保沧干渠自动化系统框架设计

刘长征，耿海菊，王 楠，刘晓菁

（1.河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州 061000；2.河北海河工程技术有限公司，河北 沧州 061001；3.沧州市南水北调工程建设委员会办公室，河北 沧州061000）

1 工程概况

河北省南水北调配套工程保沧干渠是南水北调中线工程的重要组成部分，起点为曲阳县境内的中线总干渠中管头分水口，供水目标包括保定的曲阳、定州、定州产业园区、安国、博野、蠡县、高阳和沧州的肃宁、河间、献县、任丘、华北油田以及廊坊的文安、大城、大城工业园区，涉及12个县（市），共计15个供水目标。工程起点设计流量11.5m3/s，采用管道输水方式，线路全长约235km。整个工程建设了较为完善的自动化监控系统。

2 自动化系统总体框架

保沧干渠自动化系统由计算机监控系统、图像监视系统、管理信息及综合办公系统四个部分组成。计算机监控系统分为管理处远程计算机监控系统和现地站计算机监控系统两层，负责对所属现地站的供水泵、闸门、调流阀进行控制，将阀门、流量计、降压站、泵站内用电设备等运行状态信息送入干渠管理处监控中心。图像监视系统包括现地站视频监视系统和管理处监视中心远程视频系统两层，负责对各现地站需要监视的部位进行实时图像监视、存储，具有历史图像信息查询和回放功能，是实现工程安全运行和管理的辅助手段。管理信息系统包含水量调度系统、决策支持系统，主要功能为数据处理、调度、控制、管理等。干渠管理处监控中心设置综合办公系统。

3 计算机监控系统框架设计

计算机监控系统采用分层分布式结构，设置定州市管理处监控中心和由中管头渠首、定州水厂、定州园区、安国、博野、蠡县、肃宁、河间、高阳、大城分水口、蠡县调压井、任丘和文安泵站构成的现地站两层。监控中心完成整个工程的调水控制，现地站完成对现地各用电设备的控制。

3.1 监控中心

为满足全线监控系统的要求，管理处监控中心设置监控服务器、监控工作站。每个现地站的现地单元I/O信号均送管理处，实现远方控制。

（1）监控系统实时采集所辖区段现地站流量、闸/阀开度及电气设备运行工况存入数据库，为制定新的配水计划提供依据。

（2）根据调度运用原则和水量调度系统的命令，对机电设备进行现地集中程控或远方控制。

（3）运行工况监视。监视各现地控制站的软、硬件设备运行工况。所辖各闸/阀、水泵等机电设备运行情况及故障信息等数据的获取。

（4）动态画面监视。所辖设备故障报警画面；调水辖区电子地图；区域总调水量实时模拟图；自图像监视系统调取的所辖设备运行实时画面。

3.2 现地站

保沧干渠现地站层由中管头渠首、定州水厂、定州园区、安国、博野、蠡县、肃宁、河间、高阳、大城分水口、蠡县调压井、任丘和文安泵站构成，除配置现地手动控制系统外，还配置1面PLC控制屏和集中控制设备。集中控制设备布置在控制室内，设置监控工作站、UPS电源、打印机、报警及防雷设备等。现地控制级别高于远方控制，控制方式通过现地控制上切换开关转换。

4 图像监视系统框架设计

图像监视系统采用分层集中式系统，管理处远程视频监视中心布置在管理处控制室内，负责对整个工程进行实时图像监视、存储。现地站包括中管头渠首、定州水厂、定州园区、安国、博野、蠡县、肃宁、河间、高阳、大城分水口、蠡县调压井、任丘和文安泵站的图像监视，各现地站设置集中监视设备和现地监视设备。根据“统一调度，分级管理”的调度运行管理体制，监视中心、现地监视站均设有对现地设备的监视功能，其中监视中心有最高控制优先权，设置主控台，现地监视站设置分控台。

4.1 设备配置

4.1.1 监视中心

管理处监视中心设置监视工作站、视频服务器、视频存储矩阵、电视墙等设备，可实现各现地监视站及管理处视频信息的存储、显示及管理等。

4.1.2 现地监视站

现地监视站设置监视工作站、网络视频录像机等设备。在现地站设置若干监控点，监控阀门实际开关情况、分水口降压站的安防情况、各机电设备运行情况及机电设备的安防情况等。各现地站点图像通过视频电缆汇聚至现地站点控制室。通过监视工作站实现对各设备的统一管理，协调前端设备的访问。

图像监视系统利用自动化监控系统专用通信网的综合业务传输平台（MSTP），通过10M/100M以太网接口设备，进行远程传输。沿线各站点的视频图像信号经过编码转换成数字图像信号，经压缩后汇同控制信号通过该站以太网交换设备与专用通信网的10M/100M以太网接口设备互连，实现图像、数据信号远程传输。

4.2 管理信息系统

管理信息系统包含信息管理系统、水量调度系统、远程控制系统、工程管理系统。

4.2.1 信息管理系统

采集闸门、阀门、泵站、供电系统等信息，根据采集的数据信息，记录每个事件发生的时间和性质，进行各类有关参量的综合计算，生成各种监控管理、分析指导数据。进行纠错、整理、分类、存储等数据处理；并具有计算和统计、监视和报警、图形和报表。显示和打印等数据应用功能，更新实时数据库并存入历史数据库，对重要监视量进行变化趋势分析。

4.2.2 水量调度系统

4.2.2.1 制定计划

根据总干渠下达的本渠段的供水计划，协调所辖供水区各部门实际用水量，制定所辖地区各分水口日、周供水计划。

4.2.2.2 配水计算

根据本渠段供水计划、辖区内各地方的水量需求，计算辖区各分水口所需的调水量。

4.2.2.3 调度运行优化

积累调水运行经验，不断优化和完善调度运行模式，最大程度避免产生弃水。

4.2.3 远程控制系统

4.2.3.1 输水动态调节控制

据各分水口所需的调水量，计算出各闸/阀的过水流量、流速和输水时间，实时检测各站点流量、闸/阀开度及运行工况，进行动态闭环调节控制，完成所辖渠段的流量平衡控制。

4.2.3.2 紧急情况下的输水调节控制

一旦其中某个环节 （如某个阀门或管段）发生故障，应重新调整调水计划或关闭该段上下游侧闸/阀，进行紧急情况下的输水调节控制，避免损害管道或机电设备事故发生。发生重要故障及事故时有语音报警。

4.2.4 工程管理系统

（1）辖区设备运行报表汇总。

（2）辖区日、周、月、年调水量统计。

（3）数据库及图像资料库的管理与维护。

（4）核定辖区输水建筑物及机电设备维护计划。

（5）统计本工程用水需求量。

（6）网络安全管理。

5 结语

保沧干渠工程自动化监控系统的建立对保沧干渠自动化运行管理起到了重要作用，降低了故障率和缩短了运行故障反应时间。各监测站的数据采集处理设备可自动采集管道实时数据，信息传输到监测中心，可准确地找到出故障的地点，能在最短的时间内排除故障，从而实现了长距离管道输水的信息化、现代化。达到了长距离管道输水自动化和充分发挥其经济、社会、生态效益的目的，为长距离管道输水自动化技术奠定理论基础，为水资源可持续利用和人水和谐提供技术支撑。

［1］河北省水利水电第二设计研究院.河北省南水北调配套工程保沧干渠工程初步设计报告［R］.

［2］沧州市水利科学研究所.GPRS长距离管道输水实时监测系统研究技术报告［R］.

［3］廖常初.PLC编程及应用（第3版）［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］沈振元，叶芝慧.通信系统原理（第二版）［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

［5］刘美俊.西门子PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］西刹子.智能网络视频监控技术详解与实践 ［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［7］施仁.自动化仪表与过程控制（第5版）［M］.北京： 电子工业出版社，2011.