广东省吴川市吴阳拦河闸坝信息化系统的构建研究_阮洋.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8广东省吴川市吴阳拦河闸坝信息化系统的构建研究 阮洋 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 摘 要：闸门是水利设施的重要组成部分，由于目前闸门运行管理信息化程度低，多存在实际操作繁、工作效率低、控制成本高的问题。以广东省吴川市吴阳拦河闸坝为例，基于闸坝原管理运行方式不满足管理运行要求，本文对拦河闸和船闸监控、视频监控、水情自动测报、网络及语音通信系统进行总体设计与构建探讨。信息化系统有效提高闸坝安全性，增强灌区抵御旱灾的能力，实现河道水位、流量、江河水雨情远程监测与闸门远程控制。有关构建思路与经验可进一步推广。关键词：拦河闸坝；信息化系统；构建；吴川市由于我国拦河闸坝闸门大多仍采用传统铸铁闸门,配套螺杆启闭机或手动操作实现闸门启闭,自动化程度低,不能实现远程控制,不能精准计量或没有计量能力,不能实现水资源的精准控制1-2。传统的闸门控制需要大量工作人员进行维护和巡视,分水控制与测流计量主要靠手动操作和经验估算,运行管理非常繁杂、工作效率低3。为确保拦河闸的安全运行,提高管理人员效率,提高水资源优化配置及用水效率,近年来我国注重水利闸门信息化系统建设4。闸门信息化系统可远程进行闸门控制、水情自动测报、设备工况视频图像采集的综合管理平台,为闸门自动化领域专门设计开发5。其数据可通过光纤、2G/3G/4G蜂窝网络、LORA、数传电台等通信介质实现数据的远程传输,管理中心可实现远程操作和监控的目的6。1.工程概况吴阳拦河闸坝是以供水、灌溉、排洪涝为主、兼顾航运的大型拦河水闸工程。担负吴川市58万人的生活和生产用水,为鉴江供水枢纽工程供水东海岛提供2594万m3调节库容,同时承担吴川市梅菉、振文、黄坡等镇0.35hm2农田灌溉。吴川市吴阳拦河坝建于1958年,1962年竣工,大坝建成至今已有47年,原有管理运行方式已不能满足工程现状管理及运行要求,需新建工程信息化系统。2.信息化系统总体设计本次新建工程信息化系统,由拦河闸自动控制系统、船闸自动控制系统、视频监控系统、水情自动测报系统、网络通信系统及语音系统等组成。为满足本工程各相关信息资源的管理及各系统运行维护,结合本工程的管理运行需求,设立信息控制中心及船闸控制室,信息控制中心设在水闸管理楼内,建筑面积约90m2,包括控制室和设备机房；船闸控制室设在船闸启闭机层,包括控制室和设备机房,建筑面积约50m2。设如下系统：拦河闸和船闸监控系统,以实现整个工程的水闸自动控制和监视。提高工程安全运行和管理水平,改善管理人员的工作条件并接受调度指令。视频监控系统,监视对象主要包括水闸管理处、拦河闸、船闸、闸顶交通桥等,作为水闸运行调度的辅助手段。水情自动测报系统,对工程闸前闸后水位计进行数据采集和监测,同时获取化州水文站的水文信息。网络通信系统,实现各子系统的信息、数据予以整合、处理,实现吴阳拦河闸、当地三防部门及有关上级单位之间的数据传输,实现信息资源共享。语音通信系统,满足水闸生产调度及行政的语音通信需求,作为水闸管理运行调度。系统框架结构如图1所示。3.信息化系统的构建3.1拦河闸自动控制系统3.1.1控制对象拦河闸自动控制系统监控对象为拦河闸工作闸门,设固定卷扬机,12孔。控制对象主要包括拦河闸上游检修闸门、拦河闸工作闸门、拦河闸下游检修闸门、拦河闸启闭机检修设备等。其中拦河闸上游检修闸门、拦河闸下游检修闸门、拦河闸启闭机检修设备为现地控制,考虑其控制柜由启闭机成套。3.1.2控制方式拦河闸监控系统采用星型以太网结构,分为现地控制和集中控制,采用1对1控制方式,设手动/自动控制,图1 系统框架结构84学术ACADEMICDOI:10.14125/ki.zjsy.2023.03.00311mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8摄像机负责图像和数据的采集及信号处理；传输设备：本工程利用光缆传输设备,负责将视频和数据信号传输到监控中心；控制设备：选用视频工作站,负责完成前端设备和图像切换的控制、系统可分区控制和分组同步控制、存以及图像检索与处理等诸多功能；存储设备：选用硬盘存储阵列,负责将前端设备的视频数据进行存储,实现视频数据的存储与回放。3.3.3技术实现与设备（1）设备配置：为监视拦河闸闸门启闭的情况,在信息控制中心设置1套视频工作站、1套存储阵列和一套1套10m2LED屏幕显示器。在各水闸相关场所及信息控制中心等场所设置16套高清网络摄像机,通过光缆及通信网络交换机与信息控制中心视频工作站相连。为监视船闸闸门启闭的情况,在船闸控制中心设置1套工作站、1套存储阵列和1套6m2LED屏幕显示器。在船闸上下闸首相关场所设置5套高清网络摄像机进行视频监视,通过光缆及通信网络交换机与船闸控制室视频工作站相连并上传至信息控制中心。（2）技术方案：现场视频信号通过光缆及通信网络交换机传到信息控制中心和船闸控制室视频工作站。工作站可选择显示任意监视点的满屏画面,并可实现多画面分割,液晶显示管理人员可通过本系统下达指令对闸门进行控制。现地控制：在调试或主控级故障时,操作人员可通过现地控制的人机界面实现控制。集中控制：操作人员在中控室下命令,通过监控系统实现全部过程自动控制或采用分步按顺序控制。控制方式：水闸控制采用远方集中控制为主,现地控制为辅的控制的方式。闸门启闭机能够在全开全关位置及扬程上极限位置自动停机,其余位置可手动控制。每一扇工作闸门有远方控制和现地控制2种控制方式,可由控制柜中的切换开关进行选择,可在现地和远方实现各闸门全开、全关和停机操作,并能设置操作控制权限。控制权限采用两级权限：第一级为现地控制,具有最高优先权,设置权限切换装置。3.1.3系统结构及配置该系统利用通信系统的网络采用星型网络结构,在信息控制中心设置1套闸门监控工作站,在现地设置闸门PLC柜,以实现闸门自动控制。现地层：现地层设置在启闭机闸室,配置12套以PLC为核心的现地控制柜,设现地/远方控制切换。现地控制柜配置带有以太网通信接口的PLC,通过光缆连接位于信息控制中心的工业交换机。中控层：在信息控制中心,配置1套闸门工作站。3.1.4系统软件闸门监控系统软件主要包括操作系统软件、监控组态软件、有关通信接口软件等。3.2船闸自动控制系统3.2.1控制对象船闸监控系统控制对象主要包括船闸上闸首检修闸门、船闸上闸首工作闸门、船闸下闸首检修闸门、船闸下闸首工作闸门、船闸充（泄）水廊道工作闸门、船闸充（泄）水廊道检修闸门,其中船闸上闸首检修闸门、船闸下闸首检修闸门、船闸充（泄）水廊道检修闸门为现地控制,考虑其控制柜由启闭机成套。3.2.2控制方式船闸监控系统采用星型以太网结构,分为现地控制和集中控制。现地控制：操作人员通过现地控制的人机界面实现控制。集中控制：通过监控系统实现全部过程自动控制或采用分步按顺序控制。3.2.3系统结构及配置利用通信系统的网络采用星型网络结构,系统结构主要包括现地层与中控层。利用网络通信系统的网络交换机通过光缆与现地控制柜相连,网络协议采用TCP/IP协议,系统通过光缆与拦河闸中控层相连。3.2.4系统软件船闸监控系统软件主要包括操作系统软件、监控组态软件、船闸收费系统软件及有关通信接口软件等。3.3视频监控系统3.3.1监控对象视频监控系统监控范围包括水闸管理处、拦河闸、船闸、闸顶交通桥等。设置共21套高清网络摄像机,在信息控制中心及船闸控制中心各设1套视频工作站、1套存储阵列。主要监视对象配置见表1。3.3.2系统组成视频监控系统由前端设备、传输设备、控制设备、存储设备四部分组成。前端设备：包括21套摄像机、室外专业防护设备、防雷设备及立杆等。选用200万像素高分辨率IP彩色序号安装位置配置要求数量备注1拦河闸工作高清网络摄像机122管理楼大门高清网络摄像机13水闸控制中心高清网络摄像机14拦河闸左坝段坝顶公路高清网络摄像机15拦河闸右坝段坝顶公路高清网络摄像机16船闸活动交通桥高清网络摄像机17船闸上闸首高清网络摄像机18船闸下闸首高清网络摄像机19船闸连接段高清网络摄像机110船闸中控室高清网络摄像机1总计21表1 视频监控对象配置一览表珠江水运 2023 038511mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8屏可同时任意显示多幅或单幅不同监视点摄像机的图像。操作人员还可通过编程设定为自动循环切换画面或手动切换画面。实现对水闸控制中心对各主要设备的运行情况和重要场所进行监视。3.3.4视频监控软件视频监控系统的软件主要包括操作系统软件、图像管理软件、接口通信软件等。3.4水情自动测报系统该工程水情自动测报系统,主要负责水闸及船闸水位等信息的接收、处理、转换和存储,其他信息资料通过公网连接湛江市三防指挥中心获取化州水文站所测得的流量数据,同时,系统通过公网上传水情至当地三防部门,实现资料信息的共享。3.4.1技术实现与设备在水闸上、下闸首及船闸上、下闸首和船闸连接段设置水位计,就近接入现地LCU控制柜,通过LCU柜的PLC与中控层相连其他信息资料通过公网连接湛江市三防指挥中心获取化州水文站所测得的流量数据。3.4.2信息采集流程（1）水位数据采集流程：各水位计闸门现地LCU柜信息控制中心。（2）其他数据采集流程：化州水文站湛江市三防指挥中心信息控制中心。3.5网络通信系统网络通信是本工程信息化的重要组成部分,是实现信息实时迅速传输、处理、查询、共享及水闸控制、工程监测监控、行政办公等的技术保障和物质基础。3.5.1系统结构及组网技术（1）网络体系结构：根据本工程自动控制及信息化系统的特点及技术需要,系统设水闸控制网络和船闸控制网络,结构采用星型网络结构。水闸控制网络和船闸控制网络通过光缆链接组成本工程管理信息网络。（2）组网技术：该系统计算机局域网络组网技术采用100/1000Mbps以太网。为实现本工程自动控制及信息化系统计算机网络与上一级网络的互联,配置1台具有拨号接入功能的路由器,通过租用电信6M宽带,采用VPN SSL/IPset方式与上级有关单位、当地三防部门互联。（3）网络协议：该工程局域网网络协议初采用TCP/IP协议,同时可以并行运行IPX/SPX、NetBEUI等协议。（4）设备配置：考虑在信息控制中心设置1台数据服务器、1台工业级网交换机、防火墙、路由器及应用软件,以实现数据的迅速传输、处理、查询、共享等功能,同时在船闸控制中心配置1台工业级网交换机。本系统数据库采用Microsoft SQL,操作系统采用Microsoft Windows Server 2008系统。3.5.2防雷与接地（1）防雷设计：信息控制中心利用管理楼防雷设施,采用防雷器和避雷针方式设计,闸室、船闸设备利用闸室防雷设施,采用防雷器和避雷针方式设计。（2）接地设计：信息系统接地利用管理楼、闸坝、船闸等水工建筑物接地装置。信息控制中心接地电阻要求：不大于4。闸室接地电阻要求：不大于10。3.6语音通信系统语音通信系统主要包括生产调度通信系统、行政通信系统和对外的通信接口。系统控制中心配置1台容量30门、具备基本功能的小型程控交换机,通过软件分割实现生产调度通信与行政通信的区别。3.6.1生产调度通信生产调度通信系统对生产调度电话的语音进行综合处理和交换。生产调度电话用户的基本配置为：信息控制中心5门,东坝1门,西坝1门,船闸中控室2门。3.6.2行政通信行政通信系统对行政电话的话音进行交换。行政通信电话用户的基本配置：信息控制中心5门,东坝1门,西坝：1门,船闸中控室2门。3.6.3与电信公网的连接程控交换机配置相应的E1中继接口接入当地公用电话网络,构成对外行政通信联络通道。用户经程控用户交换机呼出至公用电话网为半自动拨号呼出（DOD2）方式,呼入经话务台转拨到分机用户（BID）。4.结语与展望针对吴阳拦河闸坝管理效率低、河道运行状态不明等问题,重新构建吴阳拦河闸坝信息化系统,对其拦河闸、闸门及视频等控