瓯飞一期北片围垦工程闸门群计算机集控系统

邢 则，王子晴，林 晶

（温州市瓯飞经济开发投资有限公司，浙江 温州 325000）

1 引言

温州瓯飞滩涂地处浙东南沿海，属于瓯江河口和飞云江河口外区域，距温州市中心仅40 km。南、北边界分别是飞云江及瓯江河口边界的外延线，东至洞头区的霓屿岛和瑞安市的凤凰岛连接线。 温州瓯飞一期围垦工程（北片）位于瓯飞滩区域高滩区域范围，围涂区域面积6.64万亩，海堤堤线总长23.369 km，北堤4.30 km，东堤16.03 km，2号隔堤3.039 km，共设置北1号、北2号、东1号、西河堤排涝站4座水闸。本研究建设一套闸门群计算机集控系统，包括北1号（设工作闸门10扇）、北2号（设工作闸门6扇、通航孔工作闸门1扇）、东1号（设工作闸门3扇）、西河堤排涝站（设工作闸门7扇）共4座水闸，并为其他3座水闸的后期自动化接入预留接口余量[1]。

2 总体框架

系统的构架采用了“分级管理、中心集控”的模式，采用了分层分布开放式结构，系统设备与功能均按照分级、分层分布的结构进行部署。

计算机监控网络上的每个节点设备均有自己特定的功能，实现功能的分布。既保证某一设备故障只影响局部的功能，又便于今后功能的扩充。

调度中心平台软件应采用C/S架构，设置容错的I/O采集服务器、操作员工作站，I/O采集服务器直接读取计算机监控系统网络上所有现地控制设备现场采集的数据，保证数据采集的实时性和一致性，智慧管控平台的业务应用均取自于该容错服务器的数据源，确保数据收集的真实性和一致性。

系统按控制层次分成三级，设置“中心集控”“站控级”“现地级”三级，各级之间相互闭锁。系统的经常运行模式采用“中心集控”模式[2]，当骨干网络异常时，采用“站控级”单站控制模式。“现地级”作为调试以及应急使用。由于北1号和北2号间距100 m左右，计算机监控系统合并为1座水闸考虑，分级管理架构如图1所示。

图1 分级管理架构

（1）中心集控级

中心集控级设备布置于温州瓯飞围垦工程管理楼调度管理中心控制室内，由硬件设备部分和软件部分组成，硬件设备部分主要包括：容错的I/O采集服务器、操作员工作站、工程师/培训工作站、排涝调度仿真工作站、通信工作站、LED服务器、LED显示屏、打印机等；软件部分主要包括：操作系统软件、工控组态软件、数据库软件、业务应用软件等。两套操作员工作站采用冗余热备工作方式，可任选其中一台作操作运行，完成监控任务；另一台备用，同时可供监视用。

（2）站控级

站控级为独立完整的单闸站计算机监控系统，采用分层分布式结构，由站控级主控制层设备、控制软件、现地控制层设备及自动化元件（如水位计）等组成。

站控级系统具有相对独立性，它们能直接完成生产过程的实时数据采集及预处理、单元设备状态监视、调整和控制等功能。能对所管辖的生产过程进行完善的监控，它们经过输入、输出接口与生产过程相连，通过千兆计算机监控系统骨干网络与中心集控级交换信息[3]。

由于北1号和北2号间距有100 m左右，计算机监控系统合并为1座水闸考虑。

计算机监控子系统采用专用1 000 M光纤环网，4个闸站作为环网上的节点，北1号闸和北2号闸共用1 000 M光纤环网交换机外，东1号闸、西河堤水闸均单独配置1 000 M光纤环网交换机，且与调度中心1 000 M光纤环网交换机环接，将所采集的数据、信息上传至调度中心，并接受调度中心下发的控制指令。

站控级网络交换机通过设置VLAN，将计算机监控、水情监测、工程安全监测等不同业务划分为不同的虚拟网。调度中心设1台三层核心交换机，实现网间的三层数据交换。

3 站级计算机监控系统

3.1 北1号、北2号闸计算机监控系统

（1）主控制层设备

主控制层设备主要包括：2套操作员工作站、1套工程师工作站、1套通信工作站、1套LED服务器、1面网络设备屏、1套GPS（布置于网络设备屏内）、2台A3幅面黑白激光打印机、1张中控台等设备。上述主控设备布置于北1号、北2号闸控制室内。

①操作员工作站。操作员工作站功能包括对北1号闸、北2号闸的自动化控制系统的管理，数据库管理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。②工程师工作站。工程师工作站将承担单站调试和员工仿真培训工作，配置要求同调度管理中心工程师工作站。③通信工作站。该工作站将承担通信网关的作用，可以将其他智能设备所采集的现场信息汇总并通过骨干千兆网络上送调度中心。④网络设备屏。网络设备屏技术要求同调度管理中心网络设备屏。⑤GPS设置1套高精度的卫星同步时钟系统（GPS），它具有与卫星的标准时间同步的能力，对时装置通过以太网向各相连工作站和LCU发送对时信号，使各闸站主控制层和现地控制层同步。⑥打印机。配置2套网络型A3幅面黑白激光打印机。⑦中控台。中控台技术要求除长度为4.8 m外，其余同调度管理中心中控台。

（2）现地控制层设备

1号～16号工作闸门现地控制单元LCU 16套（对应北1号闸、北2号闸16扇工作闸门），活动钢桥现地控制单元LCU 2套，滤油系统现地控制单元LCU 1套，北2号闸通航孔现地控制单元LCU 1套，北2号闸通航孔现地控制单元LCU柜内包含PLC、触摸屏、交直流双供电源装置、出口继电器、空气开关、按钮、信号灯等。

（3）北2号闸通航孔广播系统及交通信号灯

北2号闸通航孔上、下游2侧均应装设交通信号灯及广播系统。

3.2 东1号闸计算机监控系统

（1）主控制层设备

设备配置及数量要求均同北1号、北2号闸主控制层设备。

（2）现地控制层设备

1号～3号工作闸门现地控制单元LCU 3套，公用设备现地控制单元LCU 1套，通航孔广播系统及交通信号灯。由于东1号闸有1孔工作闸有通航要求，故在此孔的上、下游2侧均装设交通信号灯及广播系统，设备配置及数量均同北2号闸通航孔广播系统及交通信号灯。

3.3 西河堤水闸计算机监控系统

（1）主控制层设备

设备配置及数量均同北1号闸、北2号闸主控制层设备。

（2）现地控制层设备

西河堤水闸设置1套公用设备现地控制单元，用于完成西河堤水闸7扇排涝闸门及配电装置等公用设备的监测、控制以及数据采集、处理，并完成与主控制层的数据通信。设备配置同北1号、北2号闸公用设备现地控制单元LCU[4]。

3.4 激光式水位计

本次4个闸站共设置12套激光式水位计，其中北1号闸、北2号闸、东1号闸、西河堤水闸上、下游侧各设置1套激光式水位计，共8套；北2号闸和东1号闸通航孔闸门上、下游侧各设置1套激光式水位计，共4套。

4 上位机集控系统

本次上位机集控系统采用了分布式实时客户机/服务器（C/S）结构，I/O服务器负责直接采集、处理和分发现场网络节点上的实时数据，操作员工作站（客户机）无须创建任何数据点便可直接进行远程访问、读写和组态数据库，服务器和客户机的数量不受限制。

组态软件采用面向监控与数据采集（SCADA）的软件平台工具。各闸站操作员工作站、调度管理中心操作员工作站、工程师/培训工作站、排涝调度仿真工作站选用国际流行的工控软件INTOUCH进行二次开发。

实时的历史数据库使用国际流行的实时工业历史数据库软件（OSI SOFTWARE公司的PI数据库）进行二次开发。

上位机集控应用软件采用模块化设计方法，功能软件模块或任务模块具有一定的完整性和独立性。

上位机集控系统的核心功能包括：

（1）排涝调度模型

根据汛期的气象预报以及不同时段的历史水文系列资料，预测水位的变化过程。建立了最优排涝策略的数学模型，通过计算机监控系统，调节各闸站闸门的启闭，加上优化调度，实现了闸站的最优运行[5]。

（2）排涝调度预案

系统软件增设专门的调度界面，在该界面中可以完成所有的调度操作，应包括：闸门的控制和设定等工作，并且该界面具有完善的提示和逻辑分析能力。根据用户的需要，用户可以将每一次排涝方案存储、命名并可以详细描述，为自动排涝提供基础。

（3）虚拟仿真预演及培训

为保证围垦工程安全可靠运行，对运行人员进行接近实际操作情况的培训，以减少各种人为操作事故的发生，基于实时仿真技术的数字物理混合仿真，建立虚拟仿真培训和预演系统。系统逼真地模拟人与设备实时交互功能，可视化展示各种运行工况的信息反馈。虚拟仿真培训、预演系统主要功能应包括开机操作流程仿真预演、关机操作流程仿真预演、应急处理仿真、误操作工况下的模拟预演等。

（4）智能运维

掌握设备数据，实现设备生命周期管理，结合移动应用的便捷性，构建一站式服务的智能运维系统。系统主要功能应包括自动化控制系统实时智能运营、关键绩效KPI指标、告警推送、视频预览、联动控制、电气设备巡查、历史故障库、专家知识库、两票三制等功能。通过移动终端与后台的实时交互，实现一站式运维服务[6]。

（5）多业务子系统联动

基于综合自动化控制系统与智慧管控平台的高度集成，基础数据得到高度共享，实现各业务子系统间的协同与联动功能。通过各业务子系统的协同与联动，应能实现各类信息智能分析，将各种关联结果进行可视化展示。

多业务子系统联动主要功能应包括计算机监控子系统、安全防范子系统、安全监测子系统等系统之间的联动控制。

（6）智慧管控平台WEBGIS功能的集成

以GIS地理信息平台为基础，结合各类水利要素的空间属性，与遥测站点的水雨情数据、视频监控图像等构建统一的实时显示平台。

实现基于GIS 平台的工情分布情况、工情信息查询、工情数据报表查询等服务；并且可按行政区划进行工情信息查询，系统显示限定辖区内容的工情站点及信息。在水利数据基础上，进一步完善围垦工程工情信息。

（7）数字孪生三维展示

结合三维虚拟与现实的特点，对围垦工程各类对象建立统一的工程编码体系，以此为基础构建工程对象树，并在此基础上建立三维模型与工程数据之间的对应关系，实现数字孪生三维模型实时监测数据的关联和同步。

三维展示应主要包括各闸站三维漫游预览、三维实时数据显示、自动化设备三维动画显示及控制操作等功能。

5 结束语

温州市瓯飞围垦工程（北片）闸门群计算机集控系统是行业内多个闸站集中控制的一种研究探索性尝试，虽然在运行过程中还有很多不如意的地方，但是系统运行总体稳定，性能基本可靠，基本满足了集中控制的要求。接下来需要进一步深化排涝调度模型研究、调度预案细化编制、三维数字孪生建设以及智能运维等模块。