西范灌區東擴工程水利工程信息化設計

朱建文

（山西中部引黃水務開發有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

在水利工程的管理和建設中信息化系統有著十分重要的作用。近年來，隨著科技信息化的不斷發展，對水利工程管理和建設的信息化要求越來越高。西范灌區東擴工程位于運城市西北部，涉及新絳、聞喜、萬榮及稷山等四縣，主要是為解決該受水地區灌區的缺水問題，還兼顧改善原灌區38.47萬畝耕地。該擴建工程的建設線路較長涉及面較廣，對其高效率管理是十分必要的，需要設計符合該工程特點的全線信息化管理系統。

1 工程全線信息化內容及任務

1.1 全線信息化系統內容

西范灌區東擴工程全線信息化系統的內容包括：遠方控制監控系統（調度中心），五座泵站遠方調度系統，總干渠19座閘室監控系統。

1.2 全線信息化的任務

全線自動化的任務為：

（1）建立流域為主體的輸水調度中心，調度中心擬建在西范管理局。

（2）調度中心能夠采集各個監控點包括：各個泵站、分水閥室等各類自動化信息。

（3）建立調度決策幫助軟件系統，合理的模擬流域輸水調度過程，通過水力仿真軟件的復核，為決策層提供可靠的、優化的調度運行方案。利用現代化通訊手段，最終實現對各泵站、各調節閥的遠方控制。

（4）能夠建立完整的遠程工業可視（電視）系統。以便對主要監控點（調壓池、建筑物、機組等）實現遠方實時監視。

（5）工程安防系統是由紅外對射、監視、門禁等設備組成建立。

2 調度模式及通信系統

2.1 調度模式

為達到供水工程穩定安全輸水，全線各種水工建筑物和機電設備的經濟、安全運行的目的，須對沿線各分水閥室、泵站進行統一調度。為此設立統一調度中心，實現全線自動化。

調度的操作權限由現地級、站控級和調度級三級組成。

其中，控制級別最高為現地級，其次為站控級。主要控制內容包括：泵站的監控主機、自動級公用LCU、機組LCU以及各閘室LCU（可由現地控制裝置PLC兼做）。遠方調度級為最后，全線設備自動化由調度中心統一進行管理和控制。

全線的自動化調度模式是：控制調度中心統一管理調度、集中監控，近期實現現地監控站的少人值班，以至實現最終的少人值守、無人值班。

2.2 通信系統

通信系統由沿線總干所有閘室和五座泵站組成，特點是沿線的各閘室分散、且線路較長。目前，現代通信網的三大支柱是光纖通信、衛星通信和無線電通信。結合工程全線自動化任務及實際情況的特點，通訊方式選擇光纖通信。實現光纖通信有以下兩種方案：

1）沿控制中心、所有控制點和輸水線路敷設光纜為主通信通道；備用通信為租用公網的一條專用通道作為調度和數據傳輸的通道。

2）按不同的路徑（直埋和架空）沿控制中心、所有控制點和輸水線路敷設兩條光纜，形成通信物理環網，一路為主，另一路為備。

方案二從技術角度考慮，可靠性較高，同時投資較大。綜合從經濟、可靠、安全性考慮采用方案一。

3 網絡傳輸方式及監控系統

3.1 網絡傳輸方式

1）三網合一傳輸方式

采用綜合以太網接入設備。光纖技術（優化）和以太網數據傳輸交換技術，建設自動化系統綜合信息傳輸平臺，其為“三網合一”的建設支撐，可實現以太網、數據、視頻和語音等業務功能靈活接入，及通過光纖實現調度電話、工業電視、安全監測系統和生產自動化等業務功能。

優點是：“三網合一”為系統。過多的外圍接入設備不再需要，后期設備維護減少。同時組網靈活，使用空間小，安裝方便。

缺點是：國內生產廠家不多，三網之間明顯的物理隔離沒有，損失部分視頻信號。

2）三網分離傳輸方式

通信系統內網采用以太網交換機。以太網交換機提供多個接口，便于安全監測和調度監測系統內容的內網傳輸。為了降低投資和減少設備維護，應用網和內網可以采用綜合業務光端機，總線式異步數據傳輸通道可提供多個，及可配置異步數據接口RS232/485等設備。站點交換機中接入各站點視頻監控系統，采用視頻服務器的方式，調度中心統一管理。電話調度系統：駐地話音網關設備在通信機房設置一套，程控調度交換機與該套設備相連；在各控制站點設置普通電話機及接入語音網關，工業網絡（100 M）交換機直接接入語音網關。

從網絡傳輸技術考慮，三網分傳輸方式可靠性最高，但是投資過大。結合輸水特點，傳輸方式采用三網合一。

3.2 計算機監控系統網絡結構

計算機監控系統采用模塊、分布、分層式體系結構。

調度中心為雙層以太網結構，由SCADA雙服務器、數據庫服務器、視頻服務器、大屏DLP工作站、工程師站、操作員工作站以及WEB服務器等設置互為熱備，以上設備分別接入兩層以太網。

采用單層以太網為泵站計算機監控系統控制網絡。泵站監控網絡由現地控制裝置及公用LCU、機組LCU和熱備操作主機等共同組成，與調度中心通過通訊服務器相連。

調度中心監控系統、沿線閘室LCU與泵站計算機監控系統一起組成了單層工業以太網。

3.3 調度中心監控系統

3.3.1 功能要求

1）遠程調度系統應有效、準確、迅速地完成對各級泵站及各個閥室等被監控對象的監視。

2）調度中心應能實現對數據的采集和進行處理，安全運行的監視，屏幕顯示，實時調節和控制，事故處理和恢復操作的指導，鍵盤操作，數據通信，系統診斷，軟件培訓及開發，泵站設備的維護運行管理等功能，監控程序控制實現操作票校核和檢測。

3.3.2 調度中心系統結構

1）由SCADA/AGC/AVC服務器2套、光纖磁盤陣列1套、歷史數據服務器2套、操作員兼工程師工作站2套、WEB服務器1套、ON-CALL工作站1套、大屏幕DLP系統1套、通訊服務器2套、1000 M集控中心網絡交換機1套、路由器1套、UPS1套、打印機1臺、GPS1套、防火墻1套、縱向隔離裝置2套等組成調度中心計算機監控系統；各泵站的監控系統與調度中心通訊，配置了通訊服務器1套。

2）系統采用分布式體系結構。系統以局域網為核心，實現工作站和服務器的功能分擔，并對數據進行分散式處理，符合技術發展的趨勢。具有處理速度快、工作效率高、系統風險小等特點。

各工作站/服務器在系統中處同等地位功能，以后系統擴充不會引起現有系統較大波動，并對整個系統的不斷完善提供有力條件。

在系統中，各工作站若出現故障只會對局部功能產生影響，可使整個系統功能的簡單化，其可靠性可大大提高。

3）開放式的系統環境

開發應用、接口用戶和系統互聯的環境組成開放式環境，采用此環境系統要做到：確保用戶運行硬件更新的同時，其軟件能夠繼續使用，不同系列產品的可移植性得到解決；確保在其他計算機上的相互操作，同時用戶的資源投資應得到保護；選擇合適的不同品牌的硬件，使得計算機的集成性提高；經局域網將工作站/全圖形服務器連接作為基礎，將系統組成開放式分布系統。

4）局域網監控系統按IEEE設計，應用開放式的分布結構，光纖電纜作為網絡介質，通信規約為TCP/IP，大于10/100Mbps的網絡傳輸速率。

3.3.3 軟件配置

1）系統及組態軟件

工程系統軟件主要包括：UNIX、Windows XP等，為了保證系統的完整與可靠，監控系統采用亞控組態軟件。

2）數據庫軟件與關系型數據庫軟件

實時數據庫與歷史數據庫應當是完全獨立的、不依賴于任何第三方關系數據庫（如MS SQL Server、Oracle等）的商業產品化的工業實時數據庫。

關系數據庫軟件采用基于SQL的大型對象關系型數據庫，應滿足 ANSI/ISOSQL86、SQL92、SQL99 等標準，在通用性、實時性、可靠性、開放性、可擴充性和安全性具有最好的技術及國際認證。

3）核心防護軟件

在操作系統的安全功能之上核心系統防護軟件提供了安保層，訪問方式是從內核層控制截取文件，進而加強系統的安全可靠性。防護軟件支持多種操作系統功能。即使以系統管理員權限進入入侵，也不能對系統篡改和數據竊取，從根本上杜絕由于操作系統缺陷而造成的入侵。

4）信息化系統

信息化系統通過采集和收集各類流域內的信息，完成調度決策輔助模塊、水力學仿真模塊、計劃與執行管理模塊、信息發布模塊等一系列調度輔助模塊。根據信息化系統的特點，一些模塊之間存在著相互依存的關系。因此信息化系統設計采用統一模塊化，分布實施的原則。

3.3.4 多媒體會議室

目前全世界高級的數字會議是應用網絡時分的復用技術，即語言進行數字化，可在電纜上實現多路的同時簽到、發言、討論、同聲傳譯、表決、投票等會議功能。可對各類會議提供較為靈活管理等多功能。會議系統的核心是控制設備。

3.4 視頻監視系統

視頻監視系統主要分為工業視頻監視系統和安防視頻監視系統。對于安防視頻監視系統集中顯示和存儲在調度中心。

方案的構成本著實現“無人值守，少人值班”的控制模式，并充分考慮了系統實用性、先進性、可靠性和系統可擴展性的需要。

方案采用了基于模擬視頻和數字視頻相結合的組成方式，使系統既具有模擬視頻圖像質量好、實時性強的特點，又具備網絡數字視頻應用廣泛、使用和存儲方便等方面的特性。

3.4.1 工業視頻監視系統

1）系統功能

在輸水工程中視頻監控實際業務主要是在工作現場安裝攝像機，以實現遠程狀態下觀測工作人員工作情況和設備安全運行狀況。在控制室內安裝視頻監測系統工作站和相關控制設備，實時視頻錄像服務器是系統核心，攝像機所有信號傳輸給它，并進行相應的錄像和數字化處理，與監控系統相連。應用云臺就可以對對攝像機的光學參數、方向等功能進行控制。

通過客戶端或Web方式監控軟件，遠程用戶即可實現遠程管理和監控。

2）監視內容

工業視頻監視系統包括四座泵站視頻監視系統、19座閘室視頻監視系統。

3.4.2 安防視頻監控

安防系統由出入口控制、入侵報警、視頻監視系統組成。

1）視頻監視系統

采用模擬傳輸、數字存儲、電纜與光纜相結合，實現調度中心安防。

在建筑物制高點安裝帶有云臺、變焦鏡頭的彩色一體化攝像機。在大樓入口、樓道等安裝攝像機。

監視功能：在安防工作站、分站上對整個監視區域進行監視。

錄像功能：可以采用同步錄像、定時錄像和視頻報警觸發錄像。

遠程監控系統配有逆向解碼主機、同步錄像存儲器、智能矩陣、視頻分配器、專用鍵盤及軟件等。

2）監視內容

擬在每處泵站室外布置2個安防攝像頭，合計8個攝像頭；在調度中心設置8個攝像頭。工程合計布置16個攝像頭。

3）出入口控制系統

識讀式出入口控制系統由識讀（顯示）裝置、傳輸網絡、管理控制器、記錄設備、執行機構等組成。識讀式系統的各類識別裝置、執行機構應保證操作的有效性和可靠性，應有防尾隨措施。對非法進入的行為，應發出報警信號，以及疏散、緊急逃生的有關規定。識讀式系統應具有人員的出入時間、地點、順序等數據設置、顯示、記錄、查詢和打印等功能，時間誤差應在±10 s以內，并有防篡改、防銷毀等措施。

4 結論

西范灌區東擴工程信息化管理可實現各個監控點的監控管理，可以使得工程在管理中實現“無人值守，少人值班，高效管理”的控制模式，最終實現對各泵站、各調節閥的遠方控制，提高工程運行效益。