气盾坝综合自动化系统设计探讨

□马 勇（贵州省水利水电勘测设计研究院）

1 概述

南明河(红岩桥～叶家庄河段)是渔安安井片区的主要城市河道，承担着渔安安井片区城市景观、泄洪排涝等多种功能。身为城市河流的南明河是渔安安井片区重要的景观水道，西岸结合水东路实施人工驳岸，布置游乐城、商业街、餐饮街、文化娱乐等功能空间；东岸设置自然式或混合式驳岸，布置温泉度假、滨河绿地、商务酒店等功能空间，形成“水-街交融，水-绿结合”的注满活力与生机的滨水开放休闲绿带。

为发挥依山面水的环境优势，通过良好的功能组织和城市形态设计积聚人气，同时，提升南明河(红岩桥～叶家庄河段)管理手段，加强日常业务管理，对主要监控闸门进行实时在线监视和控制，建立南明河(红岩桥～叶家庄河段)河流管理信息系统，实现南明河(红岩桥～叶家庄河段)管理的信息化、科学化，为今后南明河(红岩桥～叶家庄河段)远期管理、渔安安井片区休闲旅游产业开发提供基础数据和信息技术支撑。

2 设计思路

工程集控系统按“无人值班，少人值守”的运行方式设计，计算机监控系统采用符合国际标准的、开放的、分层分布式的系统结构。

工程新建四座气动盾形闸门景观坝，每一座景观坝均分别设有现地控制单元。根据每座景观坝的地理位置，考虑在2#景观坝新建一座集中监控室，布置主控级单元中控层于该控制室，并通过光纤以太网实现对1#、3#、4#景观坝现地控制单元的远方监控。

3 计算机监控系统

3.1 闸站集控中心

3.1.1 系统结构

闸站集控中心监控设备主要包括1 台100M 工业以太网交换机、两台操作员工作站、1 台A4 打印机、UPS 电源、GPS 时钟等设备。闸站集控中心将采集到的各闸站的数据信息加以处理、储存、显示，以此来了解各闸站的运行情况及水位等情况，并控制各闸站的运行。闸站群监控中心可对下属各闸站下达控制命令和全局数据，在中控模式时能直接操作现场设备。

操作员站通过与工业以太网交换机相连，实现对各种设备的运行数据的信息采集和实时控制，包括安全监视、控制操作等；并对历史数据进行处理，包括运行报表、设备档案、运行参数等。同时预留与上级的网络接口及软件数据接口。在闸站集控中心设一套马赛克模拟屏设备，模拟屏将在群闸的地图上形象地显示每个闸站重要数据。

3.1.2 系统功能

3.1.2.1 数据采集和处理

闸站集控中心可实时采集各闸站的电气量和非电气量，包括模拟量、开关量和脉冲量。其中开关量包括各种状态量、故障量和事故量。闸站集控中心可采集各闸站的重要模拟量的历史和实时信息量，进行变化趋势分析并形成曲线表示。

3.1.2.2 运行监视

闸站集控中心计算机监控系统可以实现对所有闸站的机电设备（如闸门、其附属设备等）的运行数据进行监视。运行监视分为状态监视、趋势和越限监视、过程监视、计算机监控系统内部运行及设备的故障监视。闸站集控中心的监视方式包括系统对各闸站运行的自动监视和由闸站群监控中心值班人员通过各种人机接口设备对运行的监视。

3.1.2.3 实时控制

闸站集控中心操作人员通过控制台上的计算机键盘、鼠标向各闸站LCU 下达控制命令，实现对闸门和配电设备的控制。控制包括以下内容：①对闸门的正常开启和关闭、事故紧急停机的控制。②闸站根据水位变化的要求进行自动控制，满足排灌要求。

3.1.2.4 事故处理和控制

事故处理和控制是指在非正常紧急情况下（如事故停电）按预定程序进行事故处理的自动控制与调节。

3.1.2.5 人机联系

通过显示器、键盘、打印机、语音报警装置、模拟屏等设备进行人机联系，使值班工作人员对生产过程进行安全监控、管理，以及进行监控系统的内部测试，数值设定，程序开发、修改。

3.1.2.6 通信功能

监控中心计算机监控系统采用以太网通讯，提高通信网络的安全性、可靠性和可用性。在闸站群监控中心通信网络中，所有服务器和各工作站间通信都采用TCP/IP 协议通信，进行数据的100M 高速交换和存储以及各种操作和控制。

闸站群监控中心监控系统通过通信网络的光缆实现与闸（站）连接通信（物理上是星形连接）。实现闸站群监控中心对各闸（站）的信息采集、调度、控制、管理。

3.1.2.7 系统诊断功能

计算机监控系统能提供系统硬件设备故障诊断和软件故障诊断。

3.2 闸站现地控制层(LCU)

3.2.1 系统结构

在四级景观坝闸站均各配置一套现地控制单元，现地控制单元相互独立，现地控制单元通过以太网口、光纤通信介质等完成与中控层计算机连网，实现数据交换，但其功能并不依赖于中控层控制。现地控制单元用于闸门的控制及其状态显示、采集。现地控制单元以PLC 为基础，并具有过程输入/输出，数据处理和外部通信功能。PLC 在脱离中控层及网络后，能对所控制的闸门进行正确、无误的操作。PLC 具有自诊断功能，检出的错误信息能在就地LCU 屏的LCD 上显示出来。PLC 在完成所要求的功能外，预留有20%的硬件裕量，包括过程信号输入/输出容量、内存容量等。

3.2.2 控制方式

3.2.2.1 手动

当开关置于“手动”时，操作人员可在现地手动操作，即通过控制箱上的闸门启、闭、停三个操作按钮，控制闸门的开启和关闭。此时通过触摸屏或工作站不能控制闸门。

3.2.2.2 自动

当切换开关位于自动位置，操作人员可在现地触摸屏或远程通过工作站控制机组的启停和闸门的开启与关闭。

4 视频监视系统

4.1 监视对象

视频监控对象主要包括中控室、闸门、水位及周边环境等。

4.2 系统结构

视频图像监视系统由高清网络摄像机、硬盘录像机、传输线路、显示及控制等部分组成，用于监视每个闸站及周边安防、闸门启闭室内的设备、阀室、水位以及中控室和周边共由18 台摄像系统组成。

视频监控系统高清网络摄像机采集到的视频图像以数字信号、光纤以太网传输方式传输到中控室进行监控并存储，在中控室设置视频工作站进行控制和存储，硬盘录像机进行存储。管理人员可实现权限范围内的图像查看调阅、摄像机控制等功能，以实现对水位、闸门及周边安全环境等主要设备场所的实时监控。

5 大屏幕显示系统

根据系统设计原则，以系统的合理性、先进性、可靠性、实用性和可扩展性为原则，在监控中心配置一套液晶拼接大屏幕显示系统，将各系统得到的计算机图像、文字和视频信号等信息，通过大屏幕显示系统进行集中显示，在实时数据监测、引水调度、辅助决策等方面将起到重要的作用。

6 信息化管理系统

信息化管理系统是运用当代先进的计算机和应用软件技术，以数据采集、数据传输为基础，以业务流程为主线，以安全、科学的利用数据为目的，通过数学模型、自动监测、地理信息系统等技术手段，构建先进的水利信息化系统，为南明河(红岩桥～叶家庄河段)信息管理及其业务应用提供技术支持，为主管部门决策拍板提供有力手段，为社会公众参与南明河(红岩桥～叶家庄河段)的保护、治理、改善和监管提供便捷窗口。

7 建设原则

7.1 先进性和实用性相结合

根据信息化的发展趋势，立足于高起点，并充分考虑到将来可能的发展，要为今后系统的升级与扩展留有充分的余地，同时，还要保证系统实用性，要充分考虑所采用技术的成熟与稳定，结合IT 及信息化技术发展速度，适度超前即可。

7.2 开放性和标准化的原则

信息技术在飞速发展，同时业务需求也会不断变化，因此，数据存储与管理系统的建设是一个不断完善、不断进步的过程，从设计和技术上保证系统的开放性，使系统能够很容易地适应信息技术的发展和新的应用系统的建设。标准化建设包括数据定义、数据描述和表示方式等内容的标准化，这也是保证系统开放性的关键。

7.3 以需求为导向，为业务应用服务

以南明河(红岩桥～叶家庄河段)水利业务应用建设需求为导向，本着全方位满足业务应用需求的原则开展工作，统筹考虑，协调发展。

8 结语

该工程涉及水文、工程地质、工程建筑物、机电及金属结构、淹没、征地移民、环境影响、水土保持、防汛抗旱等涵盖建设期、运行期方方面面的管理及信息利用，采用现代信息技术能够更加快捷和有效实施各环节的信息互通，提高工程建设与运行的管理水平，实现工程建设与运行信息化。

[1]李霞.黔中水利枢纽一期工程综合自动化系统设计研讨[J].机电信息，2010（12）.

[2]冯倩.黄家湾水利枢纽工程综合自动化系统设计探讨[S].河南水利与南水北调，2014（10）.