长距离调水工程闸站监控系统的研究和应用

管世珍

（南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州456150）

南水北调中线工程全长1 432 km，全线64座节制闸、97座分水口、54座退水闸、61座控制闸，总计276座闸站建筑物。为实现全线范围内的输水信息、闸门运行状态的远程监测与控制，采用超声波流量计和水位计采集水情信息，采用各类压力、温度传感器和仪器仪表采集闸门运行参数，通过PLC控制和网络传输设备实现数据的监视和控制，设计出同时具备现地和远程监控功能的闸站监控系统。

中线工程是非常有代表性的长距离调水工程，沿途闸站布置距离较远，在水流量、水位发生变化的情况下，为快速获取现场信息，保证闸门根据实际情况自动调节开关，多层分布式闸站监控系统成为实现多层次监视与控制功能的最佳选择，参照管理机构业务需求和系统实现的功能，现地闸站为总局、分局、管理处提供运行数据监视、历史数据存储、闸门状态控制，现地站作为闸站监控系统的基础平台实现各重要节点功能依据[1]。如图1所示。

1 闸站监控系统设计原则

闸站监控系统以“先进性、可靠性、实时性、可扩充性”为基本原则，确保系统平稳可靠运行。

图1 闸站监控系统主界面

1.1 先进性

闸站监控系统主要的特性，是采用了一个全分布式的通信结构，分布于大区域的数据被分散采集并集中送往系统中的某些计算机上进行处理，然后供遍布于系统中的各用户索取和使用。多层分布式结构可以在不同层次，依据系统授予的权限实现各层次数据采集、闸门控制、运行数据监视。

1.2 可靠性

闸站监控系统采用专网连接PLC设备，通过ModBus工业协议进行数据交互，数据可以多级备份，配置高性能UNIX和X86服务管理器代替主机备份，实现闸控数据的传输和存储，为保证持续供电配置了UPS系统。

1.3 实时性

利用实时数据库，通过GUI来显示所监控设备的实时状态，实时数据采集周期、归档周期、本系统历史数据保留周期等可根据用户要求进行配置。

1.4 可扩充性

闸站监控系统的数据库管理系统（RDBMS）要提供可扩充基本结构，当现有的系统功能需要增强时，在不修改现有指令的基础上实现系统扩充。

2 闸站监控系统组成

2.1 现地监控系统

现地监控系统通过现地PLC建立，配置现地闸站站控计算机、数据采集单元、传感器，数据采集单元将传感器识别出的物理信号转换成标准工业信号，实现数据采集，经PLC处理后通过I/O模块传输到监控系统平台，由闸站值守人员对现地设备进行监控管理。

2.2 远程闸站监控系统（数据采集与监视控制系统）

远程闸站监控系统有统一监控服务平台架构，监控服务平台是总调、分调和中控室3级远程监控子系统运行的基础，它分布于3级监控节点，是分布式监控平台，各监控平台节点按照统一的协议进行通信和交互，为闸站对象和各级远程监控系统提供监控和数据库服务[2]。如图2所示。

图2 闸站监控系统

3 现地闸站监控系统功能设计

现地闸站监控系统由PLC主控制柜、远程I/O控制柜、启闭机控制柜实现工控机监控、PLC监控、触摸屏监控功能[3]。

3.1 现地设备选用

PLC主控柜是下位机系统的中枢，负责进行现场远程I/O控制柜采集信号的处理并通过专网进行数据的上送、接收通信专网上位机下发的控制并将控制转发至现场远程I/O控制柜；远程I/O控制柜主要通过硬接线采集启闭机控制柜的闸门开度、电压、电流、水位、流量、部分元器件的工作状态，控制闸门的开、关、停、设值等。

为了保证系统稳定可靠，包含节制闸、分水闸（流量≥10 m3/s）、退水闸的现地站均需配备冗余PLC，其他类型现地站采用非冗余PLC。冗余PLC采用双机热备及冗余现场MB+总线和冗余以太网结构，I/O模块通过双MB+现场总线与双CPU通信[4]。

现场外部设备的通信采用了SJ30B通信管理装置。每套SJ30B装置自带数据库，能进行复杂、大量的数据处理，能把所有的通信数据组织、处理好后通过ModBus TCP协议传输给PLC，这样大大减少MB+总线上的数据流量，保证MB+总线的稳定。

3.2 工业控制计算机功能设计

工业控制计算机实现数据监测、调度指令控制、数据信息查询统计、数据存储和系统管理维护。数据监测包括实时闸门状态和水情信息监测、设备告警、传感器模拟量和设备运行趋势图。闸门控制是接受高级别调度机构下发闸门控制指令调节水位和流量，在远程监控系统出现故障、网络不通或发生应急情况时，对闸门进行安全控制。数据信息查询统计包括设备运行基本情况查询、实时运行情况查询、历史运行情况查询、指令统计记录。数据存储是将系统采集的闸门运行数据存储到Oracle SQL中。管理维护实现用户管理、系统参数管理、代码管理和PLC 管理[5]。

3.3 现地PLC监控功能设计

3.3.1 监控数据采集与处理

PLC数据采集与处理主要包括水位、流量、水量、闸位、温度、电流、电压以及各种状态值的采集与处理。

3.3.2 闸门控制

3级调度管理机构均可实现闸门控制，但是依据级别高低控制权限不同，进行远程指令下达，控制闸门远程自动开启或关闭，无论何种情况总是执行权限高的调度机构的闸门控制指令。

3.3.3 安全保护功能

现地传感器采集信号，经PLC程序分析，现地和远程均可监视到闸门不正常状态，现场会持续报警，可通过远程监控系统分析故障报警的原因，以便维护人员快速消除故障。

3.3.4 控制切换

为确保闸站监控系统的可控性，在现地启闭机控制柜配置手动、自动、远程切换旋钮，优先在现地实现工作状态的切换。

3.4 触摸屏监控功能

触摸屏是闸站液压启闭机的人机界面，主要功能为数据的监视、系统的操作。

3.4.1 数据监视

数据监视画面对PLC I/O模件采集的I/O信号进行实时显示，包括水利数据、配电数据、启闭机数据（含开入量、开出量、模入量、温度量、模出量）等。报警界面显示本闸站所有相关设备的报警信息，其中有些是直接的设备故障点信息，有些则是通过PLC内部计算出的报警信息。对一些事故信号、故障信号或重要的信号，在报警画面进行实时报警[6]。如图3所示。

图3 触摸屏主界面图

3.4.2 系统操作

触摸屏操作控制闸门启闭，通过多幅画面切换，在触摸屏上实时动态显示液压启闭机各部分的工况（触点、电流、电压、温度、故障等），并按提示在线设置、修改参数以及查阅储存资料。触摸屏主要实现对开入、模入、开出、模出、温度数据的监视和报警显示，以及对各闸门的开、关、停和设置开度及比例阀开度等进行控制操作[7]。

4 远程闸站监控系统设计方案

4.1 远程闸站监控系统设计原理

远程闸站监控系统采用3层架构形式，从上而下为表现层、业务逻辑层、数据访问层。该架构各层具有独立性，层间依赖性不强，结构清晰，容易实现标准化，层间替代性强等优势。

表现层是闸站监控系统最外层，最接近使用者，实现用户管理、人机交互界面、调度系统传输接口等重要功能。业务逻辑层在表现层和数据源层中间，起到承上启下的作用，处理表现层需要的业务逻辑、计算分析数据源交互的数据访问等工作。数据源层作为数据管理的源头，主要储存和管理数据库数据、PLC及闸站接口数据[2]。如图4所示。

图4 远程闸站监控系统3层架构模式

4.2 远程监控系统设计权限

中心、分中心以及管理处具备远程闸站监控系统功能。中心系统管理员具有最高权限，能够对全线所有用户进行管理，包括对其他用户控制权限的配置、系统参数的配置以及直接进行控制，中心调度管理人员（通过实时水量调度系统）、高级用户以及一般用户在获得系统管理员的授权后，可以进行控制。分中心系统管理员能够对所管辖范围内的其他用户的控制权限进行配置、对系统参数进行配置以及直接进行控制，分中心调度管理人员（通过实时水量调度系统）、高级用户以及一般用户在获得系统管理员的授权后，可以进行控制。现地闸站的操作员在获得中心或相应分中心系统管理员的授权后，可以对本闸站实施控制。功能权限划分如表1所示。

表1 管理机构功能权限划分

5 关键技术实现方案

为适应长距离输水自动化的需求，从数据通信、控制模式、数据采集3个核心业务分析，实现闸站监控系统的主要方案。

5.1 数据通信方案

系统的数据通信采用分布式结构、闸站分区、控制策略、数据采集等应用策略，以确保监控系统与现地闸站（PLC）数据通信的安全性、稳定性、可靠性和准确性。

5.1.1 分布式结构

总调、分调均能够直接与现地闸站（PLC）进行数据通信，每个现地闸站的PLC只与中心或分中心的某台通信接口服务器进行数据通信，具体由哪台服务器进行数据通信，将根据其优先级决定。

5.1.2 现地闸站分区

基于数据通信的分布式结构，需要将监控系统与现地闸站（PLC）的数据通信任务分布到不同的通信接口服务器上，然后将数据通信任务分布同一个服务器中的不同数据采集模块上。

5.2 控制方案

5.2.1 闸门控制方式

闸门控制设置为手动和自动，手动需要值守人员在现地站操纵控制屏上的开关进行闸门启闭，自动可经高级别调度机构下发调度指令完成闸门启闭，或者通过值守人员在现地站通过工控机或触摸屏输入要求的控制指令实现闸门启闭。

5.2.2 控制模式

多闸联合调度控制模型进行全线统一闭环控制的控制模式，自动从实时水量调度系统获得控制指令，自动对闸站进行控制并向实时水量调度系统返回闸站运行状态和渠道水情（水位和流量）。

单站控制模式由远程或现地监控操作人员通过监控界面对某个闸站实施控制，可分为分步控制和一步控制。分步控制即能够对控制过程中的每个步骤实施控制，在对液压闸的控制过程中，可以根据实际的控制流程，分别实施油泵开启、升闸、降闸、停闸、油泵关闭等控制，主要用于控制设备的检修、故障分析等；一步控制即用户输入闸门开度值，PLC接收到控制指令后，根据预先编制好的控制流程，通过对油泵的控制将闸门开/关到指定的高度。

5.3 数据采集与处理方案

数据采集模块通过控制专网，采用ModBus TCP/IP数据通信协议，从现地闸站PLC采集数据，数据采集模块将采集的数据送到实时数据库模块和报警处理模块对数据进行处理。

实时数据库模块将数据存储到实时数据库。报警处理模块对处理后的数据进行判断，通过数据同步模块，与其他实时监控与通信接口服务器进行数据同步。历史数据处理模块将处理后的数据存储到实时历史数据库，并对数据进行判断，将数据存储到应用信息数据库服务器的Oracle数据库中，保证数据的可靠性与真实性[8]。

6 结束语

以分布式数据采集与监视控制系统为基础的闸站监控系统设计，充分利用自动控制、网络通信、计算机等信息技术建设掌握水情、工情的闸站监控系统，实现了输水调度数据、闸站设备运行信息的远程监视，启闭设备现地和远程控制，实现全线闸门联合调度，确保输水渠道始终保持在合理的水位和需求的流量。闸站监控系统在南水北调中线的运用，实现了资源合理配置，对长距离调水工程的自动化运行管理模式的改进有很大推动作用。