浅析城市防洪自动化监控系统

2016-08-11俸建萍

大科技 2016年13期

关键词：城市防洪水闸防洪

俸建萍

（桂林防洪排涝工程管理处广西桂林 541002）

浅析城市防洪自动化监控系统

俸建萍

（桂林防洪排涝工程管理处广西桂林 541002）

本文主要详细介绍了城市防洪自动化监控系统的总体设计方案，并以PLC系统为核心，采用人机界面开发工具、工业以太网技术和数据库技术设计的城市防洪自动化监控系统的结构和功能。以华南计算机技术研究所近年来所承建的城市防洪自动化监控系统为案例，主要介绍了城市防洪自动化监控系统的设计。

城市防洪；监控系统；结构功能

城市防洪工程的功能由单一型（传统水利水电）向综合型转变，综合型功能主要是指在水利水电的基础上，通过自动化监控系统平台，将遥感、地理信息系统、GIS技术等现代化科学技术的防洪决策支持、防汛会商、水资源管理等信息系统充分运用起来。所谓的城市防洪自动化监控系统就是对城市防洪系统中的泵站、水闸、水文检测站的运行进行监测和控制，并向城市防洪信息系统提供其现阶段的运行工况，以及水情、雨情、水位、流量、排泄量等数据信息，为相关职能部门在防洪决策方面提供有力的科学依据，在城市防洪系统中具有关键性的作用。

1 系统构成及功能

城市防洪自动化监控系统主要分为三层：

第一层为现场测量、控制层，它是城市防洪自动化监控系统的核心，主要是由泵站、水闸、水文检测站的现场PLC控制站构成，用于防洪设备，实现对系统中所有设备状态的实时采集和远程控制，能够根据其测量的结果和设备运行工况开实现自动控制设备的运行。

第二层为监视、操作层，它是城市防洪自动化监控系统中人—机信息的交换平台，由现场操作站、控制中心操作站、控制中心数据服务器、Internet网上发布服务器、文件服务器等构成。该层主要对各现场PLC控制站采集的数据进行实时监测，可实时显示各工艺的参数、动力及变/配电设备的工作状态，并纪录、存储、事故报警等，可提供直观的画面，方便操作人员进行人机交换接口和远程控制现场设备。

第三层为浏览、管理层，它是一个大型局域网，将所有和城市防洪相关的职能部门结合起来。通过IE浏览器浏览人—机界面，掌握所有设备的运行状态和实时工艺参数，使相关职能部门能及时掌握水情、雨情、水位变化等防洪信息，做好防洪准备工作，为防洪决策提供有力的科学依据。

以下详细介绍系统各部分组成、功能、及如何实现：

1.1 现场PLC控制站

现场PLC控制站的主要组成部分是：现场PLC系统和I/O链路、在线检测仪表、电控设备、高/低压配电设备、现场总线等。

在线检测仪表通常将检测的水位、流量、温度等一些工艺参数以4～20mADC或1～5VDC标准信号形式送到PLC系统进行处理、分析和信息传递；PLC系统可以通过电气控制回路上的无源触点获取开关量的输入信号，以此来掌握电控设备目前的运行状态，比如潜水泵的运行、故障、水闸的开到位、关到位、过力矩等信号；与此同时，PLC系统还可以将开关量的输出信号发送到电气控制回路，最终实现远程控制相关的设备；除此之外，PLC系统通过现场总线，从高压综合计保（如Sepam1000+）和低压电力检测仪（如PM500）中采集高/低压电力参数，并对高/低压配电柜提供保护和控制。

PLC控制程序，符合工艺流程的设计要求，其主要功能有：①保护、测量和控制高/低压柜；②保护和测量主变单元和直流屏单元；③采集仪表数据和电控设备状态，控制现场设备；④通过现场总线，采集高低压进线和机组运行的电力参数，并送人—机界面显示和后台数据库存储；⑤通过工业以太网和其它站点进行数据交换，以及向人—机界面传送数据；⑥按照工艺流程的相关要求，对所有设备实现自动控制，包括现场泵站和水闸的无人值守；⑦通过人机界面接口接受操作人员的相关命令，远程控制设备启/停。

1.2 监视、操作层

监视、操作层主要包括现场操作站和控制中心计算机系统这两个部分。对于要有人值班的泵站和水闸，要求配置一定的现场操作站，现场操作站上的人—机界面程序的功能有：①整个系统的概况主要用工艺流程图的形式展现出来，包括生产过程、实时数据和设备状态的显示；②根据权限实现对系统相关设备的远程操作；③对实时和历史报警进行查询；④查询相关的工艺参数变化趋势图；⑤生产运行报表。

控制中心计算机系统主要包括控制中心操作站和各种服务器。控制中心操作站将所有现场操作站的图形和数据信息进行汇总，具备现场操作站的所有功能，在远程控制相关设备时，需要交换控制权。随着现场信号的调整、现场运行的需要以及对泵站水闸长期运行效果的分析，可对相应的工艺参数进行在线修改（如：测点名称、越限限值等）。

系统的相关设计要按照IEC61131-3标准来进行，要求PLC系统中的I/O点至少有20%的预留；PLC容量和机架可实现扩展；确保结构化和程序化的程序设计，可读性强，以便于后期对系统的扩展。

1.3 浏览、管理层

在网上发布服务器并开发门户网站，主要采用可视化方式通过IE浏览器来查看防洪泵站、水闸、水文监测站的实时数据和历史数据，将人—机界面的动态图形画面和报表全部展示出来，以便于有关部门能深入了解相关的防洪信息和防洪设备在当前的运行状态。

2 系统网络

系统网络为快捷、稳定、可靠的工业以太网，所有PLC控制站、现场操作站、控制中心计算机系统和各职能部门用于浏览自动化监控系统的PC机通过光纤连接在以太网上。对于有些站点，光纤是不能连接到位的，主要通过点对点的无线IP技术实现链路上的连接。

控制中心计算机和各职能部门PC机组成局域网，施行内/外网双网隔离。需要上外网（如部门内局域网，或Internet网等）的计算机都配置双硬盘和双系统，防止一些不确定的因素（如病毒）冲击工业以太网，以此来实现自动化监控系统安全性和可靠性的提高，确保控制指令的快速执行和反馈。

PLC控制站中还存在现场总线网，高压综合计保、低压电力检测仪和大量智能仪表都配有RS485物理接口，支持各种现场总线协议（如Modbus等）。方便PLC系统对其进行大量参数采集，减少了大量I/O链路连接，相对于传统的标准模拟量信号传输，提高了系统的采集精度。

3 系统防雷

系统中有独立的接地装置，接地电阻值小于1Ω。PLC系统模块都有“三类”防雷要求，模块所有公共端均是单点隔离方式。为进一步提高系统的可靠性和稳定性，电源的进线处加装过压保护装置，PLC系统模块配电加装浪涌抑制器，网络链路上加装防雷装置。对所有的DI/DO模块，采用中间继电器进行电气隔离。对采集二线制仪表数据的AI模块，采用信号隔离装置以提高模拟量信号的抗干扰能力。

4 系统主要控制

系统中所有设备的控制模式都为三级控制：

（1）现场手动：通过现场按钮控制设备（优先级最高）；

（2）远程点动：通过人—机界面接口远程控制设备（包括现场操作站点动和控制中心操作站点动）；

（3）远程自动：通过控制工艺自动控制设备的启/停。4.1水泵控制

水泵控制模块如图1。

图1 水泵控制模块图

手动/自动是人—机界面上的切换按钮；手动命令是操作员在人—机界面上发出的对水泵的控制指令；自动命令是PLC程序根据水泵的控制要求自动产生的控制指令（如：水泵根据水位高低的自动启/停，根据运行状况和轮循时间的自动启/停）；远程/就地是水泵电气控制回路上的电气控制和计算机控制的切换开关；安全连锁是水泵的低水位保护位；水泵硬件故障包括电机过载、缺相、水泵泄漏、超温、浸水等；水泵故障还包括PLC程序逻辑所检测的水泵运行时没有运行反馈和停止时没有停止反馈等软故障。

4.2 水闸控制

水闸控制包括开闸和关闸两个控制模块。水闸和水泵控制模式的相同部分不再重复。不同的是：自动命令是PLC程序根据水闸的控制要求自动产生的控制指令（如：水闸根据水位高低的自动开/关/停闸，根据设定的开度或排泄量自动开/关/停闸）；水闸硬件故障包括电机过载、水闸过力矩、张力失衡等；水闸软故障指水闸开/关时，在预置时间内没有开到位/关到位信号。

4.3 水利参数计算

在城市防洪自动化监控系统中，要根据采集仪表的相关读数，来对水利数据进行计算（如：水库库容、泵站排水量、水库排泄量等），并将其提交给城市防洪信息系统，作为防洪决策的主要依据。根据水库水位和库容特征曲线计算出水库的库容；根据水泵的排水量和扬程曲线、效能曲线可计算出泵站的排水量；根据水库水位、水闸开度、水库实际水深计算水库排泄量；根据雨量流量计计算雨情。