瑞安環城河水系閘泵遠程控制系統設計與實踐

周忠育

（瑞安市水利綜合管理中心，浙江 溫州 325200）

1 引言

瑞安市環城河分屬錦湖、玉海、安陽等三個街道,屬于老城區，全長37.1 km，由西門河、沙河、西橫河、西直河、高崗橫河、牛伏嶺河、周岙河、后垟河、龍池河、北濠河、東濠河、兩面河、松涌河、豐湖河、山前河商城段、山前河十八家段等16條河流組成，還連接了進星河和小橫山河，寬度一般在8～30 m之間，河網正常蓄水位85高程2.68 m，河道容積約37萬m3。山區型溪流有愚溪、朱坑腳溪、西岙溪、西岙街頭溪等4條。環城河的功能主要是城市防洪、排澇、景觀和生態。汛期或臺風季，環城河主要承受來自上游愚溪、橫山和牛伏嶺等山區來水，經環城河調蓄后，在西側由紅旗水閘（孔徑4.0 m）排入飛云江，在南側由商城排水閘（單孔0.8 m）排入飛云江，在東側由益民水閘（2孔3.9 m）、十八家控制閘（單孔3.6 m）排入溫瑞塘河。

環城河引水工程沿途，除河道外，有以下水閘及泵站。水閘均配備了螺桿式啟閉機，設備設施現狀如表1所示。

表1 水工建筑物原狀表

2 總體設計

2.1 總體思路

針對江北水系管理單位的流域管理特性，結合實際調度需求，在設計上突出了空間全域性，形成了全域統一的管控框架。結合浙江省數字化改革的要求，考慮基層工作人員的技術水平，使系統具有“傻瓜型”的特點，既實用易學又易操作?？紤]各個閘門泵站星羅棋布分布特點，但同時又上下游關聯的調度特點，必須充分發揮調度中心集控聯調的功能，使系統既具有安全性和可靠性，又具有共享性和開放性，既要保障集控聯調的調水安全和工程安全，又要打破數據孤島，采用集中與分布式相結合的系統，建立管理單位統一數據、統一工作平臺，最大限度地避免信息孤島、應用孤島，大幅提升水利信息資源、功能應用共享水平[2]。

2.2 總體結構

根據環城河引水工程需求分析，結合系統設計思路，環城河引水工程自動化監控系統采用“33212”體系，即“3大感知控制、3網融合、2項數據服務、1套應用平臺、2類支撐”?？傮w框架如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

2.3 網絡體系

系統采用專網、寬帶網、局域網相結合的網絡架構，硬件系統低端的傳感器設備采用串口或網口進行數據對接，采用的協議包括模擬量轉換協議、Modbus TCP協議、TCP/IP協議、Modbus RTU協議等，應對不同的場景采用不同數據格式和通信協議的設備[3]，提高了整個系統的容錯率和適應性，系統整體的通信架構如圖2所示。

圖2 系統網絡架構圖

3 功能實現

閘泵的自動控制主要分為現場控制和遠程控制二種功能，現場控制是操作者在啟閉房對設備進行操作，遠程控制主要是操作員通過遠程手段對閘門水泵啟閉設備進行操作；現場控制優先于遠程控制，并能現場控制/遠控切換。系統主要功能如下：

（1）數據采集與處理。①模擬量的采集與處理。對閘泵站電量參數、水閘閘位、上下游水位等電量和非電量進行周期采集并存入實時數據庫中，可以實現越限報警。②開關量的采集與處理。對事故信號、各類故障信號、隔離開關位置信號、斷路器分合及重要繼電保護動作信號等開關量信號，采集存入實時數據庫中，可以實現越限報警。③開關量輸出。各類操作開關指令經光電隔離輸出到執行器，執行動作。④信號量值及狀態設定。閘門自動化監控系統允許人工設定分析處理信號量。

（2）運行監視和事件報警。對閘泵站主要設備的運行狀態進行實時監視。參數量值可預先設定，實現參數越限報警并記錄。定時掃查各故障狀態信號，發現故障狀態馬上顯示并記錄, 周期不超過2 s。

（3）控制與調節。包括水閘閘門的升、降；泵組的開、停；各輔助設備電機的啟動、停止等。

（4）其他功能。如記錄功能、人機接口、畫面顯示、自診斷、第三方平臺數據接入與共享等。

反應過程中苯酚的殘余濃度隨時間的變化情況如圖3(a)所示。由該圖可知，反應液中苯酚的濃度在反應開始后急劇下降，5 min后即可達到90%的去除率，30 min后反應達到平衡，說明制備的Fe3O4-C空心微球具有較高的催化活性。以ln(Ct/C0)對t作圖，可得一條直線，見圖3(b)，說明苯酚的催化氧化降解反應符合偽一級反應動力學[8]。

4 實踐應用

4.1 系統實施

控制中心設在瑞安城區江北水系辦公樓，該系統包括2臺監控主機、1臺運管平臺主機、1臺服務器、1套工業交換機、路由器、防火墻、1套視頻監視系統包括1臺視頻監控主機，4臺56寸顯示屏等；12套PLC控制柜、44個攝像頭分布各閘泵現地，出江閘、內河閘和泵站上下游配有超聲波水位計18只；控制方式分就地手動控制和微機自動控制以及遠方控制2種。主要部分功能如下：

（1）閘門自動化控制系統。對原有環城河水系11座閘站、1座泵站設備升級改造及自動化升級2個部分。對原有的手動離合啟閉機進行改造，方便自動化控制系統建設。對所有啟閉機進行改造，加裝荷重傳感器、開度編碼器、限位開關等，確保水閘運行安全。每個水閘增加LCU控制屏柜，使得水閘具備遠程控制的能力，將閘位、水位、荷重等信號接入LCU屏柜，實現控制中心對現場的遠程數據采集和存儲。

（2）視頻監控系統。在水閘和泵站關鍵位置，建設高清球機和高清槍機，實現可視化遠程控制閘泵。視頻圖像通過VPN網絡接入調度中心進行統一存儲，存儲時間為30 d。

（3）通信網絡。每個水閘接入50 M VPN網絡，中心站接入200 M VPN，實現網絡互通，并且留有后續其它設備增加的空間。

（4）控制臺。在控制中心部署4臺工作站，2臺作為遠程控制系統的上位機，實現互為冗余；1臺作為管理工作站，負責日常管理；1臺作為視頻工作站，實現視頻監管。配置1臺安全網閘，實現控制網絡與管理網絡隔離。

（5）數據資源。建設綜合數據庫，完成數據收集與整理、數據匯聚，實現數據管理與數據服務，將工程的基本數據如視頻、水位、閘位等納入云平臺進行統一管理。

（6）“一張圖”調度決策平臺。實現水雨情、工情、安全信息等水利工程可視化信息通過以地圖、工程布置圖等形式直觀展現。

4.2 實踐效果

瑞安環城河流域12閘遠程監控系統自2019年建成投入運行以來，實現了瑞安環城河水系12閘泵站運行工況的遠方監測、監視與控制，以及流域水情雨情的實時監測，為瑞安環城河綜合整治工程的現代化管理、水環境自動化調度和控制提供一個完善的信息系統平臺。極大地改善瑞安環城河水環境，保證瑞安環城河的水位和水環境，創造良好生活、人居環境，發揮顯著的社會效益。

經過幾年來的運行，性能穩定，基本實現對12座閘泵的監控（視），能夠掌握瑞安環城河水系水情水質的變化規律，為改善瑞安環城河流域水環境提供有效的決策依據及調控手段，同時提高城市防洪排澇調度和管理水平。

5 結論

通過瑞安市環城河引水工程自動化監控系統的設計與實踐，得出如下幾點結論：

（1）系統采用了分布式結構，建立了一個多區域異地聯閘聯控自動化調度體系，將瑞安市區及周邊鄉鎮的包括商城涵閘、益民水閘、白象泵站等共11座水閘和1座泵站等水利工程納入系統中實現統一調度、統一控制，實現了在控制中心對水閘、泵站的遠程控制。

（2）系統建設了一個聯通各個閘站和管理中心的專線網絡，為控制系統的穩定運行提供了安全的通道，同時系統仍留有余量，為未來進一步升級改造提供了空間。

（3）系統解決了原先技術員短缺、運行調度難、自動化水平低、現場反應不及時等缺點，解決了在臺風天氣、暴雨天氣人員抵達現場不便的問題，提升了瑞安市在臺汛期的防洪抗澇水平。

（4）系統通過多元異構數據如水位、工情、荷重、視頻、地理等數據采集、結合雙中臺云端技術、GIS地理信息一張圖技術、PLC自動化智能化技術、APP技術、信息平臺技術、可視化技術等技術，再結合環城河標準化管理體系與工程運行三化管理模式，實現環河調度智慧化、遠程控制智能化、異地運行可視化、多區運維現代化、全域管理閉環化的五化體系。

系統的建設是瑞安市環城河引水工程數字化改革的關鍵一步，從原來的“人工+手寫”向 “計算機+無紙化”模式轉變，使得工程的管理有更多方法、系統的調度效率更加高效。系統的建設為下一步瑞安市陶山平原以及其他河道工程的數字化改革奠定了基礎。