“500”供水闸联动稳控系统应用分析

贾 辉，徐 青，倪 健

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000;2.国网电力科学研究院，南京 210003)

新疆“500”水库属于农田灌溉和城乡生活用水综合利用的大 (2)型水库，周边工业园区是国家西部大开发战略中西电东送及煤化工的重要能源基地，为满足工业园区及周边用户不间断增长的用水需求，设计一套安全可靠、高效节能的自动化供水系统尤为重要。通过“500”水库供水闸联动稳控及水务综合管理系统的建设，实现“500”水库出口放空涵工作门与出口前池水位、流量的联动控制。

通过系统建设，达到减少水资源浪费、保证供水安全、有效提高闸门启闭系统设备的可靠性和自动化水平，实现对放空涵闸门指令控制和运行工况的实时过程监视、探查预报系统设备存在的隐患、公平计量供水量，为减轻运行维护人员劳动强度、实现智能化供水起到积极作用［1］。

1 系统设计原则

利用比较成熟的自动控制、计算机、传感器等技术，结合“500”水库放空涵闸门运行特点建立水库供水、水量计量及信息管理的供用水软硬件平台。“500”水库供水闸联动稳控及水务综合管理系统设计充分考虑了以下8个设计原则:

(1)集成技术成熟原则。系统之间采用国际标准接口，留有充分的扩展余量，确保系统的开放性、功能扩展及系统升级能力。

(2)安全可靠原则。实现“无人值守”目标，作为双稳控制单元在正常工作状态下在系统的集中指挥下运行，在紧急情况下或系统故障时又可独立运行。

(3)人机结合原则。运行—控制—调度三者之间数据通信安全可靠，信号变位产生实时简报和语音报警。分层管理具有完善的故障预警、诊断及处理功能，体现时效性。

(4)校核加密判断原则。对控制指令的发布规定操作权限，命令传送须经过巡回认证，数据采集经过合理性判别和处理，放空涵闸门联动启停经过防误程序过滤，确保控制指令下发正确无误。

(5)组件模块化原则。软件选用先进并应用成熟的监控软件，确保软件运行的高可靠性和安全性;硬件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。

(6)兼容通用原则。作为不间断运行系统，对现场工作环境要求较高，采用有效的防雷和抗干扰技术。系统配置和设备选型适应计算机技术发展迅速的特点，具有先进性和向后兼容性，能充分保护用户的投资。

(7)分层逐级开发原则。平台人机接口功能强大、界面友好，通过人机对话方式实现各种监视和控制功能。在信息交互层、控制逻辑层、二次数据加工层根据业务管理需求，逐级逐段开发不同业务软件。

(8)冗余设计原则。为增加“500”联动系统工作的安全稳定性，参与联动控制的水位、开度数据采集采用冗余设计。

2 系统结构和功能

2.1 系统结构

系统采用开放式全分布系统结构，分设主控级和现地单元控制级，并纳入到大系统的三层网络体系中，分为建管局总调中心、管理处分调中心、水库运行管理站、现地控制检测四层 (见图1)。

(1)建管局总调中心。根据用水单位需水量下发总调命令和放空涵闸门控制方式。同时，总调中心对“500”水库综合运行状态进行监视和数据存储，定期对水库运行数据进行会商。

(2)管理处分调中心。利用已建设的计算机监控平台实现对水库数据的采集和管理，为供水管理运行提供应用展示、信息检索、事故判断等调度生产决策依据。

(3)水库运行管理站。主要用于采集现地层的流量和水位数据，并通过光纤通道接入“500”管理处调度分中心。水库运行管理站另配备作为管理处分调中心的从站计算机监控平台，实现异地双权限自动切换操作管理，使运管人员通过计算机掌握闸门开度、前池水位、流量等数据。同时，水库运行管理站需执行上级下发的调度指令和处理突发事件，确保水库的安全稳定运行。

(4)现地控制检测层。放空涵闸门现地控制和出口前池供水计量监测两个单元安全级别及优先级最高，它向下接收各类传感器与执行机构的输入输出信息，采集设备运行参数和状态信号;向上接收上级控制主机的监测监控命令，并上传现场的实时信息，实施对现场执行机构的逻辑控制。现地控制级的设计保证当它与主机系统脱离后仍然能实现对闸门进行必要的监视和控制功能，而当其与主机恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理［2］。

2.2 控制功能

“500”放空涵建有两孔闸门，为保障供水安全采用了5级关联兼扩展功能的控制模式。前三级分别为现地/手动操控、现场/自动触摸屏控制、远方/自动计算机控制。现地/手动控制适合在脱离自动化控制或应急状态下执行;现场/自动触摸屏控制适合在现场有人值守或操作频次较低时使用;远方/自动计算机控制适合在远程监控条件下，进行计算机指令操控。在需要人为参与控制的前三种模式下，针对“500”供水系统的长期运行特点，开发了开环控制和闭环控制的两种联动模式。

图1 监控系统结构图

开环控制是根据水位设定的高低限自动启闭闸门，当水位低于低限值时开启闸门到设定值，当水位高于高限值时关闭闸门。

闭环控制是根据水位和流量的变化趋势自动调节闸门开度，使水池补水量和用水量基本维持平衡，核心是采用PLC的PID调节模块来实现该功能。闭环控制在闸门自动调节控制使用中有一定限制，主要体现在:①闸门机械设备、液压系统、电气设备、各型传感器高度可靠;②水位不受闸门开度调节的影响，无水位波动产生;③用水量基本稳定;④事故应急方案已被证实可行。

2.3 开度、水位的冗余设计

从运行的安全可靠性出发，系统设有两套压阻式水位计，将两路水位信号分别接入放空涵PLC和出口管理站PLC，采用交叉侦听的通信技术实现双水位数据同时传输至现地层和监控层。当某套水位计或某套PLC出现故障后不影响另外一套水位计的正常运行。针对供水要求，每孔放空涵闸门设置两套开度仪(一主一备)和一套限位开关。备用开度仪通过钢丝绳和闸门连接，由编码器采集开度数据，在闸门控制柜上设置一块开度仪表，能直观显示闸门开度，同时通过4-20MA信号把开度信号接入放空涵PLC，通过程序处理计算出实际开度，并与原安装于油缸中的开度仪数据进行比较，提高闸门开度仪的可靠性。两套开度仪互为备用，当一套开度仪出现故障后切换至另一套开度仪参与联动控制，不影响系统正常工作。

2.4 多业务与综合功能报表

为保证联动系统的可靠运行，确保运行管理人员第一时间了解和掌握系统整体运行情况，针对项目的“500”联动供水的实际情况，设计了值班报表、告警和预警信息报表、事故处理报表、ONCALL短信报表、水务报表以及水位闸门运行流程报表等。

2.4.1 值班报表

值班报表中联动系统运行人员按照值班时间进行登陆和退出，同时记录了该值班人当班期间闸门水位联动开门次数、联动关门次数、闸门远程控制次数、产生的告警总数、告警确认的统计、产生的事故总数、事故确认处理的统计。

2.4.2 告警和预警信息报表

告警和预警信息报表主要处理记录报警和事故的产生时间、告警内容、告警响应时间、告警恢复时间，在值当班人有无响应该报警，为值班管理提供分析依据。同时预警发现可能影响系统正常运行的隐患，分级定位排查问题，为系统长时间可靠运行提供保证。

2.4.3 事故处理报表

事故处理报表主要分析影响系统安全稳定运行的事故类型，如闸门卡滞、动力电源丢失、水位计测量数值明显异常、供水管道压力信息异常、流量计工作状态及计量数值异常、信道中断、控制指令异常、供水前池水位高低差等危险情况。能够跟踪追溯查找问题原因，在原因未明确问题未处理之前联动系统自动退出，在事故处理过程中自行启动事故应急及决策支持系统中的相应预案，并及时上报至管理处领导和建管局领导。同时，该报表能实施跟踪事故处理的进度，避免联动系统危险运行。

2.4.4 ONCALL短信报表

ONCALLA短信报表用于记录发送给设定人员的信息，如发送时间、人员、发送内容和运行参数，同时预留接收返回的信息和数据。该报表可以实现发送数据和接收数据的比较，数据如出现明显误差时自动启动报警系统，通知相关人员对数据进行核定，保证供用水的计量准确可靠。

2.4.5 水务报表

水务报表用于记录每条供水管道的瞬时流量、累计日流量、上游信号强度、下游信号强度、信号传播时间差等，为管道可靠供水提供数据保证。用户定期结算水费时可提供查询功能并作为验证依据。

2.4.6 水位闸门运行流程报表

水位闸门运行流程报表用于记录闸门和水位等相关信息数据，并实时存入数据库服务器，为“500”水库安全运行提供信息组态查询支持功能，同时可生成闸门开度、流量、水位等相关的实时曲线，为“500”水库联动系统控制运行提供直观参考。

2.5 ONCALL短信发布

ONCALL短信发布系统，实时将水库运行重要开关量的动作信息，在第一时间内通知相关值班人员和值班领导，做到有事故、故障早发现早排除。同时，根据“500”水库供水运行需要，把每条管道的运行数据按时发送至建设处运管人员和各用户的手机上，为用水供水费用结算提供依据。

2.5.1 ONCALL短信发布系统运用程序组成

(1)组态程序 (OnCallCfg.exe)。完成用户配置管理、对象组态、告警表达式、网络节点配置、硬件设备的配置、短信统计功能启动。

(2)ONCALL功能服务程序 (OnCall.exe)。实现表达式运算、实时屏蔽、短信发送等功能。

(3)系统通信程序 (OnCallCom.exe)。负责节点间数据传输。

(4)运行监视程序 (OnCallWatch.exe)。完成半自动告警信息的确认、取消，手动发送短信等功能。

(5)运行监视简报 (OnCallMsg.exe)。以简报的形式显示操作信息、告警发送结果。

(6)运行启动程序 (OnCallBoot.exe)。启动系统。

2.5.2 ONCALL短信发布系统结构组成 (见图2)。

(1)ONCALL主机。 “500”管理处的ONCALL主机和闸门操作员工作站公用一套计算机。

(2)GSM Modem+SIM卡。完成告警信息短消息自动发送的功能。

(3)ONCALL软件。集成在EC2000软件中，能实现手动和自动发送短信息。

图2 ONCALL短信发布系统结构

3 应用效果

“500”水库供水联动远程智能控制系统的建成并投入运行，实现了放空涵闸门根据前池水位的变化自动开启和关闭。根据建立的节制闸开度与前池水位最佳运行的数学模型，自动进行闸门开度的调节，使节制闸门处于最佳运行工况下工作，降低能耗，实现水库的经济运行。自动联动智能运行程序可以对每孔闸门发出开启、停止和关闭的指令，进行闭环自动调节，也可以在闸门操作员站屏幕上显示出操作建议，作开环运行指导，提示运行值班人员手动发出开停机指令［3］。

针对“500”水库地区供水的实际情况，该系统能充分发挥合理调水、科学计量、安全运行、可靠供水、事故预警和故障及时排查、提供专家诊断功能。系统还可以把“500”水库流域降水、工农业用水、生活用水以及上下游水资源信息建立纳入监控范围，建立水资源数据链关系，利用放空涵闸门合理调配水资源，满足国民经济发展和人民物质文化生活需要，充分发挥水库联动智能控制运行的经济效益和社会效益。

4 建议

设计重要的供水项目需要建立一套独立的控制系统和软件平台，同时根据硬件的实际工况确定采用何种自动控制模式;供水项目需要单独进行应急预案的设计，必须考虑周全，确保供水系统运行的安全稳定;加强对专业技术人员的培养，使他们能正确掌握供水自动化系统的使用模式和要点，同时能够及时发现问题、排查隐患，确保系统安全工作;供水流量计量系统设计合理、使用方便，保证公平公正。

5 结语

新疆“500”供水闸联动稳控及水务综合管理系统建设采用了先进的软硬件平台，充分体现了当代水利建设设计理念，实现了周边工业园区常年供水。

该项目的建设极大地提高了“500”地区供水安全和供水可靠性，实现了从有人到少人再到无人化管理，有效地减轻了劳动强度，提高了当地人民生活水平，促进了当地国民经济可持续发展，对边疆经济发展具有积极意义。

［1］霍宁，谢亚平，周庆忠．泵站综合自动化［J］．水电厂自动化，2002(4)．

［2］龚玉栋，刘新泉．解台泵站计算机自动控制系统设计［J］．水电自动化与大坝监测，2007(4)．

［3］方辉钦．现代水电厂计算机监控技术与试验［M］．北京:中国电力出版社，2004．