淺析城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)

俸建萍

（桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002）

淺析城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)

俸建萍

（桂林防洪排澇工程管理處 廣西桂林 541002）

本文主要詳細(xì)介紹了城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并以PLC系統(tǒng)為核心，采用人機(jī)界面開發(fā)工具、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計的城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。以華南計算機(jī)技術(shù)研究所近年來所承建的城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)為案例，主要介紹了城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

城市防洪；監(jiān)控系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)功能

城市防洪工程的功能由單一型（傳統(tǒng)水利水電）向綜合型轉(zhuǎn)變，綜合型功能主要是指在水利水電的基礎(chǔ)上，通過自動化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，將遙感、地理信息系統(tǒng)、GIS技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的防洪決策支持、防汛會商、水資源管理等信息系統(tǒng)充分運用起來。所謂的城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)就是對城市防洪系統(tǒng)中的泵站、水閘、水文檢測站的運行進(jìn)行監(jiān)測和控制，并向城市防洪信息系統(tǒng)提供其現(xiàn)階段的運行工況，以及水情、雨情、水位、流量、排泄量等數(shù)據(jù)信息，為相關(guān)職能部門在防洪決策方面提供有力的科學(xué)依據(jù)，在城市防洪系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性的作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三層：

第一層為現(xiàn)場測量、控制層，它是城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要是由泵站、水閘、水文檢測站的現(xiàn)場PLC控制站構(gòu)成，用于防洪設(shè)備，實現(xiàn)對系統(tǒng)中所有設(shè)備狀態(tài)的實時采集和遠(yuǎn)程控制，能夠根據(jù)其測量的結(jié)果和設(shè)備運行工況開實現(xiàn)自動控制設(shè)備的運行。

第二層為監(jiān)視、操作層，它是城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)中人—機(jī)信息的交換平臺，由現(xiàn)場操作站、控制中心操作站、控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、Internet網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)器、文件服務(wù)器等構(gòu)成。該層主要對各現(xiàn)場PLC控制站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，可實時顯示各工藝的參數(shù)、動力及變/配電設(shè)備的工作狀態(tài)，并紀(jì)錄、存儲、事故報警等，可提供直觀的畫面，方便操作人員進(jìn)行人機(jī)交換接口和遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備。

第三層為瀏覽、管理層，它是一個大型局域網(wǎng)，將所有和城市防洪相關(guān)的職能部門結(jié)合起來。通過IE瀏覽器瀏覽人—機(jī)界面，掌握所有設(shè)備的運行狀態(tài)和實時工藝參數(shù)，使相關(guān)職能部門能及時掌握水情、雨情、水位變化等防洪信息，做好防洪準(zhǔn)備工作，為防洪決策提供有力的科學(xué)依據(jù)。

以下詳細(xì)介紹系統(tǒng)各部分組成、功能、及如何實現(xiàn)：

1.1 現(xiàn)場PLC控制站

現(xiàn)場PLC控制站的主要組成部分是：現(xiàn)場PLC系統(tǒng)和I/O鏈路、在線檢測儀表、電控設(shè)備、高/低壓配電設(shè)備、現(xiàn)場總線等。

在線檢測儀表通常將檢測的水位、流量、溫度等一些工藝參數(shù)以4～20mADC或1～5VDC標(biāo)準(zhǔn)信號形式送到PLC系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析和信息傳遞；PLC系統(tǒng)可以通過電氣控制回路上的無源觸點獲取開關(guān)量的輸入信號，以此來掌握電控設(shè)備目前的運行狀態(tài)，比如潛水泵的運行、故障、水閘的開到位、關(guān)到位、過力矩等信號；與此同時，PLC系統(tǒng)還可以將開關(guān)量的輸出信號發(fā)送到電氣控制回路，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制相關(guān)的設(shè)備；除此之外，PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線，從高壓綜合計保（如Sepam1000+）和低壓電力檢測儀（如PM500）中采集高/低壓電力參數(shù)，并對高/低壓配電柜提供保護(hù)和控制。

PLC控制程序，符合工藝流程的設(shè)計要求，其主要功能有：①保護(hù)、測量和控制高/低壓柜；②保護(hù)和測量主變單元和直流屏單元；③采集儀表數(shù)據(jù)和電控設(shè)備狀態(tài)，控制現(xiàn)場設(shè)備；④通過現(xiàn)場總線，采集高低壓進(jìn)線和機(jī)組運行的電力參數(shù)，并送人—機(jī)界面顯示和后臺數(shù)據(jù)庫存儲；⑤通過工業(yè)以太網(wǎng)和其它站點進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及向人—機(jī)界面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)；⑥按照工藝流程的相關(guān)要求，對所有設(shè)備實現(xiàn)自動控制，包括現(xiàn)場泵站和水閘的無人值守；⑦通過人機(jī)界面接口接受操作人員的相關(guān)命令，遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟/停。

1.2 監(jiān)視、操作層

監(jiān)視、操作層主要包括現(xiàn)場操作站和控制中心計算機(jī)系統(tǒng)這兩個部分。對于要有人值班的泵站和水閘，要求配置一定的現(xiàn)場操作站，現(xiàn)場操作站上的人—機(jī)界面程序的功能有：①整個系統(tǒng)的概況主要用工藝流程圖的形式展現(xiàn)出來，包括生產(chǎn)過程、實時數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的顯示；②根據(jù)權(quán)限實現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作；③對實時和歷史報警進(jìn)行查詢；④查詢相關(guān)的工藝參數(shù)變化趨勢圖；⑤生產(chǎn)運行報表。

控制中心計算機(jī)系統(tǒng)主要包括控制中心操作站和各種服務(wù)器?？刂浦行牟僮髡緦⑺鞋F(xiàn)場操作站的圖形和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總，具備現(xiàn)場操作站的所有功能，在遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備時，需要交換控制權(quán)。隨著現(xiàn)場信號的調(diào)整、現(xiàn)場運行的需要以及對泵站水閘長期運行效果的分析，可對相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行在線修改（如：測點名稱、越限限值等）。

系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計要按照IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，要求PLC系統(tǒng)中的I/O點至少有20%的預(yù)留；PLC容量和機(jī)架可實現(xiàn)擴(kuò)展；確保結(jié)構(gòu)化和程序化的程序設(shè)計，可讀性強(qiáng)，以便于后期對系統(tǒng)的擴(kuò)展。

1.3 瀏覽、管理層

在網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)器并開發(fā)門戶網(wǎng)站，主要采用可視化方式通過IE瀏覽器來查看防洪泵站、水閘、水文監(jiān)測站的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，將人—機(jī)界面的動態(tài)圖形畫面和報表全部展示出來，以便于有關(guān)部門能深入了解相關(guān)的防洪信息和防洪設(shè)備在當(dāng)前的運行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為快捷、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)以太網(wǎng)，所有PLC控制站、現(xiàn)場操作站、控制中心計算機(jī)系統(tǒng)和各職能部門用于瀏覽自動化監(jiān)控系統(tǒng)的PC機(jī)通過光纖連接在以太網(wǎng)上。對于有些站點，光纖是不能連接到位的，主要通過點對點的無線IP技術(shù)實現(xiàn)鏈路上的連接。

控制中心計算機(jī)和各職能部門PC機(jī)組成局域網(wǎng)，施行內(nèi)/外網(wǎng)雙網(wǎng)隔離。需要上外網(wǎng)（如部門內(nèi)局域網(wǎng)，或Internet網(wǎng)等）的計算機(jī)都配置雙硬盤和雙系統(tǒng)，防止一些不確定的因素（如病毒）沖擊工業(yè)以太網(wǎng)，以此來實現(xiàn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)安全性和可靠性的提高，確?？刂浦噶畹目焖賵?zhí)行和反饋。

PLC控制站中還存在現(xiàn)場總線網(wǎng)，高壓綜合計保、低壓電力檢測儀和大量智能儀表都配有RS485物理接口，支持各種現(xiàn)場總線協(xié)議（如Modbus等）。方便PLC系統(tǒng)對其進(jìn)行大量參數(shù)采集，減少了大量I/O鏈路連接，相對于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號傳輸，提高了系統(tǒng)的采集精度。

3 系統(tǒng)防雷

系統(tǒng)中有獨立的接地裝置，接地電阻值小于1Ω。PLC系統(tǒng)模塊都有“三類”防雷要求，模塊所有公共端均是單點隔離方式。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，電源的進(jìn)線處加裝過壓保護(hù)裝置，PLC系統(tǒng)模塊配電加裝浪涌抑制器，網(wǎng)絡(luò)鏈路上加裝防雷裝置。對所有的DI/DO模塊，采用中間繼電器進(jìn)行電氣隔離。對采集二線制儀表數(shù)據(jù)的AI模塊，采用信號隔離裝置以提高模擬量信號的抗干擾能力。

4 系統(tǒng)主要控制

系統(tǒng)中所有設(shè)備的控制模式都為三級控制：

（1）現(xiàn)場手動：通過現(xiàn)場按鈕控制設(shè)備（優(yōu)先級最高）；

（2）遠(yuǎn)程點動：通過人—機(jī)界面接口遠(yuǎn)程控制設(shè)備（包括現(xiàn)場操作站點動和控制中心操作站點動）；

（3）遠(yuǎn)程自動：通過控制工藝自動控制設(shè)備的啟/停。4.1水泵控制

水泵控制模塊如圖1。

圖1 水泵控制模塊圖

手動/自動是人—機(jī)界面上的切換按鈕；手動命令是操作員在人—機(jī)界面上發(fā)出的對水泵的控制指令；自動命令是PLC程序根據(jù)水泵的控制要求自動產(chǎn)生的控制指令（如：水泵根據(jù)水位高低的自動啟/停，根據(jù)運行狀況和輪循時間的自動啟/停）；遠(yuǎn)程/就地是水泵電氣控制回路上的電氣控制和計算機(jī)控制的切換開關(guān)；安全連鎖是水泵的低水位保護(hù)位；水泵硬件故障包括電機(jī)過載、缺相、水泵泄漏、超溫、浸水等；水泵故障還包括PLC程序邏輯所檢測的水泵運行時沒有運行反饋和停止時沒有停止反饋等軟故障。

4.2 水閘控制

水閘控制包括開閘和關(guān)閘兩個控制模塊。水閘和水泵控制模式的相同部分不再重復(fù)。不同的是：自動命令是PLC程序根據(jù)水閘的控制要求自動產(chǎn)生的控制指令（如：水閘根據(jù)水位高低的自動開/關(guān)/停閘，根據(jù)設(shè)定的開度或排泄量自動開/關(guān)/停閘）；水閘硬件故障包括電機(jī)過載、水閘過力矩、張力失衡等；水閘軟故障指水閘開/關(guān)時，在預(yù)置時間內(nèi)沒有開到位/關(guān)到位信號。

4.3 水利參數(shù)計算

在城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，要根據(jù)采集儀表的相關(guān)讀數(shù)，來對水利數(shù)據(jù)進(jìn)行計算（如：水庫庫容、泵站排水量、水庫排泄量等），并將其提交給城市防洪信息系統(tǒng)，作為防洪決策的主要依據(jù)。根據(jù)水庫水位和庫容特征曲線計算出水庫的庫容；根據(jù)水泵的排水量和揚程曲線、效能曲線可計算出泵站的排水量；根據(jù)水庫水位、水閘開度、水庫實際水深計算水庫排泄量；根據(jù)雨量流量計計算雨情。

5 結(jié)語

由于各個城市具有不同的基礎(chǔ)設(shè)施、地形地貌、自然資源及防洪的重點，在設(shè)計城市防洪自動化監(jiān)控系統(tǒng)時，要綜合考慮選用不同的PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、人—機(jī)界面開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫和報表開發(fā)軟件及網(wǎng)上發(fā)布的開發(fā)模式，其首選目標(biāo)主要是確保自動化監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的易擴(kuò)展性、可靠性、操作和維護(hù)的方便性。

[1]馮磊，劉鋒.自動化控制系統(tǒng)在平湖市城市防洪工程中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2015，43（1）：93～95.

[2]馬志宏.淺談自動化監(jiān)控系統(tǒng)在泵站運行中的應(yīng)用[J].科學(xué)時代，2013（24）.

[3]馬琳.淺談自動化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用——以仙蠡橋水利樞紐工程為例[J].河南科技，2013（12）：121.

TP277

A

1004-7344（2016）13-0266-02

2016-4-25

俸建萍（1985-）女，助理工程師，本科，主要從事堤防、排澇溝的巡查，泵站等日常運行維護(hù)工作。