温州龙舟运动基地水利自动化控制体系的设计与实践

王思芳

（温州市瓯海中心区建设中心，浙江 温州 325014）

1 基本概况

温州龙舟运动基地作为2022杭州亚运会龙舟比赛项目场地，对保障国家亚运会顺利进行、树立温州城市国际品牌以及弘扬温州龙舟民族文化等具有重要意义。该基地位于温州市瓯海区中心区南单元，处于城市中央绿轴末端，周边为居民住宅区及景观河，地理位置优越。该基地采取“水岸同建、无缝相连”方式，布局“一场二馆一水上基地”，将打造全国最高端的龙舟综合体育中心。基地包括温州龙舟运动基地、瓯海区奥体中心（包括主体育场、体育馆、游泳馆、运动员公寓及配套商业）、配套道路工程等。

本基地实质上是一个水利水域工程，包括赛道及周边河道，其中龙舟赛道长1 200 m、宽130 m，工程范围内周边河道总长约2 170 m；赛道护岸长约2.5 km，周边河道护岸长约4.5 km；河道开挖疏浚工程，开挖95.97万m3；有5座节制闸，总净宽106 m；1座排涝泵站与4号闸合建（兼换水），设计流量4 m3/s，Φ700 mm引水管线545 m。5座节制闸和1座闸站的基本情况如表1所示。

表1 水闸泵站基本情况表

温州龙舟运动基地作为2022杭州亚运会龙舟比赛项目场地对防汛防台提出了更高的要求，且总体控制要符合2021年浙江省政府提出的数字化改革总体要求。目前5座节制闸和1座闸站的主体工程建设已经完成，如何在原来的设计基础上进行深化和全自动化建设是本文重点研究和实践的问题。

2 总体框架

本研究和实践的总体思路是以浙江省水利数字化转型方针为宗旨，遵循“水利工程补短板、水利行业强监管”的基本工作思路，充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、移动互联网、自动化等现代信息科学技术，接合工程防洪排涝的职能，建设龙舟基地闸泵站集中监控系统，提升龙舟基地的防洪、防汛及排涝能力，辅助工程安全高效运行、防洪调度规范、科学、精准，加速温州龙舟基地闸泵站数字化转型。

温州市龙舟运动基地工程自动化控制系统按照多层通信架构进行建设，将传统的感知控制层、通信传输层和集中控制层3层结构，增加为4层结构，即增加了数据应用层，该层为后续设备、组态软件选择、网络安全体系建设及外部数据共享提供了基础保障，系统架构如图1所示。

图1 系统技术架构图

本次研究范围主要围绕1号、3号、4号、5号、6号5座闸站、龙舟赛道及1处控制中心进行。结合以往相关项目建设经验以及对比现场实际情况，本项目的主要建设内容包括：

（1）1号、3号、4号、5号、6号5座闸站的远程监控系统建设。完成对闸门现地控制柜的远程对接，完成水泵的远程监控，实现控制中心对现地闸泵的远程控制及管理。闸门的开度需要闸门控制厂家在原控制柜上将闸门的实时开度经备用AO点，以4～20 mA信号输出，接至新增LCU控制站。

（2）控制中心建设。为了实现闸泵的远程监控，需要在控制中心增加核心交换机、防火墙、网闸及上位机控制软件等，同时增加一台控制工作站和一台防汛工程师工作站。防汛工程师工作站通过防火墙与以太网链接，安装龙舟基地的标准化防汛系统，采集视频、闸门启闭状态、开度、水位等数据，将这些数据传入云端数据库，与瓯海区水平台进行数据共享。

（3）网络安全。采用光纤网络进行建设，单独新建工控信息交换网络，采用工业级网络设备组建控制网络,网络形式采用环形网络,同时开展网络安全设计与实施，达到国家二级等保的要求。

3 拓扑结构

本闸门远程监控系统采用3级结构进行建设，包括现地控制层、通信网络及远程控制层3级。系统建成后，基本实现现地无人值守管理模式，数据实时反馈到调度中心，提高水闸管理和调度效率。系统拓扑结构如图2所示。

图2 网络拓扑结构图

（1）现地控制层。现地控制层对所管辖的生产过程进行完善的监控，能脱离远端控制层独立完成监控过程的实时数据采集及处理，单元设备状态监视、调整和控制等功能。

（2）通信网络层。通信专用光网络，将现地控制层设备与远端控制层设备网络打通，连接控制中心和现场控制设备终端。

（3）远端控制层。远端控制层负责采集和处理来自现地控制层的数据、人机对话、与现地控制层和综合信息管理平台的通信。远端控制层控制工作站设置在管理中心运行人员操作控制台上，同管理中心其他子系统协同工作，完成闸站监控的调度任务。

4 系统功能

（1）数据采集与处理。模拟量的采集与处理主要对闸站上下游水位进行周期采集。开关量的采集与处理主要对各类故障信号、设备运行状态信号，手动自动方式选择的位置信号等以定期扫查方式接收，最后经格式化处理后存入实时数据库。开关量输出主要是特指各类操作指令。

（2）运行监视和事件报警。①通过显示器对闸站主要设备的运行状态进行实时监视。②监控系统将对某些参数以及计算数据进行监视。③闸门远程监控系统定时扫查各故障状态信号，一旦发生状变将在显示器上即时显示出来，同时记录故障及其发生时间，并用语音报警。

（3）控制与调节。运行人员在控制室计算机上对需要控制的电气设备发出各种控制操作命令，实现对设备运行状态的变位控制。如水闸闸门的开、关；汛情水泵电机的启动、停止。

（4）系统保护。闸门系统自身拥有现场PLC控制柜，位置反馈信号和驱动信号均通过现场PLC控制柜IO模块反馈至新建LCU控制柜。

5 应用实践

5.1 现地控制单元建设

本系统的控制柜采用专业定制，长宽高分别为2 000 mm×800 mm×800 mm（含温湿度凝露装置、风扇，照明，加热），不锈钢，双层门，尺寸与现场控制柜一致，保证美观大方。

本次对闸门进行控制与监测选用了西门子S7-200 Smart系列PLC，它是西门子公司研制开发的新型智能型PLC，具有多项业内领先的功能与产品特点。单体I/O点数最高可达60点，基本指令执行时间可达0.15 μs，标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能，CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100 kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式。

触摸屏采用MCGS（昆仑通态）公司的TPC1061Ti型号产品，TPC1061Ti是一套以先进的Cortex-A8CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率1 024×600），四线电阻式触摸屏（分辨率4 096×4 096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。

控制系统组态软件选用亚控公司的组态王7.5 SP3，“组态王”作为民族工业软件品牌，支持授权锁国产化，响应国家号召。提供SOAP和Restful两种协议的WebService服务，用户可以根据需要访问不同协议的WebService服务，为后续的应用软件打造奠定了基础。

根据现场情况，1号、3号、5号、6号闸门控制柜安装在室外公共区域，控制柜安装了防护栅栏，对设备进行防护，确保设备安全以及附近人民群众的人身安全。

对原控制柜软件进行改造，新增控制柜需要实时读取已安装控制柜的实时数据，包括闸门的开关情况、开关幅度，还需要调度中心对原系统进行远程操作，控制闸门的开关和水泵的启停。需要对原控制系统进行软件改造，部分程序重新修改等。

实现了异构通信，读取现有动力柜的软启动装置、多功能电表的数据，实时读取设备运行情况。

5.2 控制中心建设

为了最大限度地节约成本，本项目充分利用了现有办公室操作工作台，配备监控工作站及管理工作站，完成赛道中心自控系统总调度监控室搭建，通过集成的显示系统及中控系统，集中展现各项监控、监测数据信息及图像信息，全面展示赛道中心自控设备运行工况。

在控制中心部署网络安全设备、交换设备等，确保远程控制系统的安全及数据转发，主要设备包括：防火墙1台、网闸1台、核心交换机1台、打印机1台、数据服务器1台等。工作站采用了研华IPC610L，性能稳定。数据服务器采用了DellR740，性能高，CPU频率2.4 GHz，CPU核心为十核；CPU线程数为20线程。

由于现有控制室内的电脑配置过低且显示屏尺寸小、边框大，不适合应用于闸泵远程监控系统，因此需增加1台高配置的工控机。

同时增加1台防汛工程师工作站。防汛工程师工作站通过防火墙与以太网链接，安装龙舟基地的标准化防汛系统，采集视频、闸门启闭状态、开度、水位等数据，将这些数据传入云端数据库，与瓯海区水平台进行数据共享。

5.3 网络体系建设

为了保证网络安全，闸泵远程监控的运行数据通过网闸隔离后，存储于数据服务器中，其数据的分发需要再经过防火墙的隔离后，单向向上传输到云服务器。防火墙采用了工业网闸—宽域CKDYFID4000。该防火墙采用了2+1结构设计，双主机系统+硬件隔离控制器；非INTEL指令集的网络处理器；硬件隔离控制器采用专用数据处理芯片，无操作系统，延时小于5 ms。工业环网交换机采用了宽域S2100D-F2T8。

为了满足国家等级保护2.0要求，对系统软件进行可靠防护，建设了安全防护系统，包括云防火墙、数据库审计、运维审计和日志审计、漏洞扫描、入侵防御、DDoS攻击等。

6 结束语

通过本次龙舟基地闸门泵站自动化控制体系的设计与实践，得出如下几点经验。

（1）总体结构设计上采用了高要求高标准的4层结构。结合浙江省数字化改革和2022亚运会对基地建设的高要求进行总体设计，考虑自动化系统与瓯海区水平台以及外部单位的数据共享，在传统的感知控制层、通信传输层和集中控制层3层结构上，增加了数据应用层，为后续设备、组态软件选择、网络安全体系建设及外部数据共享提供了基础保障。

（2）温州龙舟运动基地作为2022亚运会竞赛基地，在系统建设中，充分考虑国产化，因此在工作站组态软件选择上，选择了支持国产化的民族工业软件品牌“组态王”,同时选择了能够支持数据共享研发的7.5 SP3型号，提供了SOAP和Restful两种协议的WebService服务，为后续的共享场景打造奠定基础。

（3）由于数字化的高要求以及数据共享的需要，考虑亚运会竞赛基地的战略重要地位和重要场所，网络安全必须高要求打造，而本次设计和建设充分考虑了这一点，在网络硬件防火墙上选择了高性能的设备，而且满足了国家等级保护2.0要求，建设了包括云防火墙、数据库审计、运维审计和日志审计、漏洞扫描、入侵防御、DDoS攻击等模块的安全防护系统。

（4）始终遵循既高标准又充分节约的原则，充分利用原有的控制中心机房、控制台、大屏、光纤网络等空间、备用接口和富余容纳能力进行本次建设，在实践中取得了很好的效果，值得同类项目设计与实践借鉴。