平湖市農村圩區自動化控制系統的應用

李釗寶 ，胡正松 ，周國權 ，陸乙君 ，岑恩杰 ，胡靜雅 ，孫守松 ，張 峰

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；5.平湖市農村水利管理站，浙江 平湖 314200 ）

1 問題的提出

農村圩區內水系眾多，有大量的閘門和泵組等防汛排澇設備，傳統的操作模式為手動操作，需要投入大量的人力和物力進行管理。隨著科學技術的發展，利用自動化控制技術建立統一的現代化調度中心和報警系統[1]在防汛調度中發揮了巨大作用[2]，取得良好的經濟效益和社會效益。水利信息化發展十三五規劃中要求大力推進水利自動化系統建設。2016年，浙江省政府印發《全面推行水利工程標準化管理的意見》[3]，要求依托和整合現有水利信息資源，建立水利工程標準化管理運行管理平臺；同時《浙江省圩區工程運行管理規程（試行）》信息化管理中建議采用自動化監測和視頻監控等信息化技術逐步建立滿足圩區管理工作的軟、硬件平臺；浙江省《圩區工程標準化管理驗收標準》“信息化管理”要求：①建立運行管理平臺；②水雨情實現自動監測；③對重要區域進行視頻監控。

平湖市目前有24個農村圩區投入運行，400多座河口建筑（水閘、泵站）物，需要配備大量的操作人員進行手動操作，存在啟動時間長、效率低、人力成本高以及安全隱患等問題。作為水利工程標準化管理的試點城市，平湖市積極開展農村圩區的信息化建設，目前全市已建成24個農村圩區405座河口建筑物的自動控制系統。通過運用現代信息技術，實現大規模閘、泵站集群設備遠程自動化操作、信息數據的實時在線監測[4]和防汛調度的統一指揮[5]，全面提升圩區管理的工作效率和效能。

2 平湖市農村圩區自動化控制系統介紹

2.1 系統結構

平湖市農村圩區自動化控制系統采用分層分布式結構，系統功能分級、設備分布布置，通過光纖網絡實現監測、調度數據的傳輸（見圖1）。整個自動化系統分為調度層和現地控制層[6]，調度層為中控室機房，設在圩區管理中心；現地控制層設在各個閘站、單閘和泵站，可實現水閘、泵組機電設備的綜合控制，以及現地電氣設備的數據采集。農村圩區自動化控制系統包括計算機監控系統、視頻監視系統、閘門鎖定控制系統、潤滑水系統、水位監測系統、語音廣播系統以及中控室機房建設和網絡系統等，各子系統在結構上相互獨立，功能上相互補充，構成一套完整而先進的控制系統。2.1.1 計算機監控系統

圖1 系統架構圖

計算機監控系統主要是指通過計算機、PLC、網絡、閘位計（開度儀）、行程限位器、水位計、上位機軟件等實現各閘門、泵組的工況信息采集及遠程控制[7]。各閘門、泵組的工況信息經LCU柜采集，通過光纖網絡同步上傳至中控室機房，中控室機房的工控軟件實時顯示各閘、泵站工況、水位等信息，并在上位機軟件中選擇任一閘站，輸入相關指令即可對閘、泵站（閘門或者泵組）進行遠程調度管理。

閘門的遠程控制是農村圩區計算機監控系統最重要的部分。本系統的閘門（卷揚式）遠程控制采用流程化操作模式（應急狀態下可啟用應急模式）。遠程操控前確認現場設備狀態是否正常，不管是選擇閘門上升或下降，首先開啟廣播和潤滑水，通過視頻確認安全后才能啟動閘門。操作人員根據流程設置的步驟控制閘門的上升或下降，直至到鎖定位或者全關位。

計算機監控系統還包括對泵組的控制，通過實時監測的水位數據，控制圩區內的水位。當水位高過預警水位時，上位機發出高水位語音報警提示，操作人員可手動啟動泵組排水。當水位降至設置的低水位時，上位機發出持續的低水位報警提示，操作人員可手動停止泵組，當水位降至超低水位時，上位機啟動泵組保護機制，自動關閉泵組，保證泵組的安全。

為保證閘門的運行安全分別設置了多道保護措施，如行程限位器（遠程指示限位器和現地回路限位器分開設置）、閘位儀（包括閘位儀內置限位和閘位儀數據）、遠程脫扣保護、緊急斷電（上位機）等。通過軟件在重要位置如鎖定位、上限位和下限位設置自動脫扣保護，到達相應位置后3 s內閘門還繼續動作（主要指交流接觸器粘牢無法脫開的情況），自動進行斷電操作。最大程度上保證閘門控制的安全性。

2.1.2 視頻監視系統

通過安裝在各閘、泵站的攝像機實現對啟閉機房、閘門運行情況、上游水面、下游水面、現地控制室、閘門鎖定裝置等重要場所及設備的實時監視。

按照操作規程，在遠程操控閘門、泵組前先對該閘、泵站的周邊環境和上下游狀況進行視頻確認，在確認周圍環境安全的前提下，進行遠程操控。閘門和泵組以及鎖定電機遠程啟動時，通過視頻系統實時觀察其運行狀態，防止發生意外，確保周邊人員及設備的安全。

2.1.3 閘門鎖定控制系統（卷揚式啟閉機）

閘門處于全開狀態時，需要將閘門擱在擱門器上，一方面減少鋼絲繩的受力，延長鋼絲繩使用壽命，另一方面保證閘門的穩定性，在水閘有人、船通行時，保證安全。閘門鎖定控制系統是通過對擱門器進行遠程控制改造，增加電動推桿，實現遠程控制擱門器的投入與退出，降低人工勞動強度及勞動危險性，提高運行效率。

2.1.4 閘門潤滑水系統

以河道水作為潤滑劑，利用配水管網將水噴淋到止水橡皮與閘門門槽接觸處，使橡皮摩擦面處于有水潤滑狀態，減小摩擦，降低磨損，達到延長使用壽命的目的。同時在引水管前端加裝防護裝置，防止雜草雜物進入，保證系統的可靠性和安全性。

2.1.5 水位監測系統

根據圩區管理要求，在特定的點位安裝水位監測系統。實時測量水位信息并上傳，系統將水文數據存儲在運營商機房的服務器內，供后期查詢。管理人員根據水位信息對圩區內的閘門和泵組進行調度。

2.1.6 語音廣播系統

在農村圩區的閘站、單閘和涵閘設置語音擴聲設備，在中控室內布置語音話筒，對工程上下游現場人員和危險動作人員喊話預警。

2.1.7 中控室機房

中控室機房是圩區管理中心的一個綜合性圩區主控中心，中控室機房配置管理工作站、移動工作站、交換機、視頻綜合平臺、網絡鍵盤、在線式UPS電源、控制臺、激光打印機、大屏顯示系統等，在網絡運營商云機房布置數據庫服務器和磁盤陣列等。

2.1.8 網絡系統

網絡系統實現中控室機房、圩區內各監控站點以及市水利局的互聯互通，保證數據、視頻等各類信息及時、安全和準確地傳輸。網絡系統采用全光纖網絡，滿足高清視頻監控帶寬要求高的需求。

2.2 系統特點

（1）提高響應速度。以圩區10座水閘為例，現地操作模式時，1組人員到現場逐個關閉閘門、開啟泵組，投入運行需3 h。采用自動化系統，工作人員接到運行指令后，通過電腦遠程操作，僅需30 min即可使工程投入運行，提高了圩區工程運行效率，可節省5/6的操作時間，提高效率83%。

（2）減少安全隱患。自動化控制系統避免工作人員直接在風雨中奔波作業。同時，采用流程化操作，避免誤操作帶來的安全隱患，系統具備故障提醒等功能，能夠及時準確地幫助檢修人員排除設備故障，保障運行安全。通過視頻系統和語音廣播實時監測閘站周圍環境，保證閘門運行時周邊人員和設備的安全。

各鄉鎮農村圩區的網絡系統為專網，由于上級單位需要及時掌握各個圩區的運行情況以便進行遠程調度指揮，各鄉鎮圩區的數據需要通過公網接入至上級單位，圩區運行數據通過串口服務器實行單向傳輸，保證網絡數據的安全性。

（3）實現市級防汛統一調度指揮和數據共享。系統實時掌握運行中的內外河水位、設備開關等情況，數據自動采集和分析處理后，通過互聯網傳輸到市防汛指揮部，方便實時了解圩區運行情況，實現統一調度指揮。

3 農村圩區自動化控制系統運行現狀分析

自動化控制系統的應用改善了圩區管理工作的環境和質量，大大提高工作效率，但是在應用過程中由于現場環境、設備操作和機電設備等原因導致系統運行異常。通過對新埭鎮6個圩區98座閘站、廣陳鎮7個圩區84座閘站自動化系統試運行6個月的情況統計，主要設備5 850個，發生故障119次，故障率約為2.00%（見表1）。

表1 圩區自動化系統運行情況統計表

續表1

導致故障的原因主要有系統運行環境、系統操作、安裝及系統調試和設備質量4個方面：①防雷接地、原控制線路（元器件）老化、市電不穩和施工挖斷光纖網絡等外部環境原因引起的系統掉電、設備損壞或者斷網等。②操作人員不熟悉自動化系統或者不遵循操作流程。③設備安裝或者調試時未能發現的隱性缺陷。系統長時間運行后或者遇到特殊天氣時導致系統運行出現異常。④采購或者定做的設備及構配件自身的質量缺陷。

3.1 穩定性分析

從各子系統看，計算機監控系統故障數占總故障數的39.49%。其中57.45%的故障為環境因素導致。閘門鎖定控制系統出現故障的原因多為操作原因，閘門潤滑水系統和中控機房的故障多為安裝及調試原因，語音廣播系統的故障多為設備質量問題，水位監測系統和網絡系統的故障大部分是由環境原因導致。

北張店流域位于山西省長治市中西部，屯留縣與沁縣的交界處，地理位置為東經112°26′～112°37′，北緯36°15′～36°32′，最高海拔1 544 m，最低海拔976 m，平均海拔1 276.5 m，流域總面積270 km2。區域內地勢北西南三面高、東部及中部低，水流由北西南向中部匯集，向東出境[12]。

安裝系統調試原因導致的故障在試運行期間進行糾正和完善，比如對中控機房上位機軟件試運行時發現的漏洞及問題及時進行修正，為可消除故障。

設備操作原因大部分因系統操作不熟練引起，經過對操作人員的進一步培訓和隨著操作人員對系統的熟悉，該因素導致的故障大大降低。對試運行過程中發現的個別設備的質量問題，及時進行更換或者整改，目前暫未發現較大的質量問題。

由于農村圩區的現場環境的特殊性，現場容易出現斷電、雷擊、原設備老化等問題，現場環境也是導致自動化系統出現異常的主要因素。目前各個鄉鎮逐漸配備專業維護養護人員或者聘用第三方維養單位，有些鄉鎮專門聘請專業公司檢測完善各閘、泵站的防雷接地，現場運行環境有較大改善。

3.2 經濟性分析

按照《浙江省水利工程管理定崗定員標準》閘門及啟閉機運行崗位定員1 ～ 2人/座，同時按照《浙江省基層防汛防臺體系規范化建設考核驗收辦法》，實行崗位責任告知制度和重要崗位A、B制。經初步測算，新埭鎮和廣陳鎮13個農村圩區182座閘、泵站至少需配備182名運行操作人員（不包括圩區運行管理單位負責、技術負責、調度管理、工程檢查、維修養護等崗位）。一方面，各鎮街道專職圩區管理人員缺乏，遠遠不能滿足圩區運行管理的要求。大部分采用外聘（或者兼職）操作人員的模式，這部分操作人員年齡結構偏大，操作知識和設備知識缺乏，人員流動性大。另一方面，圩區運行時氣象狀況一般比較惡劣，操作人員現場操作時存在較大安全隱患。采用自動化控制系統后，每個鄉鎮各配備6名圩區運行管理人員，2個鄉鎮13個圩區可減少操作人員170人，按3萬元/(人 · a)計算，2個鄉鎮節約人力、管理等成本約510萬元/a，大大減輕2個鄉鎮圩區運行管理的人力成本和管理負擔。圩區自動化系統取得了較好的經濟效益。

4 系統的改進及解決方案的探討

在圩區自動化系統運行時，及時發現系統運行過程中的缺陷和不足，持續的進行系統優化。根據上位機軟件的使用情況，不斷地改善上位機的軟件功能，使之功能更完善，運行更穩定。

圩區自動化系統雖然實現少人值守，達到節省人力、物力、財力的目的，但是自動化系統最終還得需要人的介入，自動化系統需要配備專業且認真負責的操作人員，同時需不斷地提高操作人員的技術水平。

由于農村圩區自動化控制系統的復雜性，設備元器件數量大、種類多，故障是客觀存在的。需要盡可能地保證其運行環境的可靠性，才能最大限度地降低故障率。

（1）改善各個閘站的防雷及接地系統，保證系統供電穩定，減少供電系統導致的異常。

（2）定期維護、保養閘門啟閉機及泵組等設備，更換老化的線路及元器件。

（3）加強自動化系統的定期巡檢以及檢修維護，及時發現并消除系統缺陷。

（4）按照浙江省水利工程準化管理的要求，實行農村圩區的標準化管理，逐漸完善運行管理制度以及維養制度等。

5 結 語

自動化控制系統的應用改善了圩區管理工作的環境和質量，取得了較好的經濟效益。但是在系統運行過程中由于現場環境、設備操作和安裝調試等方面的原因導致自動化系統運行異常。本文通過對圩區自動化系統的介紹和分析影響自動化系統穩定性的因素，對農村圩區自動化系統的推廣和建設以及后續的運行管理有一定的借鑒價值。