平湖市农村圩区自动化控制系统的应用

李钊宝 ，胡正松 ，周国权 ，陆乙君 ，岑恩杰 ，胡静雅 ，孙守松 ，张 峰

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；5.平湖市农村水利管理站，浙江 平湖 314200 ）

1 问题的提出

农村圩区内水系众多，有大量的闸门和泵组等防汛排涝设备，传统的操作模式为手动操作，需要投入大量的人力和物力进行管理。随着科学技术的发展，利用自动化控制技术建立统一的现代化调度中心和报警系统[1]在防汛调度中发挥了巨大作用[2]，取得良好的经济效益和社会效益。水利信息化发展十三五规划中要求大力推进水利自动化系统建设。2016年，浙江省政府印发《全面推行水利工程标准化管理的意见》[3]，要求依托和整合现有水利信息资源，建立水利工程标准化管理运行管理平台；同时《浙江省圩区工程运行管理规程（试行）》信息化管理中建议采用自动化监测和视频监控等信息化技术逐步建立满足圩区管理工作的软、硬件平台；浙江省《圩区工程标准化管理验收标准》“信息化管理”要求：①建立运行管理平台；②水雨情实现自动监测；③对重要区域进行视频监控。

平湖市目前有24个农村圩区投入运行，400多座河口建筑（水闸、泵站）物，需要配备大量的操作人员进行手动操作，存在启动时间长、效率低、人力成本高以及安全隐患等问题。作为水利工程标准化管理的试点城市，平湖市积极开展农村圩区的信息化建设，目前全市已建成24个农村圩区405座河口建筑物的自动控制系统。通过运用现代信息技术，实现大规模闸、泵站集群设备远程自动化操作、信息数据的实时在线监测[4]和防汛调度的统一指挥[5]，全面提升圩区管理的工作效率和效能。

2 平湖市农村圩区自动化控制系统介绍

2.1 系统结构

平湖市农村圩区自动化控制系统采用分层分布式结构，系统功能分级、设备分布布置，通过光纤网络实现监测、调度数据的传输（见图1）。整个自动化系统分为调度层和现地控制层[6]，调度层为中控室机房，设在圩区管理中心；现地控制层设在各个闸站、单闸和泵站，可实现水闸、泵组机电设备的综合控制，以及现地电气设备的数据采集。农村圩区自动化控制系统包括计算机监控系统、视频监视系统、闸门锁定控制系统、润滑水系统、水位监测系统、语音广播系统以及中控室机房建设和网络系统等，各子系统在结构上相互独立，功能上相互补充，构成一套完整而先进的控制系统。2.1.1 计算机监控系统

图1 系统架构图

计算机监控系统主要是指通过计算机、PLC、网络、闸位计（开度仪）、行程限位器、水位计、上位机软件等实现各闸门、泵组的工况信息采集及远程控制[7]。各闸门、泵组的工况信息经LCU柜采集，通过光纤网络同步上传至中控室机房，中控室机房的工控软件实时显示各闸、泵站工况、水位等信息，并在上位机软件中选择任一闸站，输入相关指令即可对闸、泵站（闸门或者泵组）进行远程调度管理。

闸门的远程控制是农村圩区计算机监控系统最重要的部分。本系统的闸门（卷扬式）远程控制采用流程化操作模式（应急状态下可启用应急模式）。远程操控前确认现场设备状态是否正常，不管是选择闸门上升或下降，首先开启广播和润滑水，通过视频确认安全后才能启动闸门。操作人员根据流程设置的步骤控制闸门的上升或下降，直至到锁定位或者全关位。

计算机监控系统还包括对泵组的控制，通过实时监测的水位数据，控制圩区内的水位。当水位高过预警水位时，上位机发出高水位语音报警提示，操作人员可手动启动泵组排水。当水位降至设置的低水位时，上位机发出持续的低水位报警提示，操作人员可手动停止泵组，当水位降至超低水位时，上位机启动泵组保护机制，自动关闭泵组，保证泵组的安全。

为保证闸门的运行安全分别设置了多道保护措施，如行程限位器（远程指示限位器和现地回路限位器分开设置）、闸位仪（包括闸位仪内置限位和闸位仪数据）、远程脱扣保护、紧急断电（上位机）等。通过软件在重要位置如锁定位、上限位和下限位设置自动脱扣保护，到达相应位置后3 s内闸门还继续动作（主要指交流接触器粘牢无法脱开的情况），自动进行断电操作。最大程度上保证闸门控制的安全性。

2.1.2 视频监视系统

通过安装在各闸、泵站的摄像机实现对启闭机房、闸门运行情况、上游水面、下游水面、现地控制室、闸门锁定装置等重要场所及设备的实时监视。

按照操作规程，在远程操控闸门、泵组前先对该闸、泵站的周边环境和上下游状况进行视频确认，在确认周围环境安全的前提下，进行远程操控。闸门和泵组以及锁定电机远程启动时，通过视频系统实时观察其运行状态，防止发生意外，确保周边人员及设备的安全。

2.1.3 闸门锁定控制系统（卷扬式启闭机）

闸门处于全开状态时，需要将闸门搁在搁门器上，一方面减少钢丝绳的受力，延长钢丝绳使用寿命，另一方面保证闸门的稳定性，在水闸有人、船通行时，保证安全。闸门锁定控制系统是通过对搁门器进行远程控制改造，增加电动推杆，实现远程控制搁门器的投入与退出，降低人工劳动强度及劳动危险性，提高运行效率。

2.1.4 闸门润滑水系统

以河道水作为润滑剂，利用配水管网将水喷淋到止水橡皮与闸门门槽接触处，使橡皮摩擦面处于有水润滑状态，减小摩擦，降低磨损，达到延长使用寿命的目的。同时在引水管前端加装防护装置，防止杂草杂物进入，保证系统的可靠性和安全性。

2.1.5 水位监测系统

根据圩区管理要求，在特定的点位安装水位监测系统。实时测量水位信息并上传，系统将水文数据存储在运营商机房的服务器内，供后期查询。管理人员根据水位信息对圩区内的闸门和泵组进行调度。

2.1.6 语音广播系统

在农村圩区的闸站、单闸和涵闸设置语音扩声设备，在中控室内布置语音话筒，对工程上下游现场人员和危险动作人员喊话预警。

2.1.7 中控室机房

中控室机房是圩区管理中心的一个综合性圩区主控中心，中控室机房配置管理工作站、移动工作站、交换机、视频综合平台、网络键盘、在线式UPS电源、控制台、激光打印机、大屏显示系统等，在网络运营商云机房布置数据库服务器和磁盘阵列等。

2.1.8 网络系统

网络系统实现中控室机房、圩区内各监控站点以及市水利局的互联互通，保证数据、视频等各类信息及时、安全和准确地传输。网络系统采用全光纤网络，满足高清视频监控带宽要求高的需求。

2.2 系统特点

（1）提高响应速度。以圩区10座水闸为例，现地操作模式时，1组人员到现场逐个关闭闸门、开启泵组，投入运行需3 h。采用自动化系统，工作人员接到运行指令后，通过电脑远程操作，仅需30 min即可使工程投入运行，提高了圩区工程运行效率，可节省5/6的操作时间，提高效率83%。

（2）减少安全隐患。自动化控制系统避免工作人员直接在风雨中奔波作业。同时，采用流程化操作，避免误操作带来的安全隐患，系统具备故障提醒等功能，能够及时准确地帮助检修人员排除设备故障，保障运行安全。通过视频系统和语音广播实时监测闸站周围环境，保证闸门运行时周边人员和设备的安全。

各乡镇农村圩区的网络系统为专网，由于上级单位需要及时掌握各个圩区的运行情况以便进行远程调度指挥，各乡镇圩区的数据需要通过公网接入至上级单位，圩区运行数据通过串口服务器实行单向传输，保证网络数据的安全性。

（3）实现市级防汛统一调度指挥和数据共享。系统实时掌握运行中的内外河水位、设备开关等情况，数据自动采集和分析处理后，通过互联网传输到市防汛指挥部，方便实时了解圩区运行情况，实现统一调度指挥。

3 农村圩区自动化控制系统运行现状分析

自动化控制系统的应用改善了圩区管理工作的环境和质量，大大提高工作效率，但是在应用过程中由于现场环境、设备操作和机电设备等原因导致系统运行异常。通过对新埭镇6个圩区98座闸站、广陈镇7个圩区84座闸站自动化系统试运行6个月的情况统计，主要设备5 850个，发生故障119次，故障率约为2.00%（见表1）。

表1 圩区自动化系统运行情况统计表

续表1

导致故障的原因主要有系统运行环境、系统操作、安装及系统调试和设备质量4个方面：①防雷接地、原控制线路（元器件）老化、市电不稳和施工挖断光纤网络等外部环境原因引起的系统掉电、设备损坏或者断网等。②操作人员不熟悉自动化系统或者不遵循操作流程。③设备安装或者调试时未能发现的隐性缺陷。系统长时间运行后或者遇到特殊天气时导致系统运行出现异常。④采购或者定做的设备及构配件自身的质量缺陷。

3.1 稳定性分析

从各子系统看，计算机监控系统故障数占总故障数的39.49%。其中57.45%的故障为环境因素导致。闸门锁定控制系统出现故障的原因多为操作原因，闸门润滑水系统和中控机房的故障多为安装及调试原因，语音广播系统的故障多为设备质量问题，水位监测系统和网络系统的故障大部分是由环境原因导致。

北张店流域位于山西省长治市中西部，屯留县与沁县的交界处，地理位置为东经112°26′～112°37′，北纬36°15′～36°32′，最高海拔1 544 m，最低海拔976 m，平均海拔1 276.5 m，流域总面积270 km2。区域内地势北西南三面高、东部及中部低，水流由北西南向中部汇集，向东出境[12]。

安装系统调试原因导致的故障在试运行期间进行纠正和完善，比如对中控机房上位机软件试运行时发现的漏洞及问题及时进行修正，为可消除故障。

设备操作原因大部分因系统操作不熟练引起，经过对操作人员的进一步培训和随着操作人员对系统的熟悉，该因素导致的故障大大降低。对试运行过程中发现的个别设备的质量问题，及时进行更换或者整改，目前暂未发现较大的质量问题。

由于农村圩区的现场环境的特殊性，现场容易出现断电、雷击、原设备老化等问题，现场环境也是导致自动化系统出现异常的主要因素。目前各个乡镇逐渐配备专业维护养护人员或者聘用第三方维养单位，有些乡镇专门聘请专业公司检测完善各闸、泵站的防雷接地，现场运行环境有较大改善。

3.2 经济性分析

按照《浙江省水利工程管理定岗定员标准》闸门及启闭机运行岗位定员1 ～ 2人/座，同时按照《浙江省基层防汛防台体系规范化建设考核验收办法》，实行岗位责任告知制度和重要岗位A、B制。经初步测算，新埭镇和广陈镇13个农村圩区182座闸、泵站至少需配备182名运行操作人员（不包括圩区运行管理单位负责、技术负责、调度管理、工程检查、维修养护等岗位）。一方面，各镇街道专职圩区管理人员缺乏，远远不能满足圩区运行管理的要求。大部分采用外聘（或者兼职）操作人员的模式，这部分操作人员年龄结构偏大，操作知识和设备知识缺乏，人员流动性大。另一方面，圩区运行时气象状况一般比较恶劣，操作人员现场操作时存在较大安全隐患。采用自动化控制系统后，每个乡镇各配备6名圩区运行管理人员，2个乡镇13个圩区可减少操作人员170人，按3万元/(人 · a)计算，2个乡镇节约人力、管理等成本约510万元/a，大大减轻2个乡镇圩区运行管理的人力成本和管理负担。圩区自动化系统取得了较好的经济效益。

4 系统的改进及解决方案的探讨

在圩区自动化系统运行时，及时发现系统运行过程中的缺陷和不足，持续的进行系统优化。根据上位机软件的使用情况，不断地改善上位机的软件功能，使之功能更完善，运行更稳定。

圩区自动化系统虽然实现少人值守，达到节省人力、物力、财力的目的，但是自动化系统最终还得需要人的介入，自动化系统需要配备专业且认真负责的操作人员，同时需不断地提高操作人员的技术水平。

由于农村圩区自动化控制系统的复杂性，设备元器件数量大、种类多，故障是客观存在的。需要尽可能地保证其运行环境的可靠性，才能最大限度地降低故障率。

（1）改善各个闸站的防雷及接地系统，保证系统供电稳定，减少供电系统导致的异常。

（2）定期维护、保养闸门启闭机及泵组等设备，更换老化的线路及元器件。

（3）加强自动化系统的定期巡检以及检修维护，及时发现并消除系统缺陷。

（4）按照浙江省水利工程准化管理的要求，实行农村圩区的标准化管理，逐渐完善运行管理制度以及维养制度等。

5 结 语

自动化控制系统的应用改善了圩区管理工作的环境和质量，取得了较好的经济效益。但是在系统运行过程中由于现场环境、设备操作和安装调试等方面的原因导致自动化系统运行异常。本文通过对圩区自动化系统的介绍和分析影响自动化系统稳定性的因素，对农村圩区自动化系统的推广和建设以及后续的运行管理有一定的借鉴价值。