防、閘門啟閉室內的設備、閥室、水位以及中控室和周邊共由18 臺攝像系統組成。

視頻監控系統高清網絡攝像機采集到的視頻圖像以數字信號、光纖以太網傳輸方式傳輸到中控室進行監控并存儲，在中控室設置視頻工作站進行控制和存儲，硬盤錄像機進行存儲。管理人員可實現權限范圍內的圖像查看調閱、攝像機控制等功能，以實現對水位、閘門及周邊安全環境等主要設備場所的實時監控。

5 大屏幕顯示系統

根據系統設計原則，以系統的合理性、先進性、可靠性、實用性和可擴展性為原則，在監控中心配置一套液晶拼接大屏幕顯示系統，將各系統得到的計算機圖像、文字和視頻信號等信息，通過大屏幕顯示系統進行集中顯示，在實時數據監測、引水調度、輔助決策等方面將起到重要的作用。

6 信息化管理系統

信息化管理系統是運用當代先進的計算機和應用軟件技術，以數據采集、數據傳輸為基礎，以業務流程為主線，以安全、科學的利用數據為目的，通過數學模型、自動監測、地理信息系統等技術手段，構建先進的水利信息化系統，為南明河(紅巖橋～葉家莊河段)信息管理及其業務應用提供技術支持，為主管部門決策拍板提供有力手段，為社會公眾參與南明河(紅巖橋～葉家莊河段)的保護、治理、改善和監管提供便捷窗口。

7 建設原則

7.1 先進性和實用性相結合

根據信息化的發展趨勢，立足于高起點，并充分考慮到將來可能的發展，要為今后系統的升級與擴展留有充分的余地，同時，還要保證系統實用性，要充分考慮所采用技術的成熟與穩定，結合IT 及信息化技術發展速度，適度超前即可。

7.2 開放性和標準化的原則

信息技術在飛速發展，同時業務需求也會不斷變化，因此，數據存儲與管理系統的建設是一個不斷完善、不斷進步的過程，從設計和技術上保證系統的開放性，使系統能夠很容易地適應信息技術的發展和新的應用系統的建設。標準化建設包括數據定義、數據描述和表示方式等內容的標準化，這也是保證系統開放性的關鍵。

7.3 以需求為導向，為業務應用服務

以南明河(紅巖橋～葉家莊河段)水利業務應用建設需求為導向，本著全方位滿足業務應用需求的原則開展工作，統籌考慮，協調發展。

8 結語

該工程涉及水文、工程地質、工程建筑物、機電及金屬結構、淹沒、征地移民、環境影響、水土保持、防汛抗旱等涵蓋建設期、運行期方方面面的管理及信息利用，采用現代信息技術能夠更加快捷和有效實施各環節的信息互通，提高工程建設與運行的管理水平，實現工程建設與運行信息化。

[1]李霞.黔中水利樞紐一期工程綜合自動化系統設計研討[J].機電信息，2010（12）.

[2]馮倩.黃家灣水利樞紐工程綜合自動化系統設計探討[S].河南水利與南水北調，2014（10）.