淺析城市防洪自動化監控系統

俸建萍

（桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002）

淺析城市防洪自動化監控系統

俸建萍

（桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002）

本文主要詳細介紹了城市防洪自動化監控系統的總體設計方案，并以PLC系統為核心，采用人機界面開發工具、工業以太網技術和數據庫技術設計的城市防洪自動化監控系統的結構和功能。以華南計算機技術研究所近年來所承建的城市防洪自動化監控系統為案例，主要介紹了城市防洪自動化監控系統的設計。

城市防洪；監控系統；結構功能

城市防洪工程的功能由單一型（傳統水利水電）向綜合型轉變，綜合型功能主要是指在水利水電的基礎上，通過自動化監控系統平臺，將遙感、地理信息系統、GIS技術等現代化科學技術的防洪決策支持、防汛會商、水資源管理等信息系統充分運用起來。所謂的城市防洪自動化監控系統就是對城市防洪系統中的泵站、水閘、水文檢測站的運行進行監測和控制，并向城市防洪信息系統提供其現階段的運行工況，以及水情、雨情、水位、流量、排泄量等數據信息，為相關職能部門在防洪決策方面提供有力的科學依據，在城市防洪系統中具有關鍵性的作用。

1 系統構成及功能

城市防洪自動化監控系統主要分為三層：

第一層為現場測量、控制層，它是城市防洪自動化監控系統的核心，主要是由泵站、水閘、水文檢測站的現場PLC控制站構成，用于防洪設備，實現對系統中所有設備狀態的實時采集和遠程控制，能夠根據其測量的結果和設備運行工況開實現自動控制設備的運行。

第二層為監視、操作層，它是城市防洪自動化監控系統中人—機信息的交換平臺，由現場操作站、控制中心操作站、控制中心數據服務器、Internet網上發布服務器、文件服務器等構成。該層主要對各現場PLC控制站采集的數據進行實時監測，可實時顯示各工藝的參數、動力及變/配電設備的工作狀態，并紀錄、存儲、事故報警等，可提供直觀的畫面，方便操作人員進行人機交換接口和遠程控制現場設備。

第三層為瀏覽、管理層，它是一個大型局域網，將所有和城市防洪相關的職能部門結合起來。通過IE瀏覽器瀏覽人—機界面，掌握所有設備的運行狀態和實時工藝參數，使相關職能部門能及時掌握水情、雨情、水位變化等防洪信息，做好防洪準備工作，為防洪決策提供有力的科學依據。

以下詳細介紹系統各部分組成、功能、及如何實現：

1.1 現場PLC控制站

現場PLC控制站的主要組成部分是：現場PLC系統和I/O鏈路、在線檢測儀表、電控設備、高/低壓配電設備、現場總線等。

在線檢測儀表通常將檢測的水位、流量、溫度等一些工藝參數以4～20mADC或1～5VDC標準信號形式送到PLC系統進行處理、分析和信息傳遞；PLC系統可以通過電氣控制回路上的無源觸點獲取開關量的輸入信號，以此來掌握電控設備目前的運行狀態，比如潛水泵的運行、故障、水閘的開到位、關到位、過力矩等信號；與此同時，PLC系統還可以將開關量的輸出信號發送到電氣控制回路，最終實現遠程控制相關的設備；除此之外，PLC系統通過現場總線，從高壓綜合計保（如Sepam1000+）和低壓電力檢測儀（如PM500）中采集高/低壓電力參數，并對高/低壓配電柜提供保護和控制。

PLC控制程序，符合工藝流程的設計要求，其主要功能有：①保護、測量和控制高/低壓柜；②保護和測量主變單元和直流屏單元；③采集儀表數據和電控設備狀態，控制現場設備；④通過現場總線，采集高低壓進線和機組運行的電力參數，并送人—機界面顯示和后臺數據庫存儲；⑤通過工業以太網和其它站點進行數據交換，以及向人—機界面傳送數據；⑥按照工藝流程的相關要求，對所有設備實現自動控制，包括現場泵站和水閘的無人值守；⑦通過人機界面接口接受操作人員的相關命令，遠程控制設備啟/停。

1.2 監視、操作層

監視、操作層主要包括現場操作站和控制中心計算機系統這兩個部分。對于要有人值班的泵站和水閘，要求配置一定的現場操作站，現場操作站上的人—機界面程序的功能有：①整個系統的概況主要用工藝流程圖的形式展現出來，包括生產過程、實時數據和設備狀態的顯示；②根據權限實現對系統相關設備的遠程操作；③對實時和歷史報警進行查詢；④查詢相關的工藝參數變化趨勢圖；⑤生產運行報表。

控制中心計算機系統主要包括控制中心操作站和各種服務器。控制中心操作站將所有現場操作站的圖形和數據信息進行匯總，具備現場操作站的所有功能，在遠程控制相關設備時，需要交換控制權。隨著現場信號的調整、現場運行的需要以及對泵站水閘長期運行效果的分析，可對相應的工藝參數進行在線修改（如：測點名稱、越限限值等）。

系統的相關設計要按照IEC61131-3標準來進行，要求PLC系統中的I/O點至少有20%的預留；PLC容量和機架可實現擴展；確保結構化和程序化的程序設計，可讀性強，以便于后期對系統的擴展。

1.3 瀏覽、管理層

在網上發布服務器并開發門戶網站，主要采用可視化方式通過IE瀏覽器來查看防洪泵站、水閘、水文監測站的實時數據和歷史數據，將人—機界面的動態圖形畫面和報表全部展示出來，以便于有關部門能深入了解相關的防洪信息和防洪設備在當前的運行狀態。

2 系統網絡

系統網絡為快捷、穩定、可靠的工業以太網，所有PLC控制站、現場操作站、控制中心計算機系統和各職能部門用于瀏覽自動化監控系統的PC機通過光纖連接在以太網上。對于有些站點，光纖是不能連接到位的，主要通過點對點的無線IP技術實現鏈路上的連接。

控制中心計算機和各職能部門PC機組成局域網，施行內/外網雙網隔離。需要上外網（如部門內局域網，或Internet網等）的計算機都配置雙硬盤和雙系統，防止一些不確定的因素（如病毒）沖擊工業以太網，以此來實現自動化監控系統安全性和可靠性的提高，確?？刂浦噶畹目焖賵绦泻头答?。

PLC控制站中還存在現場總線網，高壓綜合計保、低壓電力檢測儀和大量智能儀表都配有RS485物理接口，支持各種現場總線協議（如Modbus等）。方便PLC系統對其進行大量參數采集，減少了大量I/O鏈路連接，相對于傳統的標準模擬量信號傳輸，提高了系統的采集精度。

3 系統防雷

系統中有獨立的接地裝置，接地電阻值小于1Ω。PLC系統模塊都有“三類”防雷要求，模塊所有公共端均是單點隔離方式。為進一步提高系統的可靠性和穩定性，電源的進線處加裝過壓保護裝置，PLC系統模塊配電加裝浪涌抑制器，網絡鏈路上加裝防雷裝置。對所有的DI/DO模塊，采用中間繼電器進行電氣隔離。對采集二線制儀表數據的AI模塊，采用信號隔離裝置以提高模擬量信號的抗干擾能力。

4 系統主要控制

系統中所有設備的控制模式都為三級控制：

（1）現場手動：通過現場按鈕控制設備（優先級最高）；

（2）遠程點動：通過人—機界面接口遠程控制設備（包括現場操作站點動和控制中心操作站點動）；

（3）遠程自動：通過控制工藝自動控制設備的啟/停。4.1水泵控制

水泵控制模塊如圖1。

圖1 水泵控制模塊圖

手動/自動是人—機界面上的切換按鈕；手動命令是操作員在人—機界面上發出的對水泵的控制指令；自動命令是PLC程序根據水泵的控制要求自動產生的控制指令（如：水泵根據水位高低的自動啟/停，根據運行狀況和輪循時間的自動啟/停）；遠程/就地是水泵電氣控制回路上的電氣控制和計算機控制的切換開關；安全連鎖是水泵的低水位保護位；水泵硬件故障包括電機過載、缺相、水泵泄漏、超溫、浸水等；水泵故障還包括PLC程序邏輯所檢測的水泵運行時沒有運行反饋和停止時沒有停止反饋等軟故障。

4.2 水閘控制

水閘控制包括開閘和關閘兩個控制模塊。水閘和水泵控制模式的相同部分不再重復。不同的是：自動命令是PLC程序根據水閘的控制要求自動產生的控制指令（如：水閘根據水位高低的自動開/關/停閘，根據設定的開度或排泄量自動開/關/停閘）；水閘硬件故障包括電機過載、水閘過力矩、張力失衡等；水閘軟故障指水閘開/關時，在預置時間內沒有開到位/關到位信號。

4.3 水利參數計算

在城市防洪自動化監控系統中，要根據采集儀表的相關讀數，來對水利數據進行計算（如：水庫庫容、泵站排水量、水庫排泄量等），并將其提交給城市防洪信息系統，作為防洪決策的主要依據。根據水庫水位和庫容特征曲線計算出水庫的庫容；根據水泵的排水量和揚程曲線、效能曲線可計算出泵站的排水量；根據水庫水位、水閘開度、水庫實際水深計算水庫排泄量；根據雨量流量計計算雨情。

5 結語

由于各個城市具有不同的基礎設施、地形地貌、自然資源及防洪的重點，在設計城市防洪自動化監控系統時，要綜合考慮選用不同的PLC系統、網絡結構和網絡協議、人—機界面開發軟件、數據庫和報表開發軟件及網上發布的開發模式，其首選目標主要是確保自動化監控系統具有一定的易擴展性、可靠性、操作和維護的方便性。

[1]馮磊，劉鋒.自動化控制系統在平湖市城市防洪工程中的應用[J].浙江水利科技，2015，43（1）：93～95.

[2]馬志宏.淺談自動化監控系統在泵站運行中的應用[J].科學時代，2013（24）.

[3]馬琳.淺談自動化監控系統的應用——以仙蠡橋水利樞紐工程為例[J].河南科技，2013（12）：121.

TP277

A

1004-7344（2016）13-0266-02

2016-4-25

俸建萍（1985-）女，助理工程師，本科，主要從事堤防、排澇溝的巡查，泵站等日常運行維護工作。