南水北調(diào)東線山東段泵站自動化系統(tǒng)改造實踐

李慶濤，邵在棟，劉鴻五

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109）

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國在水利建設(shè)方面的投資不斷增加，使得相關(guān)的管理要求也同步提升[1]。同時伴隨科學(xué)與計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，自動化調(diào)度在調(diào)水工程中逐步實現(xiàn)，通過將計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、電子、自動控制、多媒體等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行不同的組合[2]，形成適合于各調(diào)水工程的自動化調(diào)度系統(tǒng)，有效地提高了調(diào)水效率和管理水平。隨著計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)己進(jìn)入一個全新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化時代[3]。目前國內(nèi)長距離調(diào)水工程，如南水北調(diào)工程、粵港供水工程等均采用了自動化調(diào)度技術(shù)。在調(diào)水工程中，閘泵站控制是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)[4]，相應(yīng)的自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。

1 工程調(diào)度控制情況

南水北調(diào)東線一期山東段工程的調(diào)度控制工程由東平湖以北的渠道控制工程和東平湖以南的梯級泵站工程組成。其中東平湖以北的渠道控制工程由魯北段渠道控制工程和膠東段渠道控制工程組成。膠東及魯北段輸水工程以渠道及暗涵輸水，以節(jié)制閘、倒虹控制閘進(jìn)行渠段調(diào)度控制，通過控制分水閘來滿足用戶用水需求，3 個平原水庫作為用水戶進(jìn)行調(diào)度控制。東平湖以南采用7 級泵站提水，以運(yùn)河、湖泊輸水。

全線以東平湖為控制節(jié)點(diǎn)，把南水北調(diào)東線工程山東段分為3 個大的調(diào)度控制單元，魯南調(diào)度控制單元（魯南段）、魯北調(diào)度控制單元（魯北段）、膠東調(diào)度控制單元。調(diào)度時魯北段、膠東段匯集末端用戶用水需求，形成東平湖引水過程，為了保證東平湖輸水水位穩(wěn)定，魯南段需要補(bǔ)充東平湖。

南水北調(diào)東線一期工程山東段干線水量調(diào)度采用“兩級調(diào)度、三級管理”模式，全線直到每個引水口的水量分配方案由調(diào)度中心統(tǒng)一制定，下發(fā)至各分調(diào)中心，分調(diào)中心根據(jù)水量分配方案制定每個調(diào)度控制建筑物為控制單元的調(diào)度指令并下發(fā)各管理處執(zhí)行。出現(xiàn)應(yīng)急情況，調(diào)度中心可根據(jù)相應(yīng)的處理預(yù)案，授權(quán)調(diào)度分中心制定所轄范圍的水量調(diào)度方案，下發(fā)現(xiàn)地站執(zhí)行并反饋控制，以實現(xiàn)對所轄范圍控制建筑物的調(diào)度。

2 泵站自動化系統(tǒng)建設(shè)概況

2007—2013 年間，南水北調(diào)東線山東段各泵站、水庫自動化系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計、實施。各系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水位、流量、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等重要運(yùn)行信息采集及現(xiàn)地泵站機(jī)組控制。由于設(shè)計單位不同，時間跨度大，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實施時間不一致，建設(shè)完成后各站點(diǎn)自動化系統(tǒng)都存在一定差異，設(shè)備配置、功能實現(xiàn)等方面多種多樣。隨著自動化系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)更新?lián)Q代，早期建設(shè)的站點(diǎn)部分設(shè)備性能落后且停產(chǎn)，若使用替換產(chǎn)品，需重新梳理系統(tǒng)架構(gòu)，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)由模擬型改為數(shù)字型、現(xiàn)地PLC 柜內(nèi)CPU、I/O 模塊停產(chǎn)等。同時，各泵站自動化系統(tǒng)建設(shè)時間不一致，使用的平臺軟件不一，人機(jī)界面不同，開機(jī)流程各不相同，不便于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行維護(hù)管理，且與調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)難以實現(xiàn)對接，不能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域遠(yuǎn)程集中控制。

由于各泵站自動化系統(tǒng)建成運(yùn)行時間普遍超過6 年以上，各泵站自動化系統(tǒng)的LCU 信息采集、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、視頻監(jiān)控、上位機(jī)組態(tài)軟件及中控室環(huán)境等方面軟硬件性能下降，設(shè)備設(shè)施老化，時常發(fā)生問題，存在信息采集不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確情況，各泵站機(jī)組尚不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，不能滿足今后調(diào)度、生產(chǎn)和運(yùn)行、維護(hù)管理需求。針對上述問題，有必要對各泵站自動化系統(tǒng)在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及中控室環(huán)境方面進(jìn)行升級改造。同時結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計算及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)泵站智能運(yùn)行信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)部分智能應(yīng)用。

3 泵站自動化系統(tǒng)升級改造

3.1 升級改造方案

泵站自動化系統(tǒng)主要由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 泵站自動化系統(tǒng)示意圖

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對泵站主機(jī)組、輔機(jī)、變配電、閘門等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，并對泵站運(yùn)行進(jìn)行管理，系統(tǒng)采用分級分布式體系結(jié)構(gòu)，自下而上分成現(xiàn)地級、泵站級、省（分）調(diào)度中心級；信息管理系統(tǒng)是泵站運(yùn)行管理單位的網(wǎng)絡(luò)平臺和管理平臺，實現(xiàn)泵站運(yùn)行、管理信息采集、處理、存儲和發(fā)布等功能。信息管理系統(tǒng)又分為安全監(jiān)測和視頻監(jiān)視等系統(tǒng)，其中，安全監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)對泵站水工建筑物的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測、分析及預(yù)警，為泵站安全提供技術(shù)保障；視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對泵站運(yùn)行關(guān)鍵區(qū)域或重點(diǎn)位置的實時圖像監(jiān)控，具有歷史圖像信息查詢和回放等功能，是實現(xiàn)泵站安全運(yùn)行和管理的輔助手段。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)相互獨(dú)立設(shè)置，系統(tǒng)之間通過隔離網(wǎng)閘進(jìn)行信息交換。

1）計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造。統(tǒng)一傳感器等數(shù)據(jù)信息采集、存儲及處理方式，劃分參控數(shù)據(jù)和非參控數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分層處理，明確數(shù)據(jù)通信協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、穩(wěn)定。所有現(xiàn)地LCU 柜實現(xiàn)現(xiàn)地控制功能，能獨(dú)立工作。根據(jù)各泵站機(jī)組運(yùn)行狀況，針對目前上位機(jī)組態(tài)軟件及系統(tǒng)功能多樣性的情況，基本統(tǒng)一軟件選型，統(tǒng)一系統(tǒng)界面，統(tǒng)一系統(tǒng)功能，基本統(tǒng)一各站點(diǎn)開機(jī)流程。對目前計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行優(yōu)化，更新上位機(jī)，配備應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并考慮必要的冗余。最終在保證現(xiàn)地機(jī)組控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各泵站機(jī)組區(qū)域遠(yuǎn)程集中控制。

2）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)升級改造。對泵站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，針對各泵站“一張網(wǎng)”現(xiàn)狀，根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求及安全級別，將網(wǎng)絡(luò)分為控制專網(wǎng)和業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用控制專網(wǎng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等使用業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，控制專網(wǎng)與業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)實現(xiàn)物理隔離，考慮與調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)對接需要并預(yù)留接口，根據(jù)需要增加相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。以鄧樓泵站為例，改造后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鄧樓泵站改造后計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級改造。為了更好地滿足調(diào)度生產(chǎn)中信息實時監(jiān)視需求，將臺兒莊、萬年閘、韓莊、二級壩、八里灣泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)模擬監(jiān)控設(shè)備及大屯水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)清晰度較差的數(shù)字設(shè)備更換為數(shù)字監(jiān)控設(shè)備，同時根據(jù)需要在某些關(guān)鍵位置或者重點(diǎn)區(qū)域適當(dāng)增加部分監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)泵站生產(chǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控全覆蓋。統(tǒng)一存儲策略及訪問機(jī)制，實現(xiàn)與調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的對接。

4）中控室環(huán)境升級改造。對各泵站中控室環(huán)境進(jìn)行升級改造，主要包括中控室裝修（墻壁粉刷、吊頂更換、中控室照明燈更換、靜電地板更換等）、監(jiān)視墻升級改造、操作臺升級改造等內(nèi)容。各泵站中控室裝修統(tǒng)一風(fēng)格、統(tǒng)一材料要求，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化配置；監(jiān)視墻統(tǒng)一采用小間距LED 拼接屏和雙基色LED 顯示屏組合顯示；操作臺統(tǒng)一采用4 面標(biāo)準(zhǔn)尺寸的臺面。

5）泵站智能運(yùn)行信息化系統(tǒng)開發(fā)。結(jié)合泵站運(yùn)行實際情況及應(yīng)用需求，利用當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，開發(fā)泵站智能運(yùn)行信息化系統(tǒng)，探索泵站運(yùn)行調(diào)度決策智能化應(yīng)用。實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷、泵站性能計算和分析、調(diào)度輔助決策系統(tǒng)及泵站信息平臺展示等功能。其中，泵站的設(shè)備運(yùn)行實時工況數(shù)據(jù)、設(shè)備報警信息數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等集中展示，泵站信息展示平臺要求實現(xiàn)信息聯(lián)動、視頻聯(lián)動等功能，靈活切換，實時在線掌控泵站現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 升級改造組織實施

1）前期準(zhǔn)備。首先組織專業(yè)人員赴現(xiàn)場調(diào)研，將各泵站自動化系統(tǒng)存在的主要問題進(jìn)行了梳理、歸納、總結(jié)及分析，提出了泵站自動化系統(tǒng)升級改造項目設(shè)計技術(shù)要求，編制完成了泵站自動化系統(tǒng)升級改造項目設(shè)計招標(biāo)技術(shù)文件。然后召開專家咨詢會，專家們通過查現(xiàn)場、聽取匯報，對泵站自動化系統(tǒng)升級改造項目設(shè)計招標(biāo)技術(shù)文件提出意見和建議，進(jìn)一步明確了升級改造項目的設(shè)計要求和技術(shù)內(nèi)容。最后鑒于泵站（水庫）自動化系統(tǒng)升級改造任務(wù)復(fù)雜，技術(shù)難度較大，不同于新建工程，初期不宜大規(guī)模開展，需分批次逐步進(jìn)行，積累相關(guān)經(jīng)驗后不斷優(yōu)化調(diào)整，確定以鄧樓泵站為試點(diǎn)，開展升級改造工作。

2）技術(shù)實施方案設(shè)計。通過公開招標(biāo)的方式選取了國內(nèi)高水平的設(shè)計單位承擔(dān)南水北調(diào)東線一期山東段泵站自動化系統(tǒng)升級改造技術(shù)實施方案設(shè)計。設(shè)計單位通過現(xiàn)場踏勘、查閱資料，結(jié)合設(shè)計要求完成了《南水北調(diào)東線一期山東段泵站自動化系統(tǒng)升級改造技術(shù)實施方案》（總體要求）和《鄧樓泵站自動化系統(tǒng)升級改造技術(shù)實施方案》。隨后組織專家審查會對設(shè)計方案進(jìn)行了審查，設(shè)計單位根據(jù)專家意見對方案進(jìn)行修改完善后由公司批復(fù)，作為下一步施工單位招標(biāo)技術(shù)依據(jù)。

3）施工單位選取?？紤]鄧樓泵站自動化系統(tǒng)升級改造項目實施技術(shù)難度大，可選擇的施工隊伍范圍有限，為保障項目實施質(zhì)量和進(jìn)度，確定通過公開招標(biāo)方式選擇國內(nèi)有類似泵站、水電站新建或升級改造經(jīng)驗和專業(yè)水平高的自動化系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)施工隊伍。

4 實施效果

項目實施完成后，開發(fā)了鄧樓泵站一體化管理平臺；完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造、視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級、中控室環(huán)境改造、泵站智能運(yùn)行信息化系統(tǒng)4 部分內(nèi)容。PLC 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、穩(wěn)定，各類軟件運(yùn)行正常；實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一鍵開停機(jī)，實時視頻同步展現(xiàn)；實現(xiàn)整個泵站參數(shù)“一張表”展示與實時預(yù)覽，設(shè)備溫度、電流、振動擺度等狀態(tài)參數(shù)智能分析等功能。在保證泵站機(jī)組現(xiàn)地控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各泵站區(qū)域遠(yuǎn)程集中控制，對南水北調(diào)東線一期工程山東段運(yùn)行提供了有力技術(shù)支撐。