長距離調水工程閘站監控系統的研究和應用

管世珍

（南水北調中線干線工程建設管理局河南分局，河南 鄭州456150）

南水北調中線工程全長1 432 km，全線64座節制閘、97座分水口、54座退水閘、61座控制閘，總計276座閘站建筑物。為實現全線范圍內的輸水信息、閘門運行狀態的遠程監測與控制，采用超聲波流量計和水位計采集水情信息，采用各類壓力、溫度傳感器和儀器儀表采集閘門運行參數，通過PLC控制和網絡傳輸設備實現數據的監視和控制，設計出同時具備現地和遠程監控功能的閘站監控系統。

中線工程是非常有代表性的長距離調水工程，沿途閘站布置距離較遠，在水流量、水位發生變化的情況下，為快速獲取現場信息，保證閘門根據實際情況自動調節開關，多層分布式閘站監控系統成為實現多層次監視與控制功能的最佳選擇，參照管理機構業務需求和系統實現的功能，現地閘站為總局、分局、管理處提供運行數據監視、歷史數據存儲、閘門狀態控制，現地站作為閘站監控系統的基礎平臺實現各重要節點功能依據[1]。如圖1所示。

1 閘站監控系統設計原則

閘站監控系統以“先進性、可靠性、實時性、可擴充性”為基本原則，確保系統平穩可靠運行。

圖1 閘站監控系統主界面

1.1 先進性

閘站監控系統主要的特性，是采用了一個全分布式的通信結構，分布于大區域的數據被分散采集并集中送往系統中的某些計算機上進行處理，然后供遍布于系統中的各用戶索取和使用。多層分布式結構可以在不同層次，依據系統授予的權限實現各層次數據采集、閘門控制、運行數據監視。

1.2 可靠性

閘站監控系統采用專網連接PLC設備，通過ModBus工業協議進行數據交互，數據可以多級備份，配置高性能UNIX和X86服務管理器代替主機備份，實現閘控數據的傳輸和存儲，為保證持續供電配置了UPS系統。

1.3 實時性

利用實時數據庫，通過GUI來顯示所監控設備的實時狀態，實時數據采集周期、歸檔周期、本系統歷史數據保留周期等可根據用戶要求進行配置。

1.4 可擴充性

閘站監控系統的數據庫管理系統（RDBMS）要提供可擴充基本結構，當現有的系統功能需要增強時，在不修改現有指令的基礎上實現系統擴充。

2 閘站監控系統組成

2.1 現地監控系統

現地監控系統通過現地PLC建立，配置現地閘站站控計算機、數據采集單元、傳感器，數據采集單元將傳感器識別出的物理信號轉換成標準工業信號，實現數據采集，經PLC處理后通過I/O模塊傳輸到監控系統平臺，由閘站值守人員對現地設備進行監控管理。

2.2 遠程閘站監控系統（數據采集與監視控制系統）

遠程閘站監控系統有統一監控服務平臺架構，監控服務平臺是總調、分調和中控室3級遠程監控子系統運行的基礎，它分布于3級監控節點，是分布式監控平臺，各監控平臺節點按照統一的協議進行通信和交互，為閘站對象和各級遠程監控系統提供監控和數據庫服務[2]。如圖2所示。

圖2 閘站監控系統

3 現地閘站監控系統功能設計

現地閘站監控系統由PLC主控制柜、遠程I/O控制柜、啟閉機控制柜實現工控機監控、PLC監控、觸摸屏監控功能[3]。

3.1 現地設備選用

PLC主控柜是下位機系統的中樞，負責進行現場遠程I/O控制柜采集信號的處理并通過專網進行數據的上送、接收通信專網上位機下發的控制并將控制轉發至現場遠程I/O控制柜；遠程I/O控制柜主要通過硬接線采集啟閉機控制柜的閘門開度、電壓、電流、水位、流量、部分元器件的工作狀態，控制閘門的開、關、停、設值等。

為了保證系統穩定可靠，包含節制閘、分水閘（流量≥10 m3/s）、退水閘的現地站均需配備冗余PLC，其他類型現地站采用非冗余PLC。冗余PLC采用雙機熱備及冗余現場MB+總線和冗余以太網結構，I/O模塊通過雙MB+現場總線與雙CPU通信[4]。

現場外部設備的通信采用了SJ30B通信管理裝置。每套SJ30B裝置自帶數據庫，能進行復雜、大量的數據處理，能把所有的通信數據組織、處理好后通過ModBus TCP協議傳輸給PLC，這樣大大減少MB+總線上的數據流量，保證MB+總線的穩定。

3.2 工業控制計算機功能設計

工業控制計算機實現數據監測、調度指令控制、數據信息查詢統計、數據存儲和系統管理維護。數據監測包括實時閘門狀態和水情信息監測、設備告警、傳感器模擬量和設備運行趨勢圖。閘門控制是接受高級別調度機構下發閘門控制指令調節水位和流量，在遠程監控系統出現故障、網絡不通或發生應急情況時，對閘門進行安全控制。數據信息查詢統計包括設備運行基本情況查詢、實時運行情況查詢、歷史運行情況查詢、指令統計記錄。數據存儲是將系統采集的閘門運行數據存儲到Oracle SQL中。管理維護實現用戶管理、系統參數管理、代碼管理和PLC 管理[5]。

3.3 現地PLC監控功能設計

3.3.1 監控數據采集與處理

PLC數據采集與處理主要包括水位、流量、水量、閘位、溫度、電流、電壓以及各種狀態值的采集與處理。

3.3.2 閘門控制

3級調度管理機構均可實現閘門控制，但是依據級別高低控制權限不同，進行遠程指令下達，控制閘門遠程自動開啟或關閉，無論何種情況總是執行權限高的調度機構的閘門控制指令。

3.3.3 安全保護功能

現地傳感器采集信號，經PLC程序分析，現地和遠程均可監視到閘門不正常狀態，現場會持續報警，可通過遠程監控系統分析故障報警的原因，以便維護人員快速消除故障。

3.3.4 控制切換

為確保閘站監控系統的可控性，在現地啟閉機控制柜配置手動、自動、遠程切換旋鈕，優先在現地實現工作狀態的切換。

3.4 觸摸屏監控功能

觸摸屏是閘站液壓啟閉機的人機界面，主要功能為數據的監視、系統的操作。

3.4.1 數據監視

數據監視畫面對PLC I/O模件采集的I/O信號進行實時顯示，包括水利數據、配電數據、啟閉機數據（含開入量、開出量、模入量、溫度量、模出量）等。報警界面顯示本閘站所有相關設備的報警信息，其中有些是直接的設備故障點信息，有些則是通過PLC內部計算出的報警信息。對一些事故信號、故障信號或重要的信號，在報警畫面進行實時報警[6]。如圖3所示。

圖3 觸摸屏主界面圖

3.4.2 系統操作

觸摸屏操作控制閘門啟閉，通過多幅畫面切換，在觸摸屏上實時動態顯示液壓啟閉機各部分的工況（觸點、電流、電壓、溫度、故障等），并按提示在線設置、修改參數以及查閱儲存資料。觸摸屏主要實現對開入、模入、開出、模出、溫度數據的監視和報警顯示，以及對各閘門的開、關、停和設置開度及比例閥開度等進行控制操作[7]。

4 遠程閘站監控系統設計方案

4.1 遠程閘站監控系統設計原理

遠程閘站監控系統采用3層架構形式，從上而下為表現層、業務邏輯層、數據訪問層。該架構各層具有獨立性，層間依賴性不強，結構清晰，容易實現標準化，層間替代性強等優勢。

表現層是閘站監控系統最外層，最接近使用者，實現用戶管理、人機交互界面、調度系統傳輸接口等重要功能。業務邏輯層在表現層和數據源層中間，起到承上啟下的作用，處理表現層需要的業務邏輯、計算分析數據源交互的數據訪問等工作。數據源層作為數據管理的源頭，主要儲存和管理數據庫數據、PLC及閘站接口數據[2]。如圖4所示。

圖4 遠程閘站監控系統3層架構模式

4.2 遠程監控系統設計權限

中心、分中心以及管理處具備遠程閘站監控系統功能。中心系統管理員具有最高權限，能夠對全線所有用戶進行管理，包括對其他用戶控制權限的配置、系統參數的配置以及直接進行控制，中心調度管理人員（通過實時水量調度系統）、高級用戶以及一般用戶在獲得系統管理員的授權后，可以進行控制。分中心系統管理員能夠對所管轄范圍內的其他用戶的控制權限進行配置、對系統參數進行配置以及直接進行控制，分中心調度管理人員（通過實時水量調度系統）、高級用戶以及一般用戶在獲得系統管理員的授權后，可以進行控制。現地閘站的操作員在獲得中心或相應分中心系統管理員的授權后，可以對本閘站實施控制。功能權限劃分如表1所示。

表1 管理機構功能權限劃分

5 關鍵技術實現方案

為適應長距離輸水自動化的需求，從數據通信、控制模式、數據采集3個核心業務分析，實現閘站監控系統的主要方案。

5.1 數據通信方案

系統的數據通信采用分布式結構、閘站分區、控制策略、數據采集等應用策略，以確保監控系統與現地閘站（PLC）數據通信的安全性、穩定性、可靠性和準確性。

5.1.1 分布式結構

總調、分調均能夠直接與現地閘站（PLC）進行數據通信，每個現地閘站的PLC只與中心或分中心的某臺通信接口服務器進行數據通信，具體由哪臺服務器進行數據通信，將根據其優先級決定。

5.1.2 現地閘站分區

基于數據通信的分布式結構，需要將監控系統與現地閘站（PLC）的數據通信任務分布到不同的通信接口服務器上，然后將數據通信任務分布同一個服務器中的不同數據采集模塊上。

5.2 控制方案

5.2.1 閘門控制方式

閘門控制設置為手動和自動，手動需要值守人員在現地站操縱控制屏上的開關進行閘門啟閉，自動可經高級別調度機構下發調度指令完成閘門啟閉，或者通過值守人員在現地站通過工控機或觸摸屏輸入要求的控制指令實現閘門啟閉。

5.2.2 控制模式

多閘聯合調度控制模型進行全線統一閉環控制的控制模式，自動從實時水量調度系統獲得控制指令，自動對閘站進行控制并向實時水量調度系統返回閘站運行狀態和渠道水情（水位和流量）。

單站控制模式由遠程或現地監控操作人員通過監控界面對某個閘站實施控制，可分為分步控制和一步控制。分步控制即能夠對控制過程中的每個步驟實施控制，在對液壓閘的控制過程中，可以根據實際的控制流程，分別實施油泵開啟、升閘、降閘、停閘、油泵關閉等控制，主要用于控制設備的檢修、故障分析等；一步控制即用戶輸入閘門開度值，PLC接收到控制指令后，根據預先編制好的控制流程，通過對油泵的控制將閘門開/關到指定的高度。

5.3 數據采集與處理方案

數據采集模塊通過控制專網，采用ModBus TCP/IP數據通信協議，從現地閘站PLC采集數據，數據采集模塊將采集的數據送到實時數據庫模塊和報警處理模塊對數據進行處理。

實時數據庫模塊將數據存儲到實時數據庫。報警處理模塊對處理后的數據進行判斷，通過數據同步模塊，與其他實時監控與通信接口服務器進行數據同步。歷史數據處理模塊將處理后的數據存儲到實時歷史數據庫，并對數據進行判斷，將數據存儲到應用信息數據庫服務器的Oracle數據庫中，保證數據的可靠性與真實性[8]。

6 結束語

以分布式數據采集與監視控制系統為基礎的閘站監控系統設計，充分利用自動控制、網絡通信、計算機等信息技術建設掌握水情、工情的閘站監控系統，實現了輸水調度數據、閘站設備運行信息的遠程監視，啟閉設備現地和遠程控制，實現全線閘門聯合調度，確保輸水渠道始終保持在合理的水位和需求的流量。閘站監控系統在南水北調中線的運用，實現了資源合理配置，對長距離調水工程的自動化運行管理模式的改進有很大推動作用。