南水北调闸站自动化系统数据采集与处理

石雨生，徐志明，张恒昌

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

南水北调东线一期工程山东段闸站自动化系统设计中管理机构分为三级：一级调度中心（主调中心）、二级管理局分中心、三级现地管理处。目前“两级调度、三级管理”的调度模式趋于成熟，两级调度是指由二级局分中心根据调度指令要求直接对所辖的现地闸站进行远程自动化控制，完成日常调水作业。闸站参与调水作业的基础设备主要包括启闭机、开度仪、PLC 成套柜等。自动化控制系统自建成投入运行后，大大提升了调水作业的规范性、安全性。同时，部署远程和现地组态软件，建立一个分布式监控平台，通过统一的协议使各监控平台节点进行通信和交互，监控和数据库服务与各级闸站监控系统交互，提供了现场闸站“无人值守”化管理的技术保障，实现了远程监测、操控[1]。

本文在剖析南水北调东线一期工程山东段闸站自动化系统架构的基础上，对数据采集与处理功能设计进行探究，为日后调水作业控制数据的采集、分析、精细化应用提供参考。

1 闸站自动化系统架构

南水北调山东段一期的闸站自动化系统由远程和现地两部分构成。远程控制系统主要有调度中心远程控制系统，主要负责全线闸站调度运行作业和系统运行监控；分中心远程控制系统，主要负责辖区内所属各闸站系统控制与监控。现地站控制系统部署在各现地闸站，通过采集PLC的数据系统实行现地操作控制，与底层的水位计、流量计及部分终端直接通讯。

监控服务主要有：监控管理，监控各闸站的运行情况及指令下发；控制模型，负责闸站控制逻辑及运算单元；数据库服务，提供强有力的数据存储和管理及数据的备份和恢复。

现地站主要运行两套冗余热备的PLC 设备，以其中一台PLC 为主，一台为辅，可以任意切换，PLC 模块主要采用 Quantum M340 系列，CPU 模块间通过热备光纤相连；现地PLC 控制系统主要进行水位信息、流量信息、开度信息、电流信息、电压信息、设备状态数据的采集工作，对采集数据进行初步分析筛选，为设备安全运行提供有效依据，为后期数据分析打下基础。

2 数据采集与处理功能设计

对于沿线各闸站自动化系统采集、监测的数据主要包括闸前水位、闸后水位、流量、闸门启闭状态、开度信息、电量信息、环境数据、限位及荷重状态、相序故障信息等，并实施闸门现地及远程的自动启闭控制。

2.1 功能概述

数据采集功能主要包括对现场闸站水位、流量、开度、电量信息、限位及荷重状态以及各种状态数据进行采集和处理。控制功能主要包括现地PLC 柜及远程控制平台下发控制指令并实现远程控制闸门的目标。

通过现地PLC 控制系统将现地设备数据信息全部采集到PLC 控制柜，分析后上传至远程控制平台，集中展示数据信息。

1）水情信息采集。对闸室闸门开度、闸门启闭状态、水位及电源、供配电状态进行实时采集。所采集数据在上传远程控制平台的同时，还需为现地控制、监控、管理及记录提供实时数据。

平阴渠道管理处所辖闸室大部分采用电子水尺采集方式，该设备安装于闸前、闸后翼墙处，通过测量水淹没传感器的高度并经换算后获得水深。所测数据信息通过无线传输设备传输到PLC 控制柜。

2）流量信息。重要节点安装流量计进行流量数据采集并上传；非重要节点通过计算模型加载流量信息，流量计算模型通过实时水位信息、水位设计高程、开度、闸站类型等基础数据，设定可修整变量参数实现流量数据的计算。

3）远程控制。通过远程控制平台实现闸门开度、启停的控制。远程控制平台通过网络传输介质将控制指令下发至现地PLC 控制系统，现地PLC 控制系统通过解析控制指令，将控制命令下发至现地启闭机控制系统。

4）故障报警自动上报。水位异常变化和闸门异常变化均可发出报警信息，报警阈值可在管理端进行设定。当出现通讯状态中断、闸门冲顶、停电、过流等故障状态时平台发出报警信息，报警数据在上传平台的同时在本地记录留存。

5）事件操作记录。启停状态变化、操作指令（包括远程指令）、控制参数的增加、删除、修改等动作、故障报警状态将作为事件在上传平台的同时在本地记录留存。

6）事件警告。启停状态变化、操作指令（包括远程指令）、控制参数的增加、删除、修改等动作均可触发事件报警。

7）参数设置。由于外界环境的变化，测量设备正常运行的情况下，会出现数据微差，消除微差，参数修改。

8）声光报警。远程提升闸门时会给现场人员提前告示，闸门在动作之前会有声光警示。

2.2 输入、输出项

1）输入项。通过PLC 实时收集的数据如模拟量与开关量，对需要计算的数据进行必要的处理，并将处理后的数据按不同类型分别存入不同的数据库表，以备查询。现场需要采集的数字量有：启闭机手动、自动、停止、运行、故障、机械上下限、仪表上下限状态，采集模块为DDI1602，该输入模块触点对应程序的输入寄存器地址，由此在程序中对应分配正确的寄存器地址，该状态就会相应发送至触摸屏。

水位采集设备包括浮子式水位计、超声波水位计、电子式水位计、雷达式水位计、压阻式水位计。水位计输出信号包括2 种，一种是RS485 Modbus 协议类型，一种是4～20 mA。其中采集4～20 mA 的模拟量信模块为AMI0810 模块，模拟量转换为数字量，给定相应的通道分配，程序中建立模拟量转换功能块，功能块经过逻辑运算，然后整定输出相应的闸前、闸后水位。RS485 Modbus 协议采集模块为BMXNOM0200 串口模块，通讯格式9600.0.8.1 地址等参数设置正确后，在PLC 程序中就可读到水位计信号，读到的数据会存储在指定的寄存器中。

现地高压柜的电量为多功能表，传输方式为RS485，Modbus 协议，采集模块为 BMXNOM0200串口模块，通讯格式9600.0.8.1 地址等参数设置正确后，在PLC 程序中就可读到电能表的电流、电压等参数，读取的数据会存储在指定的寄存器中。

2）输出项。通过PLC 采集的各类数据信息存放在不同的寄存器中，作为限制条件执行逻辑程序，包括远程开闸、关闸、停止等，限制条件满足，执行信号输出，驱动外部继电器，由外部继电器去启动或关闭信号。

采集到的模拟量、开关量数据，PLC 可通过接口通道读取各类数据，根据读取的数据再经过数据计算、整定、处理得出实际的测量值。

2.3 流程逻辑

底层设备的数据信息经过采集模块传输到PLC 处理单元，PLC 进行计算处理判断后，在监控单元上进行展示，包括触摸屏和上位机，并且存入上位机的数据库。

3 系统优化分析

3.1 数据采集设备优化升级

经过较长时间的调度作业，可以看到传统采集设备普遍存在“测不到、测不准、测得慢、成本高”[2]的难题。尤其是在南水北调东线现场工况下，高温、灰尘和湿度过大是导致各类采集设备损坏的主要原因[3]。各类采集设备提供了基础决策的数据，为保证这些采集设备可靠运行，在优化运行环境的基础上，还应充分考虑水质和冰期调水作业对水位采集的影响，充分考虑感应、传输、供电等电子元件的使用寿命、故障率对数据采集的影响，根据运行维护工况对故障频发的水位、闸位等采集设备进行优化升级。

3.2 强化数据筛选和清洗

基于具有强大处理功能的PLC，高频次的数据采集过程中产生了大量干扰数据或无效数据。在进行闸站自动化系统设计过程中，已经采取了一定的过滤策略。然而经过长时间的运行，暴露了不能全面覆盖数据种类、范围的缺陷。应当在原有过滤策略的基础上建立一套数据分析决策机制，在保证真实交互的基本需求下，对采集数据进行预处理，筛选和清洗干扰数据，降低PLC和远控系统的处理负荷。

4 结 语

随着“水利工程补短板、水利行业强监管”总基调的确定，水利信息化已开始步入快车道，强大而完善的闸站自动化系统有效提升了南水北调东线调水作业效率，采集设备的提升改造保障了自动化系统数据采集的及时、准确、可靠。在完善远控、现地控制功能的同时，优化数据采集和处理的设备、流程，引入数据分析技术，全面提升南水北调东线的闸站自动化控制水平，实现南水北调工程的自动化操作、精准化控制、智慧化调度等方面，确保安全运行，为社会经济发展提供可靠的保障。