泗阳节制闸综合自动化管理系统设计

刘厚爱， 刘须朋， 李伟鹏， 范明业

（江苏省南水北调泗洪站枢纽管理所，江苏宿迁 223900）

0 引言

泗阳节制闸为新建大型水闸。位于泗阳县众兴镇东约2.5 km处的京杭运河上，是南水北调中运河段梯级控制之一，也是泗阳水利枢纽工程重要组成之一，该闸具有防洪、灌溉、发电等综合功能。汛期主要承泄上游沂沭泗流域下泄洪水，非汛期拦蓄刘老涧来水便于上游的灌溉、航运及工业、生活用水。泗阳节制闸设计流量1000 m3/s，为7孔节制孔；闸门采用弧形钢闸门，配QH-2×225KN-10 m卷扬式启闭机；安装2台套叶轮直径为1.0 m的立式轴流水轮机，单机配套电机功率160 kW。为提高泗阳闸进行现代化管理水平，特别是在国家南水北调东线工程中，建设以泗阳闸综合自动化监控信息系统更具有现实性和重要性。

1 泗阳节制闸综合自动化管理系统设计原则

1）实用性。满足日常生产、管理的需要,使用方便、界面友好。

2）先进性。应采用先进和成熟的硬件、软件、协议和平台。

3）可靠性和安全性。应从各方面考虑系统的可靠性,且必须具有足够的安全性能。

4）开放性和标准化。应能实现网络互连、应用互操作,达到资源共享。

5）可管理性。系统应具有良好的可管理性,应在不影响正常运行的情况下,具备有动态的重组和扩展性。

6）可扩充性。要求系统的可扩充性及前后兼容一致性应较好,在现基础上灵活方便地构建和扩充新系统。

7）经济性。在系统配置方案中应充分考虑性能价格比的因素。

2 泗阳节制闸综合自动化管理系统设计内容

主要包括：基本信息管理系统、工程适时运行信息管理系统、计算机远程监控系统、远程视频监视系统、综合办公管理系统、电话语音系统。通过网络对工程进行监控并将运行数据、状态实时真实地传输至各级管理人员面前。系统集测量、控制、保护、信号、管理等功能于一体。结合视频系统，实现工程运行在线巡查，提高效率，保证工程安全。

3 泗阳节制闸综合自动化管理系统设计要求

1）数据采集与处理：数字量（模拟量）和开关量的采集与处理；实现数据指令传送和图像浏览，以及水情数据的收集处理。实现数据通讯：与上级部门的通信，计算机与设备的数据通信。

2）运行监视和事故报警：运行实时监视、参数越限报警记录、事故顺序记录、故障状态显示记录、事故追忆及相关量记录。

3）控制与调节：主要为7孔节制孔闸门及户内变电所的电气设备。小水电控制单元在小水电控制屏完成，并与监控主机相连接。根据上下游水位、流量关系曲线，自动控制闸门开高；根据上下游水位、自动限流、限水位控制；实现节制闸设备的自动控制，满足“无人值班，少人值守”的要求。实现控制室内集中数据显示、分析、处理；实现集中和分散控制。

a.统计与制表：对采集的数据与检测事件进行在线计算，计算过闸流量和统计过水量。

b.人机接口：使值班人员对运行过程进行安全监视，根据工作人员职权不同，设置不同操作权限。

c.语音提示功能、系统自检和自动重启动。

图1 泗阳节制闸监控系统结构图

4 泗阳节制闸综合自动化管理系统结构

如图1所示，泗阳节制闸监控系统为自动化系统的核心，实时采集现场运行数据，实施设备的自动控制，上传实时数据及时接收调度控制命令，完成遥信、遥测、遥控、遥调等功能，实现闸门的远程集中控制。泗阳节制闸监控系统采用分层分布开放式结构，分为远方、站控室、现地3级，控制权分远方、控制室、现地3级。

1）远控级设在泗阳闸站管理所（泗阳闸上级管理单位）内，通过光纤与节制闸控制系统连接，实现信息采集与调度指令的下发，必要时实现远程控制，同时闸门、小水电等设备运行状态、参数等上传给远控级。现地监控单元与监控工作站采用以太网方式与交换机连接。

2）站控级设于节制闸桥头堡控制室内，通过网络将节制闸实时运行信息与数据（如运行参数、闸门开度、水位曲线、流量等）上传至远方。通过监控网络与现地控制级建立通信，通过工作站的监测监控界面，显示现场设备的运行参数与状态，同时下发控制命令，监督现地监控单元对监测监控命令的执行。

3）现地控制级是系统最后一级也是最优先的一级控制，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。

5 泗阳节制闸计算机监控系统功能

1）监控工作站。控制室监控主机是自动监控系统的上位机。其主要功能如下：联网功能与调度管理系统中心（位于泗阳闸管理所）联网，通过网络接收带密码的调度、控制指令，并向上发送本站实时运行信息。

2）现地控制单元。现地控制单元LCU由PLC、电源系统、切换开关、控制按钮、通讯模块、触摸屏等组成。现地控制单元是控制闸门运行的最高一级自动控制单元，即使在监控主机出现故障或脱离站监控工作站时，它也能保证闸门正常运行和程序控制的各种运行操作。现地控制单元采用以太网方式通过交换机与监控主机进行通讯，接受上级开、停命令，同时上传各种设备的状态和运行数据。

6 泗阳闸计算机监控系统硬件设计

1）监控主机兼操作员工作站计算机技术参数：Z620/E5-2609*2/4GB/500GB/NVS300/DVDRW/P221显示器。

2）信息发布服务器：DL388G8/E5-2609*2/8GB/300GB*2/dvd/冗余电源等，随机配Windows 2008 Server操作系统软件。

3）数据库服务器：Proliant DL388G8 E5-2609/4GB/500GB*8/DVDRW等，随机配Windows 2008 Server操作系统软件。

4）PLC控制单元。主配CPU、电源模块、触摸屏、DI、DO、AI、继电器、避雷器、附件等，标准机柜尺寸为800mm×600 mm×2200 mm。

5）浪涌保护器。浪涌保护器在水利系统有广泛运用，性能指标为TDX DG系列水平。包括一级浪涌保护、二级浪涌保护、三级浪涌保护、信号浪涌保护。

6）水位计及扬压力传感器：a.上游水位计采用WFX-40型数字式斜井水位计；b.下游水位计采用雷达式超声波物位仪ABM200/033R5C4-PVPP3A-N-OOBG；c.投入式扬压力传感器GEMS-2600BGA1619M3GA4～20 mA（0～0.2 MPa）。

7）触摸屏：现地控制单元设置10寸的触摸屏，用于现地数据监视及操作的人机接口。

8）环网交换机：16个100Mbps电口，2个1000Mbps光口。

9）工作电源：现地控制单元工作电源选用交直流双供电装置。电源装置应具有过电压、短路、冲击电流等基本保护。UPS不间断电源：C3KS/3kVA/2h。

7 泗阳闸自动化计算机监控系统软件设计

计算机监控软件系统包括系统软件和应用软件。

1）系统软件。系统软件包括操作系统、数据库管理平台及防病毒软件。

a.操作系统：各类服务器应采用Windows 2008 Server的服务器版，调度计算机及操作员站采用Win7专业版。

b.数据库管理平台软件采用客户机/服务器体系结构，支持快速存取和实时处理，为监控系统记录及管理实时及历史数据提供基础平台。数据库平台软件选用Wonderware Historian历史数据库。为高性能实时和历史数据库，能提高数据管理和存储性能，易于报表生成的开发且灵活的SQL访问。

2）应用软件。应用软件包括数据接口与管理程序、信息发布与查询程序、数据上传接口程序。

监控系统应用软件包含上位机监控软件及现地控制单元应用软件。上位机监控软件包括监控平台软件监控平台软件选用Wonderware inTouch for Sysplatform系统平台及系列。及基于平台软件二次开发的应用程序软件；现地控制单元应用软件包括PLC编程软件PLC编程软件选用GE编程软件运行于Wonderware平台使用IEC语言编程。PLC应用程序软件及触摸屏应用程序软件。

系统运行环境软件：泗阳节制闸和管理所调度计算机及操作员站配置运行软件（InTouch for SysPlatform 2012R2 w/HistClient,Chinese），可视化操作员界面，可以连接多种PLC、DCS和智能仪表，将整个系统的数据和报警信息与控制系统进行交换数据，可以将实时数据库的历史数据和实时数据进行提取访问和数据分析输出、打印。

8 泗阳节制闸计算机监控系统操作流程

操作流程分现地控制操作流程和远方控制操作流程。远方控制操作流程（提升闸门）为：确认现地控制柜上的控制方式选择开关在"远方"位置，按照规定的顺序逐级合上电源开关，将PLC控制程序下载至PLC，并启动PLC运行，检查各状态指示灯是否正常指示，起动监控主机监控程序，其控制流程为如图2所示。

9 泗阳节制闸视频监视系统

1）视频系统结构分布，如图3所示。

通过设置视频监视设施，使工作人员能够对现场关键设备的运行状态进行直接的观察了解，作为对自动监控系统的补充，帮助运行人员进行综合判断。同时该系统能够与自动监控系统相连，实现信号传输。

在工程范围内配置活动摄像机和固定摄像机，对各点及周围的现场情况进行全方位的监视和管理，使运行情况能够得到有效控制。

2）视频系统构成。视频监视系统按照4部分设计，即前端设备、传输设备、控制设备、显示设备4部分。在控制室监控中心利用视频控制主机对视频图像进行切换和管理；在监视器上显示画面分割图像；通过网卡与局域网连接，使值班人员能够在监控中心通过监视器实时直观地看到来自前端监控点的任意图像。系统的传输分布于各摄像点、报警点和监控中心之间，主要完成视频信号、控制信号的传送。系统传输采用结构化的标准布线方式，开放式的体系，灵活的模块化结构。

图2 控制流程

10 泗阳节制闸、泗阳闸站管理所调度及信息管理系统

泗阳节制闸上级主管单位是泗阳闸站管理所，主管部门为江苏省省骆运水利工程管理处。

10.1 泗阳节制闸、泗阳闸站管理所信息管理系统结构

如图4所示，信息管理系统选用星形拓扑结构组网，将泗阳闸管理所控制楼节点作为信息管理中心节点，集中实现数据应用、存储、应用管理及对外接口等功能，其它节点应仅作为信息管理的终端，选用信息管理网交换机，信息管理中心配备1台数据库服务器、1台信息发布服务器以及各站点的办公终端组成办公网络，调度管理系统为环形光纤快速以太网拓扑结构，采用环网交换机，分别由泗阳一站、泗阳二站、泗阳闸、泗阳闸站管理所组成。环网交换机网络协议保证环内站点发生故障时在100 ms内收敛，实现各节点的数据传输并高度实时。调度管理系统中心交换机通过硬件防火墙与信息管理系统相连，并通过与信息管理系统相连，向上接入江苏省骆运管理处水利系统调度网，进行传输数据、话音交换、图文传真、监控图像等内容。各站点之间全部采用光纤通信。

图3 泗阳节制闸视频系统结构图

图4 泗阳节制闸及泗阳闸站管理所信息网络结构图

10.2 信息管理系统功能

信息管理系统的建设应能实现运行管理单位的办公自动化、管理智能化、调度远程化、决策科学化。调度管理系统接收各工程站点的运行状态（包括机组开、停机状态；节制闸闸门升降停状态等）、数据传输（包括上下游水位、闸门开度等参数）信息，实现对各站点的远程调度管理，系统具有权限设定功能。实现各工程站点数据共享。由信息管理系统取用调度管理系统存储的数据、信息，实现发布、查询及上传功能。

11结 语

泗阳节制闸综合自动化信息管理系统的设计，是根据泗阳节制闸的现代化管理要求，全面考虑了节制闸工程运行的各种因素，改变了过去靠人工手动操作设备和巡视工程运行的管理模式，实现了工程管理的计算机自动化监控，达到过程运行在线式巡查。结合视频系统和信息管理系统，使工程管理达到"少人值班，无人值守"的运行模式，提高了效率，提高了泗阳节制闸工程安全运行的可靠性。设计理念较为先进，其设计方案可供同类水闸设计和技术改造时参考。

［1］ 刘中伟，王泗宏，书震.远程监控系统的设计与实现［J］.飞行器测控学报，2002（1）：44-49.

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［3］ 卢选民，张原，史浩山.分布式智能监控系统视频多画面显示的设计与实现［J］.计算机应用研究，2000（3）：73-75.

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