瑞安环城河水系闸泵远程控制系统设计与实践

周忠育

（瑞安市水利综合管理中心，浙江 温州 325200）

1 引言

瑞安市环城河分属锦湖、玉海、安阳等三个街道,属于老城区，全长37.1 km，由西门河、沙河、西横河、西直河、高岗横河、牛伏岭河、周岙河、后垟河、龙池河、北濠河、东濠河、两面河、松涌河、丰湖河、山前河商城段、山前河十八家段等16条河流组成，还连接了进星河和小横山河，宽度一般在8～30 m之间，河网正常蓄水位85高程2.68 m，河道容积约37万m3。山区型溪流有愚溪、朱坑脚溪、西岙溪、西岙街头溪等4条。环城河的功能主要是城市防洪、排涝、景观和生态。汛期或台风季，环城河主要承受来自上游愚溪、横山和牛伏岭等山区来水，经环城河调蓄后，在西侧由红旗水闸（孔径4.0 m）排入飞云江，在南侧由商城排水闸（单孔0.8 m）排入飞云江，在东侧由益民水闸（2孔3.9 m）、十八家控制闸（单孔3.6 m）排入温瑞塘河。

环城河引水工程沿途，除河道外，有以下水闸及泵站。水闸均配备了螺杆式启闭机，设备设施现状如表1所示。

表1 水工建筑物原状表

2 总体设计

2.1 总体思路

针对江北水系管理单位的流域管理特性，结合实际调度需求，在设计上突出了空间全域性，形成了全域统一的管控框架。结合浙江省数字化改革的要求，考虑基层工作人员的技术水平，使系统具有“傻瓜型”的特点，既实用易学又易操作。考虑各个闸门泵站星罗棋布分布特点，但同时又上下游关联的调度特点，必须充分发挥调度中心集控联调的功能，使系统既具有安全性和可靠性，又具有共享性和开放性，既要保障集控联调的调水安全和工程安全，又要打破数据孤岛，采用集中与分布式相结合的系统，建立管理单位统一数据、统一工作平台，最大限度地避免信息孤岛、应用孤岛，大幅提升水利信息资源、功能应用共享水平[2]。

2.2 总体结构

根据环城河引水工程需求分析，结合系统设计思路，环城河引水工程自动化监控系统采用“33212”体系，即“3大感知控制、3网融合、2项数据服务、1套应用平台、2类支撑”。总体框架如图1所示。

图1 系统总体架构图

2.3 网络体系

系统采用专网、宽带网、局域网相结合的网络架构，硬件系统低端的传感器设备采用串口或网口进行数据对接，采用的协议包括模拟量转换协议、Modbus TCP协议、TCP/IP协议、Modbus RTU协议等，应对不同的场景采用不同数据格式和通信协议的设备[3]，提高了整个系统的容错率和适应性，系统整体的通信架构如图2所示。

图2 系统网络架构图

3 功能实现

闸泵的自动控制主要分为现场控制和远程控制二种功能，现场控制是操作者在启闭房对设备进行操作，远程控制主要是操作员通过远程手段对闸门水泵启闭设备进行操作；现场控制优先于远程控制，并能现场控制/远控切换。系统主要功能如下：

（1）数据采集与处理。①模拟量的采集与处理。对闸泵站电量参数、水闸闸位、上下游水位等电量和非电量进行周期采集并存入实时数据库中，可以实现越限报警。②开关量的采集与处理。对事故信号、各类故障信号、隔离开关位置信号、断路器分合及重要继电保护动作信号等开关量信号，采集存入实时数据库中，可以实现越限报警。③开关量输出。各类操作开关指令经光电隔离输出到执行器，执行动作。④信号量值及状态设定。闸门自动化监控系统允许人工设定分析处理信号量。

（2）运行监视和事件报警。对闸泵站主要设备的运行状态进行实时监视。参数量值可预先设定，实现参数越限报警并记录。定时扫查各故障状态信号，发现故障状态马上显示并记录, 周期不超过2 s。

（3）控制与调节。包括水闸闸门的升、降；泵组的开、停；各辅助设备电机的启动、停止等。

（4）其他功能。如记录功能、人机接口、画面显示、自诊断、第三方平台数据接入与共享等。

反应过程中苯酚的残余浓度随时间的变化情况如图3(a)所示。由该图可知，反应液中苯酚的浓度在反应开始后急剧下降，5 min后即可达到90%的去除率，30 min后反应达到平衡，说明制备的Fe3O4-C空心微球具有较高的催化活性。以ln(Ct/C0)对t作图，可得一条直线，见图3(b)，说明苯酚的催化氧化降解反应符合伪一级反应动力学[8]。

4 实践应用

4.1 系统实施

控制中心设在瑞安城区江北水系办公楼，该系统包括2台监控主机、1台运管平台主机、1台服务器、1套工业交换机、路由器、防火墙、1套视频监视系统包括1台视频监控主机，4台56寸显示屏等；12套PLC控制柜、44个摄像头分布各闸泵现地，出江闸、内河闸和泵站上下游配有超声波水位计18只；控制方式分就地手动控制和微机自动控制以及远方控制2种。主要部分功能如下：

（1）闸门自动化控制系统。对原有环城河水系11座闸站、1座泵站设备升级改造及自动化升级2个部分。对原有的手动离合启闭机进行改造，方便自动化控制系统建设。对所有启闭机进行改造，加装荷重传感器、开度编码器、限位开关等，确保水闸运行安全。每个水闸增加LCU控制屏柜，使得水闸具备远程控制的能力，将闸位、水位、荷重等信号接入LCU屏柜，实现控制中心对现场的远程数据采集和存储。

（2）视频监控系统。在水闸和泵站关键位置，建设高清球机和高清枪机，实现可视化远程控制闸泵。视频图像通过VPN网络接入调度中心进行统一存储，存储时间为30 d。

（3）通信网络。每个水闸接入50 M VPN网络，中心站接入200 M VPN，实现网络互通，并且留有后续其它设备增加的空间。

（4）控制台。在控制中心部署4台工作站，2台作为远程控制系统的上位机，实现互为冗余；1台作为管理工作站，负责日常管理；1台作为视频工作站，实现视频监管。配置1台安全网闸，实现控制网络与管理网络隔离。

（5）数据资源。建设综合数据库，完成数据收集与整理、数据汇聚，实现数据管理与数据服务，将工程的基本数据如视频、水位、闸位等纳入云平台进行统一管理。

（6）“一张图”调度决策平台。实现水雨情、工情、安全信息等水利工程可视化信息通过以地图、工程布置图等形式直观展现。

4.2 实践效果

瑞安环城河流域12闸远程监控系统自2019年建成投入运行以来，实现了瑞安环城河水系12闸泵站运行工况的远方监测、监视与控制，以及流域水情雨情的实时监测，为瑞安环城河综合整治工程的现代化管理、水环境自动化调度和控制提供一个完善的信息系统平台。极大地改善瑞安环城河水环境，保证瑞安环城河的水位和水环境，创造良好生活、人居环境，发挥显著的社会效益。

经过几年来的运行，性能稳定，基本实现对12座闸泵的监控（视），能够掌握瑞安环城河水系水情水质的变化规律，为改善瑞安环城河流域水环境提供有效的决策依据及调控手段，同时提高城市防洪排涝调度和管理水平。

5 结论

通过瑞安市环城河引水工程自动化监控系统的设计与实践，得出如下几点结论：

（1）系统采用了分布式结构，建立了一个多区域异地联闸联控自动化调度体系，将瑞安市区及周边乡镇的包括商城涵闸、益民水闸、白象泵站等共11座水闸和1座泵站等水利工程纳入系统中实现统一调度、统一控制，实现了在控制中心对水闸、泵站的远程控制。

（2）系统建设了一个联通各个闸站和管理中心的专线网络，为控制系统的稳定运行提供了安全的通道，同时系统仍留有余量，为未来进一步升级改造提供了空间。

（3）系统解决了原先技术员短缺、运行调度难、自动化水平低、现场反应不及时等缺点，解决了在台风天气、暴雨天气人员抵达现场不便的问题，提升了瑞安市在台汛期的防洪抗涝水平。

（4）系统通过多元异构数据如水位、工情、荷重、视频、地理等数据采集、结合双中台云端技术、GIS地理信息一张图技术、PLC自动化智能化技术、APP技术、信息平台技术、可视化技术等技术，再结合环城河标准化管理体系与工程运行三化管理模式，实现环河调度智慧化、远程控制智能化、异地运行可视化、多区运维现代化、全域管理闭环化的五化体系。

系统的建设是瑞安市环城河引水工程数字化改革的关键一步，从原来的“人工+手写”向 “计算机+无纸化”模式转变，使得工程的管理有更多方法、系统的调度效率更加高效。系统的建设为下一步瑞安市陶山平原以及其他河道工程的数字化改革奠定了基础。