长距离引水工程自动化控制系统应用研究——以天水市城区引洮供水工程为例

李 峰

(甘肃水投天水水务集团有限责任公司，甘肃 天水 741000)

随着物联网、大数据、智慧水利、数字孪生等技术的发展，如何充分利用新技术推进引调水工程运行管理数字化、网络化、智能化水平，已经成为当前水利工程信息化研究的热点[1]。特别是大型引调水工程，由于工程设施分散布局，运行管理风险点多面广，自动化控制系统对工程实现安全稳定运行、精准可靠管控、科学合理调度、节约资源成本起着非常重要的作用，通过自动化控制系统能够增强引调水工程的全域数据感知、险情预测预报、远程监测调度、科学决策和精准执行，大幅提高引调水工程的智能化管理水平，进而实现水资源的优化配置，实现少人值守、无人值守的运行管理机制，实现由经验管理到科学管理、规范管理、数字化、网络化、智能化的转变[2]。

1 工程概况

天水市城区引洮供水工程供水对象为天水市城区，设计引水流量2.1m3/s，为Ⅲ等中型工程。工程自引洮二期工程四干渠末端取水，经暗渠、隧洞、倒虹吸、压力管道输水至杨家湾调蓄水池，线路总长94.07km，其中暗渠4.31km，隧洞16.35km，倒虹吸2.97km，压力管道70.44km，调蓄水池1座155万m3。

工程线路长且地处黄土丘陵沟壑区，交通不便，各类水工建筑物种类繁多，有压管道输水压力高达4.5MPa，运行工况复杂多变，建立方便、可靠、高效、完善的自动化控制系统对工程安全稳定运行，实现少人、无人值守具有非常重要的意义。

2 自动化控制系统设计

根据工程实际运行工况和运行管理对自动化控制系统的需求，借鉴同类工程自动化控制系统建设的经验，采用先进可靠的技术手段，实现功能全面、运行可靠、维护简单的自动化控制功能。系统由基础支撑系统、现地测控系统，通信网络系统，一体化应用平台组成(见图1)。

图1 天水市城区引洮供水工程自动化控制系统总体框架

根据本工程的运行特点，为便于管理自动化控制系统采取纵向分层、横向分区的系统结构，采用三级管控模式。第一级为总调度中心级(城区调度中心)，可查看和控制一级、二级和三级的所有业务和数据；第二级为管理站级，根据工程实际运行需要设置了两个管理站(洛门管理站、秦州管理站)进行分段管控，可查看、控制二级和三级所有业务和数据；第三级为现地级，即工程沿线各类重要闸(阀)门的现地控制站点，可查看、控制三级所有业务和数据(见图2)。

图2 天水市城区引洮供水工程自动化控制系统纵向分层结构

3 自动化控制系统功能

天水市城区引洮供水工程自动化控制信息系统的功能主要包括供水管道流量、压力等水情信息监测；

供水管道各类工作阀(闸)门及其他设备工作状态的监测、控制；重要部位的视频图像远程采集与实时监控；工程整体二维GIS应用和展示；各类监测数据的综合展示与信息服务；通过运行过程中大量数据的采集、监测对比、统计分析，实现日常运行数据异常时的报警，大量运行数据变化规律的曲线图绘制，对总结研究阀门开启度操作和压力管道运行工况提供数据支撑，为提升运行管理水平提供参考。

3.1 阀(闸)门的监测、控制

工程前段14.91km主要由暗渠及隧洞组成，为无压流段，为隧洞检修方便，通过在隧洞进出口布置的螺杆式闸门来控制水流；工程压力管道段最大静水压力达4.5MPa，是工程安全稳定运行的关键部位，运行过程中对压力管道段的阀门开关进行精准控制，对流量、压力等数据的采集、传输、统计分析是自动机控制系统的重要功能。

3.1.1 各类数据采集与处理系统

在压力管道主要控制阀门站点配置现地PLC控制系统，通过现地控制单元实时自动采集所辖对象的各类阀门开度、管道实时流量、管道瞬时压力等数据。

3.1.2 阀(闸)门的控制与调节

阀(闸)门现地控制单元能够通过与阀(闸)门配套的PLC控制柜接受城区调度中心、洛门(秦州)管理站及阀(闸)门现地站三个层级的控制命令并调整阀(闸)门开启度，实现阀(闸)门设备在调度中心、管理站的远程开关控制和现地开关控制。

3.1.3 运行监视

通过现地控制单元上的显示屏、指示灯等，实时对该现地控制站现场阀门开度状态，管道实时流量、瞬时压力，电气设备的电压、电流等运行状态的监视，并将运行状态传输至监控系统，实现运行过程的远程监视。

3.1.4 安全保护

通过闸门现地PLC控制系统及智能传感器，实现闸门启闭警告，闸门启闭过程中过力矩、过电压等故障安全防护，以保证闸门的启闭安全。

3.2 视频监控系统

由于工程线路较长，各类水力机械设备分布于94.07km的线路上，通过自动化控制系统实现对现地各站点的管理站和调度中心两级视频监控，提高了工作效率，实现了少人、无人值守，大大降低了运行管理成本。

现场站点配置了前端网络摄像机、接入点交换机、运行管理中心核心交换机等设备，采集处理该站点管辖范围的闸室环境、各类水力机械设备工作状况、站点周边环境等监控视频图像，现地站点视频图像根据区域管理权限分别汇聚至二级管理站，再通过骨干传输系统及计算机网络系统将管辖范围各站点的视频图像传送至调度中心。既能为引水调度提供重要的决策依据，还能用于工程设施设备的安全防卫。

3.3 一体化应用系统

一体化应用系统是工程自动化控制系统的核心，以本工程压力管道运行工况特点为基础，综合借鉴其他类似工程自动化控制系统运行经验，运用当前先进可靠的自动化控制软件技术，建立以运行数据采集、传输、统计分析、判断为主线，以科学合理、安全稳定的水量调度为目标，通过数学模型、虚拟仿真、远程控制、地理信息系统等技术手段，实现阀(闸)门远程监测控制、运行过程中各类参数的采集分析、险情预测预报、水量调度、工程线路走向及建筑物类型三维实景展示、工程维护等各类生产运行业务的综合运用系统，同时兼顾工程运行管理办公自动化[4-5]、综合会商、视频会议等功能。实现工程运行安全稳定、水资源的优化配置、运行管理信息化智能化，实现少人、无人值守，降低运行管理成本，充分发挥工程效益(见图3)。

图3 一体化引用系统组成架构

整个应用系统中数据层和支撑层作为一体化管控平台的建设基础，根据管道工程运行管理为主的需求，开发部署各类业务相应的应用软件。一体化软件基础平台软件包括数据采集与交互平台、数据资源管理平台、应用支撑平台、业务应用模块(见图4)。

图4 一体化应用系统功能结构

3.3.1 数据采集与交互平台

数据采集与交互主要进行阀门开度、流量、压力等数据的采集，工程建筑物及周边环境视频数据的采集与处理，巡检情况数据的人工比对等，并按照数据资源管理平台相关要求将采集到的信息写入数据库，实现系统各层级之间的数据交互应用。

3.3.2 数据资源管理平台

数据资源管理平台主要进行各类运行监测数据的汇集、存储与管理。对下实现各种信息采集传输和调度指令传输下达，对上为应用支撑平台和业务应用提供数据信息。

建立统一的数据资源管理平台，实现横跨生产控制区和办公管理区以及调度中心与会商中心之间的数据交换，同时进行对实时数据库采集与整理，从而实现对闸站监控、险情预报、视频监控、运行调度等各类信息的存储、管理。

3.3.3 应用支撑平台

应用支撑平台是由采集到的各类运行数据实现控制系统应用功能的枢纽，其作用是实现数据资源的共享和应用系统的互连互通，为应用系统的功能实现提供技术支持，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间信息共享的核心[6]。

根据天水市城区引洮供水工程的运行管理特点，本应用支撑平台主要实现管道压力、流量等实时运行数据的分析处理并形成统计图表，提供阀门开度、压力、流量等各类运行参数历史数据查询服务，阀门设备的远程自动启闭，当运行参数超出阈值后的报警提醒，工程全线二维GIS，根据系统规划进行分级权限管理及日常运行管理中的运行日志记录等。

3.3.4 业务应用模块

在一体化应用支撑平台基础上，采用一套软件平台统一实现闸(阀)门远程监测控制、动环监控等综合监控监测功能，并实现各类数据可在同一画面中显示、操作、查询。并将上述信息在一张GIS图上综合展示，在统一界面中实现各类数据的查询与统计分析、综合展示。

3.3.5 二维GIS应用

由于工程线路长，且工程建成后管道、暗渠、隧洞等建筑物大多被隐蔽，基于GIS的二维仿真系统是对本工程有关工程参数的直观展示，本系统以工程各类建筑尺寸及相关工程属性、管道材质壁厚、阀门设备功能属性、地理位置等工程特性为基础，通过信息化工程技术，结合成像技术，以形象、直观、可视化的形式展现隐蔽工程相关工程实体状况、运行工况。同时将各类设施设备运行情况进行实时展示，实现工程运行的可视化模拟功能，达到更加科学的管理目的，为工程运行管理决策提供支持[7]。

4 结 语

本工程通过自动化控制系统的实施，实现了调度中心、管理站、现地对沿线各类闸(阀)门设施的三级控制，实现了运行数据的采集、统计、分析，为工程运行提供了参考，是实现工程安全稳定运行、及时高效调度的重要保障措施，经三年多的运行检验，工程系统运行稳定，但由于压力管道系统运行工况复杂，对系统中各种阈值的设定还需根据实际情况进一步优化设置，同时，管道系统运行过程中采集到的各类参数的统计分析还需与相关水力计算相结合，以更加科学合理地指导工程运行。