甌飛一期北片圍墾工程閘門群計算機集控系統

邢 則，王子晴，林 晶

（溫州市甌飛經濟開發投資有限公司，浙江 溫州 325000）

1 引言

溫州甌飛灘涂地處浙東南沿海，屬于甌江河口和飛云江河口外區域，距溫州市中心僅40 km。南、北邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線，東至洞頭區的霓嶼島和瑞安市的鳳凰島連接線。 溫州甌飛一期圍墾工程（北片）位于甌飛灘區域高灘區域范圍，圍涂區域面積6.64萬畝，海堤堤線總長23.369 km，北堤4.30 km，東堤16.03 km，2號隔堤3.039 km，共設置北1號、北2號、東1號、西河堤排澇站4座水閘。本研究建設一套閘門群計算機集控系統，包括北1號（設工作閘門10扇）、北2號（設工作閘門6扇、通航孔工作閘門1扇）、東1號（設工作閘門3扇）、西河堤排澇站（設工作閘門7扇）共4座水閘，并為其他3座水閘的后期自動化接入預留接口余量[1]。

2 總體框架

系統的構架采用了“分級管理、中心集控”的模式，采用了分層分布開放式結構，系統設備與功能均按照分級、分層分布的結構進行部署。

計算機監控網絡上的每個節點設備均有自己特定的功能，實現功能的分布。既保證某一設備故障只影響局部的功能，又便于今后功能的擴充。

調度中心平臺軟件應采用C/S架構，設置容錯的I/O采集服務器、操作員工作站，I/O采集服務器直接讀取計算機監控系統網絡上所有現地控制設備現場采集的數據，保證數據采集的實時性和一致性，智慧管控平臺的業務應用均取自于該容錯服務器的數據源，確保數據收集的真實性和一致性。

系統按控制層次分成三級，設置“中心集控”“站控級”“現地級”三級，各級之間相互閉鎖。系統的經常運行模式采用“中心集控”模式[2]，當骨干網絡異常時，采用“站控級”單站控制模式?！艾F地級”作為調試以及應急使用。由于北1號和北2號間距100 m左右，計算機監控系統合并為1座水閘考慮，分級管理架構如圖1所示。

圖1 分級管理架構

（1）中心集控級

中心集控級設備布置于溫州甌飛圍墾工程管理樓調度管理中心控制室內，由硬件設備部分和軟件部分組成，硬件設備部分主要包括：容錯的I/O采集服務器、操作員工作站、工程師/培訓工作站、排澇調度仿真工作站、通信工作站、LED服務器、LED顯示屏、打印機等；軟件部分主要包括：操作系統軟件、工控組態軟件、數據庫軟件、業務應用軟件等。兩套操作員工作站采用冗余熱備工作方式，可任選其中一臺作操作運行，完成監控任務；另一臺備用，同時可供監視用。

（2）站控級

站控級為獨立完整的單閘站計算機監控系統，采用分層分布式結構，由站控級主控制層設備、控制軟件、現地控制層設備及自動化元件（如水位計）等組成。

站控級系統具有相對獨立性，它們能直接完成生產過程的實時數據采集及預處理、單元設備狀態監視、調整和控制等功能。能對所管轄的生產過程進行完善的監控，它們經過輸入、輸出接口與生產過程相連，通過千兆計算機監控系統骨干網絡與中心集控級交換信息[3]。

由于北1號和北2號間距有100 m左右，計算機監控系統合并為1座水閘考慮。

計算機監控子系統采用專用1 000 M光纖環網，4個閘站作為環網上的節點，北1號閘和北2號閘共用1 000 M光纖環網交換機外，東1號閘、西河堤水閘均單獨配置1 000 M光纖環網交換機，且與調度中心1 000 M光纖環網交換機環接，將所采集的數據、信息上傳至調度中心，并接受調度中心下發的控制指令。

站控級網絡交換機通過設置VLAN，將計算機監控、水情監測、工程安全監測等不同業務劃分為不同的虛擬網。調度中心設1臺三層核心交換機，實現網間的三層數據交換。

3 站級計算機監控系統

3.1 北1號、北2號閘計算機監控系統

（1）主控制層設備

主控制層設備主要包括：2套操作員工作站、1套工程師工作站、1套通信工作站、1套LED服務器、1面網絡設備屏、1套GPS（布置于網絡設備屏內）、2臺A3幅面黑白激光打印機、1張中控臺等設備。上述主控設備布置于北1號、北2號閘控制室內。

①操作員工作站。操作員工作站功能包括對北1號閘、北2號閘的自動化控制系統的管理，數據庫管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號的分析處理等。②工程師工作站。工程師工作站將承擔單站調試和員工仿真培訓工作，配置要求同調度管理中心工程師工作站。③通信工作站。該工作站將承擔通信網關的作用，可以將其他智能設備所采集的現場信息匯總并通過骨干千兆網絡上送調度中心。④網絡設備屏。網絡設備屏技術要求同調度管理中心網絡設備屏。⑤GPS設置1套高精度的衛星同步時鐘系統（GPS），它具有與衛星的標準時間同步的能力，對時裝置通過以太網向各相連工作站和LCU發送對時信號，使各閘站主控制層和現地控制層同步。⑥打印機。配置2套網絡型A3幅面黑白激光打印機。⑦中控臺。中控臺技術要求除長度為4.8 m外，其余同調度管理中心中控臺。

（2）現地控制層設備

1號～16號工作閘門現地控制單元LCU 16套（對應北1號閘、北2號閘16扇工作閘門），活動鋼橋現地控制單元LCU 2套，濾油系統現地控制單元LCU 1套，北2號閘通航孔現地控制單元LCU 1套，北2號閘通航孔現地控制單元LCU柜內包含PLC、觸摸屏、交直流雙供電源裝置、出口繼電器、空氣開關、按鈕、信號燈等。

（3）北2號閘通航孔廣播系統及交通信號燈

北2號閘通航孔上、下游2側均應裝設交通信號燈及廣播系統。

3.2 東1號閘計算機監控系統

（1）主控制層設備

設備配置及數量要求均同北1號、北2號閘主控制層設備。

（2）現地控制層設備

1號～3號工作閘門現地控制單元LCU 3套，公用設備現地控制單元LCU 1套，通航孔廣播系統及交通信號燈。由于東1號閘有1孔工作閘有通航要求，故在此孔的上、下游2側均裝設交通信號燈及廣播系統，設備配置及數量均同北2號閘通航孔廣播系統及交通信號燈。

3.3 西河堤水閘計算機監控系統

（1）主控制層設備

設備配置及數量均同北1號閘、北2號閘主控制層設備。

（2）現地控制層設備

西河堤水閘設置1套公用設備現地控制單元，用于完成西河堤水閘7扇排澇閘門及配電裝置等公用設備的監測、控制以及數據采集、處理，并完成與主控制層的數據通信。設備配置同北1號、北2號閘公用設備現地控制單元LCU[4]。

3.4 激光式水位計

本次4個閘站共設置12套激光式水位計，其中北1號閘、北2號閘、東1號閘、西河堤水閘上、下游側各設置1套激光式水位計，共8套；北2號閘和東1號閘通航孔閘門上、下游側各設置1套激光式水位計，共4套。

4 上位機集控系統

本次上位機集控系統采用了分布式實時客戶機/服務器（C/S）結構，I/O服務器負責直接采集、處理和分發現場網絡節點上的實時數據，操作員工作站（客戶機）無須創建任何數據點便可直接進行遠程訪問、讀寫和組態數據庫，服務器和客戶機的數量不受限制。

組態軟件采用面向監控與數據采集（SCADA）的軟件平臺工具。各閘站操作員工作站、調度管理中心操作員工作站、工程師/培訓工作站、排澇調度仿真工作站選用國際流行的工控軟件INTOUCH進行二次開發。

實時的歷史數據庫使用國際流行的實時工業歷史數據庫軟件（OSI SOFTWARE公司的PI數據庫）進行二次開發。

上位機集控應用軟件采用模塊化設計方法，功能軟件模塊或任務模塊具有一定的完整性和獨立性。

上位機集控系統的核心功能包括：

（1）排澇調度模型

根據汛期的氣象預報以及不同時段的歷史水文系列資料，預測水位的變化過程。建立了最優排澇策略的數學模型，通過計算機監控系統，調節各閘站閘門的啟閉，加上優化調度，實現了閘站的最優運行[5]。

（2）排澇調度預案

系統軟件增設專門的調度界面，在該界面中可以完成所有的調度操作，應包括：閘門的控制和設定等工作，并且該界面具有完善的提示和邏輯分析能力。根據用戶的需要，用戶可以將每一次排澇方案存儲、命名并可以詳細描述，為自動排澇提供基礎。

（3）虛擬仿真預演及培訓

為保證圍墾工程安全可靠運行，對運行人員進行接近實際操作情況的培訓，以減少各種人為操作事故的發生，基于實時仿真技術的數字物理混合仿真，建立虛擬仿真培訓和預演系統。系統逼真地模擬人與設備實時交互功能，可視化展示各種運行工況的信息反饋。虛擬仿真培訓、預演系統主要功能應包括開機操作流程仿真預演、關機操作流程仿真預演、應急處理仿真、誤操作工況下的模擬預演等。

（4）智能運維

掌握設備數據，實現設備生命周期管理，結合移動應用的便捷性，構建一站式服務的智能運維系統。系統主要功能應包括自動化控制系統實時智能運營、關鍵績效KPI指標、告警推送、視頻預覽、聯動控制、電氣設備巡查、歷史故障庫、專家知識庫、兩票三制等功能。通過移動終端與后臺的實時交互，實現一站式運維服務[6]。

（5）多業務子系統聯動

基于綜合自動化控制系統與智慧管控平臺的高度集成，基礎數據得到高度共享，實現各業務子系統間的協同與聯動功能。通過各業務子系統的協同與聯動，應能實現各類信息智能分析，將各種關聯結果進行可視化展示。

多業務子系統聯動主要功能應包括計算機監控子系統、安全防范子系統、安全監測子系統等系統之間的聯動控制。

（6）智慧管控平臺WEBGIS功能的集成

以GIS地理信息平臺為基礎，結合各類水利要素的空間屬性，與遙測站點的水雨情數據、視頻監控圖像等構建統一的實時顯示平臺。

實現基于GIS 平臺的工情分布情況、工情信息查詢、工情數據報表查詢等服務；并且可按行政區劃進行工情信息查詢，系統顯示限定轄區內容的工情站點及信息。在水利數據基礎上，進一步完善圍墾工程工情信息。

（7）數字孿生三維展示

結合三維虛擬與現實的特點，對圍墾工程各類對象建立統一的工程編碼體系，以此為基礎構建工程對象樹，并在此基礎上建立三維模型與工程數據之間的對應關系，實現數字孿生三維模型實時監測數據的關聯和同步。

三維展示應主要包括各閘站三維漫游預覽、三維實時數據顯示、自動化設備三維動畫顯示及控制操作等功能。

5 結束語

溫州市甌飛圍墾工程（北片）閘門群計算機集控系統是行業內多個閘站集中控制的一種研究探索性嘗試，雖然在運行過程中還有很多不如意的地方，但是系統運行總體穩定，性能基本可靠，基本滿足了集中控制的要求。接下來需要進一步深化排澇調度模型研究、調度預案細化編制、三維數字孿生建設以及智能運維等模塊。