通榆河北延送水工程自动化系统设计与实现

刘雪芹，刘新泉，梁云辉

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225217)

通榆河北延送水工程连云港境内涵闸工程全长71.2km，主要分布在连云港市灌南县、灌云县、新浦区、海州区和赣榆县境内，工程由新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、东门河节制闸、界圩河节制闸、车轴河节制闸、善北套闸、穿善后河地涵、穿蔷薇河地涵、太平庄闸、灌河北泵站、善后河南泵站、青口河控制闸和青口河引水闸等13个工程组成，主要作用是解决连云港港口及临港产业发展用水，提高连云港市供水保证率，保证河道通航水位，并且具备调度排涝等功能。

通榆河北延送水工程连云港境内涵闸工程供水范围广，沿线泵站、节制闸、套闸和地涵众多，管理和调度难度较大。为保证通畅输水，合理配置水资源，充分发挥引供水工程的效益，建立一个综合自动化系统十分必要。

1 系统设计

综合自动化系统总体框架采用分层、分布、模块式体系结构，各层之间通过以太网或现场总线进行信息传输和资源共享，以便于软硬件的维护、扩展和升级。同时遵循公专结合原则，充分利用运营商和水利部门现有的通信网络及信息资源，避免重复建设。

综合自动化系统主要由计算机监控子系统、视频监视子系统和广播信号指挥子系统组成，系统构成如图1所示。

图1 综合自动化系统构成

计算机监控子系统完成对泵站主机与辅机、节制闸和套闸、地涵闸门的控制与调节；视频监视子系统主要通过摄像机、工业液晶显示大屏等设备，在控制室监视机组与闸门的运行状况；广播与信号指挥子系统通过扩音喇叭和交通信号灯等设备对船舶的过闸运行进行指挥和管理。几个子系统既相对独立，又有机结合，在对现场设备控制时，通过计算机监控子系统和视频子系统相互辅助完成设备控制，节制闸与套闸的最佳过闸方案又依赖广播与信号指挥系统的具体执行。

2 计算机监控子系统

连云港境内通榆河北延送水工程由2座泵站、4座地涵、6座节制闸、1座套闸共13座工程组成，工程按行政管理区域划分为3部分，即灌云县送水工程区域、连云港市送水工程区域和赣榆县送水工程区域3部分。在连云港市建立连云港市通榆河北延送水工程调度管理控制中心，在灌云县送水工程区域、连云港市送水工程区域和赣榆县送水工程区域3处建立控制分中心。系统整体结构如图2所示。

计算机监控子系统为分层分布开放式结构，分为3级，即集控中心、控制分中心和主控级。控制权相应分为3级，可以进行无扰动切换，系统越接近现地设备，控制权限越高。主控级的控制优先级别最高，控制分中心控制级别其次，集控中心的控制优先级别最低[1]。主控级除能迅速可靠、准确有效地完成对泵站主机与辅机、节制闸和套闸、地涵闸门的安全监视和控制，还要完成对整个监控系统的运行管理，包括数据存档、检索、运行报表生成打印和对外通信管理等[2]。

图2 系统结构图

计算机监控子系统由监控工作站、通信服务器、网络交换机、现地控制单元以及各类传感器等组成，实现数据采集与处理、运行监视和事故报警、控制与调节、数据通讯等功能。

上位机监控软件完成对机组与闸门的运行监控及管理，实时监测、采集各现地控制单元运行状态信号，完成机组与闸门、配电系统等设备运行的实时监视与远程控制；实现历史数据存档、归类、检索和管理功能，生成各类运行管理报表及打印。

现地控制单元配有彩色触摸屏，人机界面功能通过触摸屏实现，运行人员能通过触摸屏直接对机组和闸门进行操作[3]。现地控制单元的设计能保证当它与上位机系统通讯中断后仍然能实现对机组和闸门进行必要的监视和控制，能够监控主机与辅机系统的启停、闸门的提升和降落、水位和开度、荷重的采集、配电设备的运行状况及其他相关设备运行参数，当其与上位机恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理[4]。

控制分中心通过网络与下辖各主控级链接，实现信息采集与调度指令的下发，实现远程控制，同时将机组与闸门的运行状态、参数等上传给集控中心。

主控级计算机监控子系统设在各闸站、泵站的控制室，配置监控工作站、数据服务器、通信服务器以及网络交换机等设备。监控工作站通过交换机同PLC通信实现对机组、辅机系统、闸门、配电系统等现地设备的监控及运行信息和数据的采集(如机组电量、温度参数、闸门开度、荷重、水位、流量、压力等运行参数)；数据服务器用于存储历史数据；通信服务器用于同分中心通信将机组、辅机系统、闸门的实时运行信息与数据上传至控制分中心[5]。

主控级系统结构如图3所示。

图3 主控级系统结构图

3 视频监视子系统

视频监视系统主要通过摄像机、监视器以及显示大屏等设备对机组与闸门、辅机及配电系统的运行状况进行监视。在上下游、主厂房、启闭机房、设备间等重要部位设置摄像机，前端摄像机采集的视频信号通过交换机等网络通讯设备传输至硬盘录像机，在中控室的监视器上分别以单画面、4画面、16画面等多种显示模式显示出来，同时将视频信息输出至显示大屏做细致监控。对于设置在现地的任意一路活动摄像机，在中控室可以通过控制键盘遥控操作活动摄像机的云台转动及变焦，从而对现场设备进行全方位、更细致的监控。

系统可在无人值班的情况下正常工作，避免因人为疏忽导致系统不能正常运行情况的发生。系统可在多路视频同时显示情况下，同时进行实时录像与多路现场同步录音，同时能够保证录像资料回放时不丢帧。

4 广播与信号指挥子系统

节制闸和套闸具有船舶通航要求。广播系统由定压功放、前置放大器、手持无线话筒和扬声器等设备组成，信号指挥系统由布置于上、下游和闸室内的交通信号灯组成，两者作为通航时组织和指挥船舶过闸之用。调度员根据收费调度系统制定出最佳过闸方案，进行船舶登记、过闸费征收及票据管理、船舶调度等业务工作，交通信号灯根据上行和下行规则自动设定进出闸信号和停止信号，指挥员通过话筒指挥相关船舶有序进闸、出闸，并在船舶进出闸过程中通过视频画面进行跟踪实时监视，指导船舶通行[6]。

5 分中心建设

分中心按照行政管理区域划分为3个，即灌云县送水工程分中心、连云港市送水工程分中心和赣榆县送水工程分中心。灌云县分中心采集东门河节制闸、车轴河节制闸、界圩河节制闸的数据和图像，该分中心设在东门河闸控制室；连云港市分中心采集新沂河南堤涵洞、新沂河北堤涵洞、善北套闸、穿善后河地涵、穿蔷薇河地涵、太平庄闸、灌河北泵站、善后河南泵站的数据和图像，该分中心设在善北套闸控制室；赣榆县分中心采集青口河控制闸和青口河引水闸的数据和图像，该分中心设在青口河闸控制室。

分中心配置监控工作站、数据服务器和数据通信服务器，分中心计算机监控系统通过监控工作站与辖区内主控站的通信服务器进行通讯，实时监测、采集各现地控制单元运行状态信号，完成对机组、闸门等设备运行的实时远程监控；通过数据服务器实现历史数据存档、归类、检索和管理功能，生成各类运行管理报表及打印。分中心的设计能保证当一部分主控站与分中心监控工作站通讯中断后仍然能实现对通讯正常的主控站进行监视和控制功能。

各分中心通信服务器同集控中心经网络防火墙通过水利专网将分中心采集到的现场设备运行参数上送至集控中心将机组、辅机系统、闸门的实时运行信息与数据上传至集控中心，从而实现各分中心的信息上送。

6 集控中心建设

集控中心采集灌云县分中心、连云港市分中心和赣榆县分中心的数据和图像，该集控中心设在连云港市通榆河北延送水工程管理处。

集控中心配置Web服务器和监控工作站、视频综合管理平台；监控工作站同辖区内分中心的通信服务器通讯，采集各分中心的实时数据，通过Web服务器发布功能将采集到的现地各站点信息发布至水利专网，视频综合管理平台同各分中心视频管理平台进行通讯采集各站点重要部位的视频信息，并将该视频信息发布至水利专网；计算机和视频监控子系统两者有机结合，供管理处各科室工作人员通过IE浏览器获取各站点运行工况和视频图像信息；主控级、分中心级与集控中心级组网结构如图4所示(以连云港市为例)。

图4 系统组网结构图

系统组网采用公专相结合的组网方式，距离较远时传输方式采用向电信租赁10M带宽方式，设有1个固定IP地址的网络结点，距离较近时采用自建光纤组网方式。泵站、节制闸和地涵监控系统通过租赁水利专网和自建光纤网把各自数据上传至善北套闸分中心，经该分中心监控工作站整合后接入善北套闸分中心网络交换机，分中心配置一套网络防火墙，再通过水利专网与连云港市集控中心相连接，实现下辖各工程站点机组与闸门的远程监控和监视功能。

7 结语

连云港境内泵站与涵闸工程是通榆河北延送水工程的重要组成部分，其自动化系统监控对象包括了沿线众多工程的机组、闸门及电气设备，设备数量与种类多、沿线距离长、控制范围广，因此要求系统性能必须更加安全、可靠。系统在保证可靠实用、易扩充的前提下，完全按照分层分布式结构进行设计和建设，按集控中心、控制分中心与主控级三级进行组网，经过近5年不间断运行，实践证明该系统达到了技术先进、结构合理、功能完善的要求。

通榆河北延送水工程综合自动化系统的建立大幅度减少了供水风险，提高了供水工程的效益，提高水资源利用、配置、节约和保护的水平，系统在通榆河北延送水工程中发挥了巨大的作用。

[1] 罗秀卿, 潘世虎, 刘清文. 淮安枢纽计算机监控系统[J]. 水利规划与设计, 2005(01).

[2] 骆伟明, 吴迪. 青溪水电厂闸门监控系统改造[J]. 水电自动化与大坝监测, 2008, 32(03): 77- 80.

[3] 徐进军, 邱春华. 大田河(落生、大地)梯级水电站计算机监控系统设计的特点[M]. 北京: 水利规划与设计, 2008(04).

[4] 黄干祥. 杜家台分洪闸控制系统改造和远程监控设计[J]. 水利规划与设计, 2014(06).

[5] 童顒, 徐青. 通信管理装置在泵站计算机监控系统中的应用[J]. 水电自动化与大坝监测, 2008, 32(01): 78- 80.

[6] 刘雪芹, 刘新泉, 姚怀柱, 等. 三河船闸计算机监控系统设计与应用[J]. 江苏水利, 2012(08): 30- 31.