沂沭泗直管控制性涵闸远程控制系统应用分析

王从明

（淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

沂沭泗直管控制性涵闸远程控制系统应用分析

王从明

（淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

本文对工业级的控制系统体系结构进行了介绍，分析了沂沭泗直管控制性涵闸自动化控制系统的现状特点，结合沂沭泗局网络现状，提出了涵闸远程控制系统技术应用方案，集成现有多个自动化控制系统，实现沂沭泗直管控制性涵闸集中管理和统一调度的目的。

控制性涵闸 控制系统 远程监控

1 引言

沂沭泗流域地处我国南北气候过渡地带，降水年内分布不均，多集中于汛期，主要河道源短流急、峰高量大，洪水陡涨陡落，往往在暴雨结束后的几个小时之内，主要控制站就出现洪峰，洪水预见期短、传播快。流域各主要河湖又相互连通，洪水调度过程中，某一控制点的动作，往往会产生一连串的反应。因此，流域各控制性涵闸调度十分频繁，迫切需要建立集远程监视与集中控制于一体的远程控制系统，利用现代化通信和计算机网络技术实现控制性涵闸远程实时监视和控制，便于对全流域洪水的集中管理和统一调度，发挥防洪、排涝、蓄水、灌溉、航运等综合效益，全面提高防洪调度水平，实现由控制洪水向洪水管理转变。

图1 控制系统体系结构

2 控制系统体系结构

根据信息系统开放、标准的思路，工业级的控制系统体系结构一般分为现场设备层、监控层和管理层（如图1），各个层次的通信协议符合国际标准的开放式系统互连模型，保证了系统的开放性和标准化，便于系统集成。其硬件及通信协议专门为适合严重电磁干扰、液体侵蚀、高度污染和机械冲击等工业环境设计。

现场设备层。该层分散的现场设备通过专业网络互连并通信，根据现场的环境特点，专业网络一般采用现场总线（如ProfiBus），现场总线具有开放、可操作的优点，将分散的现场各控制器和仪表互连，大大降低建设和维护成本。现场设备层是控制系统体系的基础，各种信息的来源，主要完成数据采集、数字控制、设备检测与诊断。

监控层。通过监控计算机监视现场设备层采集的所有信息，集中显示和操作，进行系统结构设计、组态、优化计算和参数修改。监控层设备相对比较集中，一般采用局域网络进行互连、通信。

管理层。将监控层局域网络接入管理单位的信息系统主干，建立统一的数据体系，使整个系统具有开放的软硬件平台，实现从底层到顶层的数据采集、处理、融合和管理，达到在整个管理单位层面实现人、财、物总体协调和管理的目的。由于管理单位一般具有多级分支机构，监控层分散于各分支机构，一般采用广域网络进行互连、通信。

3 涵闸控制系统应用分析

沂沭泗直管控制性涵闸包括二级坝一闸、二闸、三闸，复新河闸、韩庄闸、老运河闸、刘道口闸、彭道口闸、江风口闸、新沭河闸、人民胜利堰闸、嶂山闸和宿迁闸等水闸，其中大部分初步实现了现地自动化监控。现场设备采用ProfiBus-DP、MODBUS等总线互连，每条总线安装一台PLC和一台监控计算机，PLC和监控计算机作为该总线的主站，其他现场设备为从站，主站之间采用令牌环方式交互数据，从站和主站之间采用C/S方式交互数据。总线循环时间小于10ms，数据传输速率达到1.5Mbps。多条总线通过工业以太网络连接，为加强系统的可靠性，工业以太网采用环形结构，数据传输速率最大达到10Mbps，循环时间小于100ms。

图2 远程监控系统示意图

据现状分析，沂沭泗直管控制性涵闸现地自动化监控系统初步实现了控制系统体系结构中的现场设备层和监控层功能。为实现集中管理和统一调度的目的，需要进行管理层建设，依托现有的计算机网络，在沂沭泗局本部建设监控平台，汇集所有涵闸的信息，并进行数据处理、融合和管理。根据计算机广域网络状况，数据传输速率为2～8Mbps，循环时间小于1000ms。

沂沭泗各涵闸现地自动化监控系统建设时间跨度较大，采用的技术标准存在较大的差异，分别采用了不同类型的组态软件（WinCC、Cimplicity、InTouch等）作为监控层管理软件。由于这类组态软件是比较单纯的工业自动化软件，功能偏重于单个系统对控制对象的管理和操作，当使用这种软件为一个涵闸或在一个级别上对多个涵闸服务的时候，有良好的可用性、可靠性和稳定性。但是，当系统扩展到在广域的范围内，在多个级别上对多个涵闸进行权限和控制管理，就会存在若干问题。首先，多个级别的监控系统同时控制一个涵闸，权限协调问题难以解决；其次，多个级别的监控系统独立取得涵闸数据，存在数据的一致性问题；第三，多个级别的监控系统实际上是在由多个级别的数据库调整之下的独立系统，不能形成统一系统；第四，这种结构的可扩展性较低，当涵闸数量增多，或应用发生扩展时，需要花费大量时间进行扩展，而且难以部署；第五，开发相对来说复杂，不仅需要开发本地系统，还要开发权限管理协调系统。

综上所述，比较切实可行的办法是建设一套独立的远程监控系统，对现有的现地自动化监控系统进行集成。系统应包含一个监控平台和多个分散的I/O组件，监控平台与I/O组件通过现有的广域网络进行通信（如图2）。

监控平台建设在管理层，应包括数据库、人机界面组件和系统配置组件几部分。数据库存储采集的所有涵闸信息；人机界面组件提供图形化界面，直观的显示监控信息；系统配置组件提供系统配置修改、权限分配的功能。

I/O组件建设在各监控层，但是与监控层现有设备是相互独立的，I/O组件直接连接现场设备层的PLC。PLC是所在总线的主站设备，拥有该总线的所有数据，I/O组件从PLC取得数据，实时传送给监控平台的数据库。当增加新的监控站点时，只要增加I/O组件即可完成系统集成，扩展性较强。

由于远程监控系统具有统一的开发配置环境，集中了安全策略，具有灵活的数据连通性，易于维护，并能与现有监控系统紧密集成，适应了新世纪下沂沭泗局的治水需求。因此，系统能够延长现有监控系统的使用寿命，增加其随时间推移的功能值，从而提高沂沭泗局整个监控体系建设的投资回收率。

4 总结

沂沭泗流域跨苏鲁两省，主要控制性工程由沂沭泗局统一管理和调度，并建立了完善的管理机构，为建立一个以整个流域为单元的、完整的洪水监控与调度管理系统建设提供了良好的条件。建设沂沭泗直管控制性涵闸远程控制系统，必将大大提高流域直管工程的防洪减灾和洪水资源利用水平