淺析黔中水利樞紐工程閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

何鍇君 余位權(quán)

(1.貴州省黔中水利樞紐工程建設(shè)管理局，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利投資集團(tuán)有限責(zé)任公司黔中分公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概述

黔中水利樞紐一期工程位于貴州省中部，是以灌溉和城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大型跨地區(qū)、跨流域長距離調(diào)水工程[1]。工程從六枝三岔河引水至安順、貴陽，工程分為兩期建設(shè)，總投資約73億元。水源工程平寨水庫為大(1)型水庫，正常蓄水位1331.00m，總庫容10.84億m3。壩后平寨電站裝機(jī)為136MW，發(fā)電量約為3.4億kW·h。輸水干渠總長148.6km，其中總干渠長63.9km，桂松干渠長84.7km。工程擬解決貴陽和安順的城市供水，以及黔中地區(qū)的六枝北部和東部、普定南部、鎮(zhèn)寧北部、關(guān)嶺中部、西秀南部和東部、平壩南部、長順東北部7個(gè)縣49個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)65.14萬畝耕地灌溉、5個(gè)縣36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、41.8萬人和36.4萬頭大牲畜飲水安全問題，并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造有利條件[2]。

2 系統(tǒng)概況

工程信息化系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)視系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)、水力量測(cè)系統(tǒng)、水資源調(diào)度管理系統(tǒng)、輸水干渠輸配電系統(tǒng)和信息化集成系統(tǒng)等組成。其中閘門控制系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))作為工程信息化系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，旨在充分利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程沿線中各個(gè)站點(diǎn)閘門、閥門的遠(yuǎn)程控制，管理人員可通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行各類閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信以及遠(yuǎn)程控制，及時(shí)了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高工程運(yùn)行的安全性和可靠性，提升工程的工程效益和管理水平。

3 設(shè)計(jì)原則

3.1 實(shí)用性和先進(jìn)性原則

根據(jù)工程的閘閥、配電設(shè)備運(yùn)行和管理的工作流程，設(shè)置調(diào)度中心、分控中心、閘閥及配電設(shè)備的用戶權(quán)限和優(yōu)先級(jí)；充分考慮用戶的使用頻率和應(yīng)用程度，設(shè)置系統(tǒng)控制流程，合理設(shè)計(jì)存儲(chǔ)和服務(wù)體系[3]。

3.2 可靠性和安全性原則

可靠性是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的基石，閘閥和配電設(shè)備安全可靠運(yùn)行是系統(tǒng)必須首先考慮的重要原則。系統(tǒng)從系統(tǒng)構(gòu)架的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、調(diào)試、安裝等環(huán)節(jié)均應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家及行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，貫徹質(zhì)量條例，保證惡劣環(huán)境和突發(fā)事故情況下系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。綜合考慮設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)安全，在閘閥站采用完善的安全措施保障閘閥站設(shè)備的物理安全和應(yīng)用安全，閘閥站與監(jiān)控中心之間的通信安全，并采取可靠手段杜絕對(duì)閘閥站設(shè)備的非法訪問、入侵或攻擊行為[4]。如設(shè)備應(yīng)具有自檢、自診斷功能和自動(dòng)報(bào)警功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免事故發(fā)生。現(xiàn)地監(jiān)控層采用冗余配置。

3.3 整體性和擴(kuò)充性原則

系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留相關(guān)接口，與總調(diào)中心的水資源調(diào)度管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等其他信息化子系統(tǒng)融為一體。系統(tǒng)以面向黔中水利樞紐工程為主，同時(shí)服務(wù)于各層級(jí)管理單位，系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)具有擴(kuò)展性，能優(yōu)先滿足工程建設(shè)需求，并預(yù)留二期工程現(xiàn)場控制單元、設(shè)備和系統(tǒng)通信的接口，需要增加的前端設(shè)備，均可直接接入管理平臺(tái)。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循國家及有關(guān)行業(yè)部門規(guī)程規(guī)范，并按照工程建設(shè)與運(yùn)行管理需要，制定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理體系。

3.5 共享性和經(jīng)濟(jì)性原則

充分利用現(xiàn)有資源，節(jié)省投資，避免重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源共享。按需選擇系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，做到科學(xué)合理、先進(jìn)實(shí)用，盡可能降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

4 閘門控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是基于自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)工程沿線閘閥進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要采用分層分布式結(jié)構(gòu)，共分三層：第一層為調(diào)度中心，該系統(tǒng)建設(shè)不在本閘門控制系統(tǒng)標(biāo)段內(nèi)；第二層為分控中心，在水源分控中心、桂家湖分控中心、革寨分控中心都設(shè)有閘門控制系統(tǒng)管理平臺(tái)，各分控中心都通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(不在本工程范圍內(nèi))連接在同一網(wǎng)段上；第三層為現(xiàn)地站節(jié)制閘及放空閥、閘站、閥站，直接通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)連接最終匯聚在各分控中心，通過現(xiàn)場配置的PLC與觸摸屏實(shí)現(xiàn)在分控中心查看站點(diǎn)閘門數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制(見圖1)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)控制點(diǎn)分布在整個(gè)黔中水利樞紐一期工程各節(jié)制閘、閘站、閥站通過光纖連接到交換機(jī)，然后接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(不在本系統(tǒng)中)，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至分控中心閘控管理平臺(tái)，在分控中心采用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)配置客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、查看閥門數(shù)據(jù)、管理等，并可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至綜合信息化管理平臺(tái)，進(jìn)行級(jí)聯(lián)和分級(jí)控制與管理。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由分控中心控制系統(tǒng)和現(xiàn)場控制裝置兩部分組成。分控中心控制系統(tǒng)由服務(wù)器、客戶端、系統(tǒng)控制軟件平臺(tái)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及應(yīng)用軟件組成。現(xiàn)場控制裝置由閘門現(xiàn)地控制單元、現(xiàn)場監(jiān)測(cè)儀表、信息傳輸通道等部分組成。

在管理服務(wù)器的授權(quán)下，控制人員可通過iFIX軟件對(duì)前端設(shè)備控制、存儲(chǔ)設(shè)置、連接設(shè)備上的報(bào)警輸入輸出進(jìn)行配置。通過iFIX軟件上控制按鈕可以對(duì)前端的設(shè)備進(jìn)行控制。分控中心可以管理其所轄區(qū)域內(nèi)所有的設(shè)備信息。

總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

4.3 分控中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分控中心是控制系統(tǒng)的集成平臺(tái)，它將站點(diǎn)控制設(shè)備實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并對(duì)現(xiàn)場站點(diǎn)設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程控制；分控中心系統(tǒng)是由控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)傳輸五部分組成(見圖3)。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架

a.控制平臺(tái)。閘門或閥門的控制方式，可分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種。手動(dòng)控制下，只能在閘閥室，通過每個(gè)啟閉機(jī)的手動(dòng)控制箱，進(jìn)行閘門或閥門控制。自動(dòng)控制下，通過PLC進(jìn)行閘門或閥門控制。自動(dòng)控制又分為遠(yuǎn)方控制和現(xiàn)地控制。遠(yuǎn)方控制主要是由總調(diào)中心或分控中心根據(jù)水調(diào)工作控制權(quán)限的高低對(duì)閘門或閥門進(jìn)行控制操作。現(xiàn)地控制主要是通過閘閥室PLC的觸摸屏對(duì)閘門或閥門進(jìn)行控制操作。遠(yuǎn)方控制下，閘管所配置的工控機(jī)安裝有組態(tài)軟件直接與PLC通信，構(gòu)成現(xiàn)地的閘管所系統(tǒng)，與現(xiàn)地觸摸屏屬于一個(gè)層級(jí)的兩種控制方式。閘門或閥門正常運(yùn)行時(shí)，一般選擇自動(dòng)控制，僅在PLC出現(xiàn)故障及啟閉機(jī)檢修時(shí)才采用手動(dòng)控制。如閘門或閥門在正常運(yùn)行中選擇自動(dòng)控制，還應(yīng)根據(jù)日常管理工作規(guī)程選擇現(xiàn)地控制還是遠(yuǎn)程控制，即選擇觸摸屏控制還是上層自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)的管理單位監(jiān)控終端控制。

b.數(shù)據(jù)采集。該功能通過網(wǎng)絡(luò)與閘閥站PLC進(jìn)行通信，正常通信時(shí)能實(shí)時(shí)采集PLC反饋數(shù)據(jù)來判斷閘門或閥門的開度情況。軟件能夠自動(dòng)檢查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否滿足規(guī)則要求，并及時(shí)進(jìn)行處理。

c.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由上位機(jī)管理軟件完成對(duì)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理、篩選、匯總、分析，把篩選后的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成各種歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)報(bào)警信息、系統(tǒng)日志等。

d.管理平臺(tái)。控制前經(jīng)過統(tǒng)一的權(quán)限判別，系統(tǒng)可以進(jìn)行用戶管理及權(quán)限劃分，以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求。

e.網(wǎng)絡(luò)傳輸。現(xiàn)地站節(jié)制閘及放空閥、閘站、閥站以及分控中心均配置有交換機(jī)，前端設(shè)備通過網(wǎng)線或光纖傳輸方式，將前端信號(hào)接入交換機(jī)，再統(tǒng)一接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳輸。

4.4 分控中心功能

分控中心控制系統(tǒng)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)庫及其管理和數(shù)據(jù)通信及交換。

a.數(shù)據(jù)采集和處理。實(shí)時(shí)采集各現(xiàn)地站上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行報(bào)警信息、操作信息等，格式化處理后寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫[1]，并進(jìn)行分析、處理，以及誤碼分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制，形成調(diào)度所需的各種監(jiān)控管理、分析和指導(dǎo)數(shù)據(jù)[5]。報(bào)警信號(hào)隨機(jī)優(yōu)先傳遞，其中事故信號(hào)等中斷量最優(yōu)先。

b.設(shè)備控制與調(diào)節(jié)。當(dāng)運(yùn)行操作方式選擇為分控中心時(shí)，由分控中心值班人員通過配置的閘閥管理平臺(tái)下達(dá)控制、調(diào)節(jié)命令，如閘門、閥門的啟閉、開關(guān)分、合閘控制等。實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘門、閥門的控制與調(diào)節(jié)，結(jié)合調(diào)度方案，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的安全運(yùn)行監(jiān)視、自動(dòng)化控制及優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行，以保證輸水沿線閘門、閥門的安全、穩(wěn)定、可靠及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

c.實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)在線監(jiān)視系統(tǒng)各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件、各個(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)情況，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的報(bào)警項(xiàng)目、報(bào)警限值、報(bào)警級(jí)別和報(bào)警方式，發(fā)現(xiàn)異常即自動(dòng)報(bào)警[1]。

d.數(shù)據(jù)庫及其管理。歷史數(shù)據(jù)庫的定義、生成和維護(hù)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)行、管理；歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行、管理；數(shù)據(jù)備份。

e.數(shù)據(jù)通信及交換。接收現(xiàn)地站的數(shù)據(jù)；向現(xiàn)地站轉(zhuǎn)發(fā)控制命令和數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)與信息化綜合平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換。

4.5 現(xiàn)場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，方便調(diào)試，閘門PLC控制程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用子程序式編程思路，將閘門的控制功能劃分成設(shè)備控制、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、系統(tǒng)故障報(bào)警、以太網(wǎng)通信等，將每一個(gè)子功能編寫成一個(gè)子程序，在主程序中按照控制邏輯順序進(jìn)行各子程序的調(diào)用[5](見圖4)。

圖4 閘門控制程序流程

4.6 閘門現(xiàn)地控制的功能

現(xiàn)地站控制箱上有手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)和遠(yuǎn)程/現(xiàn)地開關(guān)兩種選擇方式，可由控制箱中的切換開關(guān)進(jìn)行選擇。

4.6.1 手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)

a.手動(dòng)。當(dāng)開關(guān)置于“手動(dòng)”時(shí)，操作人員可在現(xiàn)地手動(dòng)操作，控制閘門或閘閥的開啟和關(guān)閉。此時(shí)通過觸摸屏或工作站不能控制閘門或閘閥的開啟和關(guān)閉。

b.自動(dòng)。當(dāng)開關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，操作人員可在現(xiàn)地或遠(yuǎn)程通過觸摸屏或工作站控制閘門或閘閥的開啟和關(guān)閉。

4.6.2 遠(yuǎn)程/現(xiàn)地開關(guān)

a.遠(yuǎn)程。當(dāng)開關(guān)置于“遠(yuǎn)程”時(shí)，控制為遠(yuǎn)方上位機(jī)集控方式，由工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)閘門或閥門進(jìn)行運(yùn)行控制。

b.現(xiàn)地。當(dāng)開關(guān)置于“現(xiàn)地”時(shí)，現(xiàn)地控制由設(shè)在現(xiàn)地的觸摸屏控制實(shí)現(xiàn)。根據(jù)要求分析，閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的PLC控制回路和現(xiàn)場手動(dòng)控制回路。PLC控制回路主要由GE VersaMax-MicroPLC控制模塊、模擬量輸入模塊、GE操作屏及電路等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集。手動(dòng)控制回路主要由交流接觸器、中間繼電器、過載保護(hù)繼電器、操作按鈕等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)場控制。本站的通信設(shè)計(jì)是由以太網(wǎng)通信模塊將現(xiàn)場測(cè)量控制站集成到系統(tǒng)的以太網(wǎng)中，再通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒挚刂行腫6]。

5 結(jié) 語

黔中水利樞紐工程渠系長，閘閥設(shè)備多，涉及面廣，系統(tǒng)利用渠道測(cè)流原理和傳感測(cè)量技術(shù)，借助光纖傳輸實(shí)現(xiàn)閘閥的計(jì)量、遠(yuǎn)程控制，對(duì)加強(qiáng)長距離調(diào)水的管理工作，提升工程信息化、自動(dòng)化水平起著關(guān)鍵作用。目前，系統(tǒng)已建成投運(yùn)，對(duì)工程水源工程閘門站點(diǎn)、總干渠節(jié)制閘及放空閥站點(diǎn)、斗門站點(diǎn)、支渠站點(diǎn)，桂松干渠節(jié)制閘及放空閥站點(diǎn)、斗門站點(diǎn)、支渠站點(diǎn)等重要工程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)的主要設(shè)備、輔助設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行性能和參數(shù)穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，為工程運(yùn)行安全提供了有力保障，發(fā)揮了應(yīng)有效益。