惠安縣外走馬埭海堤工程閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

(惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 惠安 362100)

1 概 述

福建省泉州外走馬埭海堤工程地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)。外走馬埭海堤于2004年8月開工，2009年3月工程整體完工，原設(shè)計(jì)為3級(jí)防堤，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)10年一遇，保護(hù)對(duì)象為外走馬埭墾區(qū)。本工程海堤為土石混合堤，總長(zhǎng)14.011km，由3條堤段組成，沿線共設(shè)鯉魚島閘、大嶼閘、板嶼閘、塘頭閘四座水閘，主要用于防潮、納潮及排澇。

2012年下半年，福建省人民政府批準(zhǔn)成立泉惠石化工業(yè)區(qū)，外走馬埭海堤工程的防護(hù)對(duì)象重點(diǎn)變?yōu)榱艘試壹?jí)大型石化基地為主的工業(yè)園區(qū)，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)和《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51015—2014)的要求，經(jīng)泉州市政府研究，決定將外走馬埭海堤工程等級(jí)提高至1級(jí)，將防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高至200年一遇。

隨著外走馬埭海堤提級(jí)加固工程建設(shè)的進(jìn)行，為最大程度的提升工程效益的發(fā)揮，提高工程調(diào)度自動(dòng)化的程度，以適應(yīng)現(xiàn)代化水利發(fā)展的需要，建設(shè)一套符合工程管理的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，為管理人員的日常工作帶來便利。

2 外走馬埭海堤運(yùn)行現(xiàn)狀

外走馬埭海堤、水閘是泉惠石化工業(yè)園區(qū)抵御海潮、防洪排澇的第一道防線，也是唯一的防線,保護(hù)著沿海鎮(zhèn)村人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)及石化工業(yè)園區(qū)的防潮安全，海堤工程一旦失事，將帶來巨大的災(zāi)害損失，所以防洪排澇工作尤為重要。由于管理單位沒有參與原工程建設(shè)，從2009年3月海堤工程整體完工到2012年5月移交管理期間缺乏管理和養(yǎng)護(hù)。2014年11月對(duì)板嶼排澇閘進(jìn)行安全鑒定，結(jié)果為三類閘，運(yùn)行指標(biāo)已達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備損壞嚴(yán)重，現(xiàn)地控制單元的主控制器PLC程序相關(guān)數(shù)據(jù)丟失，無法正常運(yùn)行，只能手動(dòng)操作，采用常規(guī)繼電器直接控制油泵的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉，由于運(yùn)行人員的業(yè)務(wù)水平參差不齊，熟練程度不一，存在極大的不安全因素。

外走馬埭海堤工程排澇任務(wù)的執(zhí)行主要依靠沿線四座水閘的調(diào)度實(shí)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)的人工手段現(xiàn)地控制啟閉機(jī)的方式已無法滿足當(dāng)前工程調(diào)度運(yùn)行的需要，急需根據(jù)工程的實(shí)際，建設(shè)一套符合外走馬埭海堤水閘運(yùn)行管理的閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，原因如下：

?外走馬埭海堤工程合理調(diào)度的需要，通過閘門控制系統(tǒng)，可以快速采集堤防沿線水閘啟閉時(shí)所需的閘位、視頻、水位等數(shù)據(jù)，為工程的運(yùn)行決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

?有助于提升水閘調(diào)度工作效率，與傳統(tǒng)的手控閘門啟閉相比，閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可在較短的時(shí)間內(nèi)完成閘門啟閉作業(yè)，由于外走馬埭四座水閘空間分布較為分散、距離較遠(yuǎn)，管理人員較少，如何在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)水閘同步調(diào)度是工程管理人員需重點(diǎn)考慮的問題。

?基于保障工作人員人身安全的需求，外走馬埭海堤工程位于東南沿海，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和道路交通條件較差，汛期時(shí)容易遭受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的影響，由人工前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水閘調(diào)度，存在一定的安全隱患。

3 系統(tǒng)組成

外走馬埭海堤閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即信息層、控制層和設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)，信息層設(shè)置在管理處信息管理中心；控制層設(shè)置在鯉魚島閘、大嶼閘、板嶼閘和塘頭閘四座水閘各自的值班控制室，控制層系統(tǒng)采用具有客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部局域網(wǎng)；設(shè)備層布置在各閘站的啟閉機(jī)室。各閘分控中心與管理處信息中心之間采用光纜連接。

在海堤管理處信息管理中心設(shè)置2臺(tái)上位機(jī)操作站進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與傳輸，并負(fù)責(zé)閘門運(yùn)行監(jiān)控，上位機(jī)進(jìn)行雙機(jī)熱備；閘站分控中心分別設(shè)置在各閘值班室內(nèi)，各閘分控中心設(shè)置閘門控制工作站以及其他相關(guān)設(shè)備；現(xiàn)地控制單元設(shè)置在啟閉機(jī)室，現(xiàn)地控制單元與啟閉機(jī)按照1控1原則配置，鯉魚島閘設(shè)置7組現(xiàn)地控制單元，大嶼閘和塘頭閘分別設(shè)置3組現(xiàn)地控制單元，板嶼閘設(shè)置10組現(xiàn)地控制單元，現(xiàn)地控制單元與中心站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。

4 系統(tǒng)重點(diǎn)單元設(shè)計(jì)

4.1 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元是控制啟閉機(jī)運(yùn)行的最高一級(jí)自動(dòng)化控制單元，具有閘門的現(xiàn)地控制功能，操作員在現(xiàn)地控制單元上可控制本站所有閘門，可以顯示每個(gè)閘門的運(yùn)行狀態(tài)和閘門位置。操作人員可以在現(xiàn)地控制單元上進(jìn)行手動(dòng)控制/自動(dòng)控制的切換。

現(xiàn)地控制單元的主控制器為PLC，上位機(jī)與現(xiàn)地控制單元采用光纜通訊，現(xiàn)地控制單元通過以太網(wǎng)將閘門開度、閘門荷重、啟閉機(jī)故障信號(hào)、啟閉機(jī)及閘門運(yùn)行狀態(tài)等信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)發(fā)出的閘門操作指令也可通過以太網(wǎng)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)PLC單元，從而實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)控制功能。

4.2 分屏技術(shù)

在外走馬埭海堤水閘管理中，通過閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)掌握內(nèi)海與外海的水位差信息、控制水閘的泄洪流量和泄洪時(shí)間，使水閘的調(diào)度更為靈活并方便管理，系統(tǒng)采用屏幕分區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)閘控的多屏監(jiān)視，保障控制過程的可靠性和安全性。利用分屏技術(shù)，將屏幕設(shè)定為視頻區(qū)、啟閉狀態(tài)區(qū)、指令控制區(qū)等多種區(qū)域，根據(jù)使用的需求對(duì)顯示屏幕進(jìn)行任意不同形態(tài)及大小的切割，多樣化展示閘門遠(yuǎn)程控制信息。

通過視頻區(qū)同步顯示閘站周邊的圖像情況。實(shí)現(xiàn)視頻信息與遠(yuǎn)程控制界面的同時(shí)顯示，在閘門運(yùn)行的同時(shí)可以觀察到周邊的情況，避免因?qū)χ苓吳闆r不了解而發(fā)生意外事故；通過啟閉狀態(tài)區(qū)展示當(dāng)前閘門實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)運(yùn)行，可在閘門運(yùn)行過程中隨時(shí)觀察閘門運(yùn)行是否穩(wěn)定正常；通過指令控制區(qū)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，由系統(tǒng)控制閘門啟閉，保證閘門啟閉開度滿足外走馬埭海堤工程調(diào)度需求。

自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 控制系統(tǒng)安全策略

a.提高系統(tǒng)的安全性。?建立權(quán)限控制系統(tǒng)，為不同工作人員提供不同的控制權(quán)限，滿足外走馬埭海堤工程安全管理的需要。?通過建設(shè)獨(dú)立光纜的方式，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)與外網(wǎng)的物理隔離，保障控制安全。

b.提升操作的靈活性。對(duì)控制操作提供必要的校核檢查以及確認(rèn)操作，操作員可撤銷未進(jìn)行確認(rèn)操作的控制命令；當(dāng)控制操作進(jìn)行一段時(shí)間后，如果操作員未對(duì)控制命令進(jìn)行確認(rèn)或取消，則PLC程序可自動(dòng)撤消其控制操作。

c.考慮系統(tǒng)的容錯(cuò)性。當(dāng)操作站或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，閘站現(xiàn)地設(shè)備仍可獨(dú)立運(yùn)行；在出現(xiàn)各種異常的工況或操作時(shí)，能夠保證系統(tǒng)功能的容錯(cuò)性、安全性；當(dāng)控制柜中單個(gè)元器件損壞、故障或系統(tǒng)斷電再來電后，都不會(huì)造成控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。

d.采用設(shè)備的冗余技術(shù)。對(duì)控制電源、操作工作站、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等直接影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行冗余配置，重要回路冗余設(shè)計(jì)，保證動(dòng)作的可靠。

e.保證設(shè)備的安全性。設(shè)置電源及信號(hào)等保護(hù)器，并在各站點(diǎn)建設(shè)符合規(guī)范要求的綜合接地網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制及電氣設(shè)備的防雷接入保護(hù)。

5 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，建設(shè)服務(wù)于水閘自動(dòng)化控制、分級(jí)運(yùn)行管理的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，可以進(jìn)一步促進(jìn)水利工程現(xiàn)代化運(yùn)行管理模式的實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)外走馬埭海堤提級(jí)加固工程的情況，結(jié)合工程的特殊性，探索閘控系統(tǒng)在實(shí)際管理中的應(yīng)用，建設(shè)符合外走馬埭海堤工程特性的閘門監(jiān)控系統(tǒng)，快速獲取現(xiàn)場(chǎng)周邊信息、啟閉機(jī)、閘門運(yùn)行情況和水情參數(shù)，由原來的手動(dòng)操作變成自動(dòng)操作，極大減輕運(yùn)行調(diào)度人員的工作量和工作強(qiáng)度，提高工程調(diào)度的及時(shí)性及準(zhǔn)確性，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等惡劣的天氣情況下，極大地保障了工作人員的人身安全，對(duì)水閘的安全運(yùn)行、優(yōu)化防洪調(diào)度，提高工程的社會(huì)效益具有重大意義，工程的安全性和管理現(xiàn)代化水平得到了進(jìn)一步的提升。

系統(tǒng)的建設(shè)管理仍存在以下問題有待進(jìn)一步的完善：

?設(shè)計(jì)時(shí)只提框架和功能要求，最終由中標(biāo)單位實(shí)施，造成設(shè)備的選型不符合工程實(shí)際需求，相互兼容性差，造成維護(hù)困難。

?建設(shè)過程中質(zhì)量控制缺少把關(guān)，建管分離，管理單位對(duì)自動(dòng)化的需求得不到滿足。系統(tǒng)建設(shè)完成后缺少評(píng)估，造成系統(tǒng)功能使用不盡人意。

?運(yùn)行管理過程中，管理人員專業(yè)技術(shù)相對(duì)薄弱，維修養(yǎng)護(hù)跟不上，造成自動(dòng)化系統(tǒng)不能正常發(fā)揮其作用。