水利工程自动化现状与适应技术分析研究

黄祚继 黄忠赤 马 浩

(水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000)

1 前言

水利自动化工程是指采用自动化控制技术和信息技术实现水利信息自动采集和水利设施自动控制的专项工程。计算机技术、电子技术和通讯技术的高速发展，给水利自动化的发展提供了良好的建设环境和技术支持，水利自动化系统已广泛应用于水文测报、洪水调度、大坝监测、水质监测等水利建设的各个方面，大幅提升了水利现代化管理水平，为水利工程建设质量和投资效益提高发挥了巨大的作用。

由于水利自动化工程建设起步较晚，还处于探索阶段，存在水利自动化工程投资严重不足、工程设计招标阶段不够完善、一些承包单位后期服务不到位、自动化工程质量控制难度大、基层缺乏专业维管人员等问题。为探索适合水利工程自动化系统的适用技术，须开展自动化适应技术研究，以便更好地发挥水利工程自动化系统的作用，为水利自动化系统项目建好、管好、用好提供理论支撑。

2 水利工程自动化系统现状

2.1 系统建设情况

目前大部分大中型水闸、泵站和水库枢纽工程均配置了自动化控制系统，主要包括防洪调度自动化系统、视频监视系统、水工设备计算机监控系统、水情测报系统和安全监测自动化系统。各工程一般都具有视频监视系统、水工设备计算机监控系统和安全监测自动化系统，基本采用分层、分布、开放式系统结构。水利工程自动化系统的技术构成模式如下:

2.1.1 系统的总体结构特性

目前水利工程自动化系统大都采用二层或三层分布式系统结构，第一层为现地测量控制层(现地单元层)，第二层为集中监控层(主控单元层)，第三层为生产调度管理层(管理单元层)。

系统各单元间的测控计算机均通过TCP/IP高速以太网连接，其主控级与现地单元级以及现地单元级间采用星形以太网或环网连接，网络介质大都采用了网线和光缆相结合的模式。

控制权分生产调度管理层、集中监控层、现地测量控制层三级，控制权可以进行设置和切换，优先顺序为“现地测量控制层—集中监控层—生产调度管理层”。

2.1.2 系统的主要硬件配置

现地测量控制层一般都是由现地传感器或变送器、现地智能仪表、PLC控制系统等部分组成。现地传感器或变送器主要包括开度传感器、荷重传感器、水位变送器、压力变送器等;现地智能仪表主要包括开度测控仪、荷重测控仪、水位仪、电流表、电压表等;PLC控制系统主要由PLC系统与其输入输出接口及其电源按钮等部件组成。

集中监控层一般都是由主控计算机、数据服务器、打印机、UPS电源、网络设备等部分组成。系统主控应用软件安装在主控计算机中，可通过主控计算机对整个系统进行操作控制。

生产调度管理层一般由调度管理计算机、数据库服务器、打印机、UPS电源、网络设备等部分组成，可以进行远程调度管理和实现办公自动化。

2.1.3 系统的应用软件与数据库的配置

水利工程自动化系统主控应用软件大都采用了组态软件技术，大部分为进口产品，部分为国产产品。具有无需编制复杂的指令代码、开发周期短、界面友好、通用性强、可靠性高等优点。

数据库采用SQLSERVER系统，数据库的性能较高。

2.1.4 系统操作与应用特点

水利工程自动化系统是一种硬件和软件相结合的系统，其硬件环节多而分散，影响因素多，且间歇性使用，必须定期对系统进行检测和维护，以保证系统在需要使用时能正常可靠地工作，因此对操作维护人员的素质要求较高。

2.2 运行情况

水利工程自动化系统建成后，系统运行操作便捷、数据采集方便、设备监控全面。部分工程自动化系统应用较好，比如:安徽宣城南漪湖枢纽工程包括南漪湖闸和双桥闸，两闸相距25km，闸门开关较为频繁，枢纽工程的运行实现了远程控制，自动化系统发挥了很大的作用。在安徽宣城港口湾水库，大坝变形观测采用测量机器人自动观测，大大降低了管理人员的劳动强度和人员成本，且测量数据准确可靠。在安徽芜湖凤凰颈排灌站和安徽蚌埠闸水电站、上桥抽水站，机组的运行、监测全部采用计算机操作，运行环境得到了很大的改善。在安徽六安白莲崖水库实现了对大坝的远程监控。

2.3 管理情况

大中型水利工程自动化系统建成后，移交运行管理单位管理，有固定的运行管理机构和管理人员。在自动化系统管理方面，各单位均配备了专职或兼职的管理人员，对系统的管理和维护做到了常态化。但同时也存在缺少专业技术人员、缺乏专业技术支撑和管理的平台、问题发现和处理不及时、维护资金落实难、设备更新不及时、备品备件缺少等方面的问题，致使自动化系统的作用不能充分发挥，影响自动化系统的发展。

3 存在的主要问题

闸门自动启闭系统、水位监测系统基本正常，其中大部分是人工测量结果。

没有数据发布与共享功能。由于软件接口不统一，硬件接口不匹配，以至难以达到设计要求。有的工程点没有此项设计内容。

视频控制系统基本正常，失控点基本是由于硬件损坏、排线不合理所致。

开度、荷重仪表以及编码器、传感器等部件经常损坏，导致仪表显示不准、数据不能远控。

3.1 方案设计方面

水利工程自动化系统设计仅提供框架设计和功能要求，项目实施时由各承包单位进行详细设计，导致了水利自动化系统千差万别。

存在的突出问题:硬件选型不成熟、软件接口不开放、相互之间难兼容，造成维修难、改造难;重复建设现象普遍，比如:水位和雨量观测，一些工程水文测报系统均有设置，各大中型工程也设置了相应的系统，但缺少统一整合;设计方案不尽合理，比如:水位井大多离闸过近，致使水位测量不够准确;部分系统操作存在流程繁杂、设备标识不清、图纸资料不全的问题。

3.2 工程建设方面

当前建设主要模式是项目法人建设，移交运行管理单位管理，建管基本处于分离状态，建管之间衔接不足，矛盾突出，管理单位对自动化系统在使用方面的诉求不能得到有效的解决。

方案审查流于形式是普遍现象。虽然项目法人召开设计联络会，对自动化系统的细部设计和实用功能进行审查，但参与审查会的自动化专业技术人员比重小，不能解决实际问题，方案审查流于形式。

建设过程中，缺少质量把关。参建单位缺少专业技术人员，在项目建设过程中，或是发现不了问题，或是出现问题时，没有从根本上解决;在工程验收时，缺少系统评估和评定标准，造成应有的功能不能完全实现或运行不稳定。

3.3 运行管理方面

普遍缺少专业技术管理人员、缺少专业技术管理平台，无备品备件和易耗品的储备，维护经费落实难。缺少水利自动化系统运行管理办法技术标准和控制管理规定。

4 问题对策与适应性技术研究

4.1 提升行业监管的力度

行业监管主要是在自动化系统实施时对其进行建设监管，如:制订市场准入制，培育出台相应的制度;制订统一的有关标准规程规范;出台加强自动化系统建设工作的指导性意见;开展自动化系统施工或设备供应单位的信用备案、评价信用体系建设。

4.2 提高设计质量，严把方案审批关

细化设计方案及水利自动化项目建设审批程序，特别是设计单位在设计时要综合考虑工程实际情况，注重自动化系统的方案，在方案审查时能够有基层管理部门以及专业人员全程参与，尽量形成较为详细的设计文件。

4.3 加强实施过程中质量控制，严把验收关

由于自动化系统投资比重较小，在工程建设过程中往往得不到重视。自动化系统工程专业性比较强，过程控制单独依赖监理单位是难以奏效的，应委托专业机构进行过程控制。

a.建设单位重视建设过程中的质量控制，聘请专业机构进行检测把关。从设备采购、线缆敷设、安装调试等环节逐项控制，并参与后期验收。在施工过程当中要减少变更行为，如果存在设计不合理等问题，应进行论证及时更改。

b.加强出厂调试验收。自动化系统建设过程中，有出厂验收环节，但大部分缺少专家把关和专业检测，应完善专家把关和专业检测制度。

4.4 加强运行管理、设备保养

4.4.1 加强运行管理

运行管理部门定人定岗定期对设备进行维护，应根据维护对象在系统中的重要程度对其进行分级:监控主机、可编程控制器和网络设备等为关键设备级;传感器、数据采集装置和动作设备等为重要设备;其他设备归于一般级。在对设备进行分级的同时，根据维护对象、运用环境实际情况再对其进行分类:室内环境设备;室外环境设备。根据不同维护对象的级别和类型制定相应的维护周期，做到关键设备重点维护，非关键设备视具体情况进行维护。

4.4.2 设备保养手段

根据不同设备采用相应的保养方法。设备按系统划分，微机监控系统的主要设备有上位机、可编程控制器、控制设备、测量仪表;视频监视系统的主要设备有数字硬盘录像机、视频矩阵、监视器、前端摄像设备。灰尘和电源系统的供电质量是影响计算机设备正常可靠运行的两个因素。监控计算机应根据情况不定期进行除尘;机箱内部的各种板卡、卡槽和风扇等设备处的积尘会引起板卡接触不良或风扇散热效率低等故障或异常，需要及时除尘清洁;电源系统的供电质量直接影响着监控计算机运行的稳定性，UPS设备应定期进行充放电操作;对可编程控制器的维护除了除尘外，还应包括对信号电缆连接部位进行检查，CPU内置电池失效时应及时进行更换等;设备的运(转)动部位应定期加注润滑油脂，以保证其动作灵活可靠;测量仪表的维护除保持仪表表面清洁外，还应检查信号线缆连接处是否有灰尘或者锈蚀氧化等现象，以保证测量值准确传输;视频矩阵设备在除尘的同时也应对信号线缆连接处等部位进行检查紧固。前端摄像设备的维护包括云台和摄像机两部分，云台维护主要是去除表面杂物污渍，在转动部位加注润滑油脂;摄像机维护主要是镜头清洁和信号线缆接头部位的检查。

4.5 编制管理规定和出台标准规范

为了让自动化系统充分发挥作用，研究出台了《水利工程自动化系统建设管理指导意见》、《水利工程自动化系统建设管理办法》、《水利工程自动化系统运行管理办法》、《水利工程自动化维修养护定额》，着手研究编写了《水利工程自动化系统检测规范》、《水利工程自动化系统验收规范》等标准，对自动化项目审批、设计、建设、管理进行了约束，也为管理部门的人员、经费等落实提供了依据。制定有关技术标准，对传感器信号、硬件接口、数据库格式、软件接口等进行规范统一，以保证技术通用性强，方便维护，也便于系统的整合和数据共享。

4.6 增强兼容性，上层软件与硬件设备统一化

加强对系统硬件设备选型和软件功能的前期认证，强调实用性、可靠性和通用性，对主要设备选型实行准入制。方案设计阶段，有关部门制定硬件设备接口，上层软件进行统一化要求，增强系统的兼容性。