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清河水庫輸水改造工程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2019-11-28 07:11
海峽科技與產(chǎn)業(yè) 2019年7期
關(guān)鍵詞:清河供水調(diào)度

李 哲

南瑞集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210003

1 背景

遼寧清河水庫輸水工程以防洪、灌溉為主,兼顧城市供水、發(fā)電、養(yǎng)魚和生態(tài)補(bǔ)水等綜合利用功能[1-2],該輸水工程自清河水庫取水,整個(gè)工程由取水頭部、隧洞和供水管線組成,輸水形式為有壓重力流,屬長(zhǎng)距離、大流量的供水工程。該工程分水口眾多,輸水過程控制難度較大,對(duì)運(yùn)行管理要求較高。

對(duì)清河水庫輸水工程而言,輸水系統(tǒng)的運(yùn)行管理包括閘(閥)、水位壓力流量監(jiān)測(cè)、控制調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控等內(nèi)容,若考慮防洪灌溉、自然風(fēng)光旅游開發(fā)、城市工商業(yè)供水、水庫養(yǎng)殖等綜合需求,設(shè)計(jì)難度大、外部因素不確定性強(qiáng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)復(fù)雜。目前,盡管傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)控制策略仍被大量應(yīng)用,但無法徹底克服調(diào)度與操作的同步性問題,無法有效地對(duì)輸水過程進(jìn)行控制,一定程度上延遲了管理人員的決策,且輸水效率低、運(yùn)行安全沒有可靠保證[3]。

基于清河水庫輸水工程的特點(diǎn),本文提出充分依靠先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù),緊密結(jié)合工程運(yùn)行管理方案,獲取和綜合分析工程實(shí)際問題,依據(jù)清河水庫自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路,深入分析各參與主體的工程化需求,提出了綜合考慮多系統(tǒng)接口的系統(tǒng)架構(gòu)。

2 系統(tǒng)總體思路

清河水庫輸水改造工程自動(dòng)化系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)清河水庫供水工程各應(yīng)用系統(tǒng)成果的集中展示,為供水工程的各級(jí)管理人員提供相應(yīng)的信息服務(wù),實(shí)現(xiàn)工程的專業(yè)化綜合管理支持。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

清河水庫輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以自動(dòng)化監(jiān)控和測(cè)量為手段,以安全、精確輸水為目標(biāo),通過工程建設(shè),達(dá)到以自動(dòng)化帶動(dòng)管理的高效化、現(xiàn)代化,建立實(shí)用、先進(jìn)、高效、安全、可靠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

(1)“無人值班,少人值守”方案是現(xiàn)代工程管理的重要手段之一,其有助于提升工程運(yùn)行質(zhì)量,減少系統(tǒng)運(yùn)行成本及提高辦公智能化,極大地減少人員投資成本。

(2)開發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可拓展性,具有優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的人機(jī)交互能力,工程運(yùn)行及維護(hù)簡(jiǎn)單。

(3)自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式架構(gòu),控制層與決策層采用以太網(wǎng)連接,兼容性與容錯(cuò)能力強(qiáng),適用于各類型運(yùn)行管理投資。

(4)良好的冗余設(shè)計(jì)思路,有助于自動(dòng)化系統(tǒng)在局部故障事件發(fā)生時(shí),故障范圍可控制與可治理,極大提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2.3 系統(tǒng)用戶設(shè)計(jì)

根據(jù)工程管理機(jī)構(gòu)與機(jī)制的分析,工程自動(dòng)化系統(tǒng)考慮眾多用戶對(duì)象的差異性,主要體現(xiàn)在不同的用戶在不同的時(shí)間具有不同的角色和身份,不同角色用戶對(duì)系統(tǒng)有不同的需求。該自動(dòng)化系統(tǒng)不同用戶管理模式設(shè)計(jì)如下。

(1)總經(jīng)理/總工程師可隨時(shí)瀏覽自動(dòng)化系統(tǒng)的各類信息,了解供水工程運(yùn)行情況;審批調(diào)水計(jì)劃方案,協(xié)調(diào)處理相關(guān)事宜。

(2)指導(dǎo)人員從事日常輸水調(diào)度崗位,根據(jù)編制并通過領(lǐng)導(dǎo)審批的調(diào)水計(jì)劃方案,指導(dǎo)操作員實(shí)施調(diào)度控制操作。

(3)操作員根據(jù)調(diào)度方案,在指導(dǎo)人員的指導(dǎo)下通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行供水工程的調(diào)度控制操作。

(4)培訓(xùn)人員在自動(dòng)化系統(tǒng)處于培訓(xùn)狀態(tài)的非運(yùn)行狀態(tài)時(shí),對(duì)操作人員進(jìn)行各種模擬操作培訓(xùn)。

(5)工程師主要為自動(dòng)化系統(tǒng)本身運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)管理的用戶,實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)健康狀況,處理系統(tǒng)突發(fā)故障。

(6)僅能瀏覽屏幕顯示人員主要為調(diào)度值班人員,通過自動(dòng)化系統(tǒng)的屏幕顯示信息實(shí)時(shí)掌握輸水工程運(yùn)行狀況。

2.4 難點(diǎn)問題

該工程自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)解決以下幾個(gè)方面的問題。

(1)通信系統(tǒng)。采用租用公網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?,建設(shè)覆蓋清河水庫輸水工程各級(jí)管理機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化通信系統(tǒng)。

(2)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。建立覆蓋水庫管理局、2 個(gè)配水站的計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。

(3)閘(閥)及水文相關(guān)的壓力、流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè),對(duì)清河水庫工程管理單位、兩個(gè)配水站轄區(qū)范圍的壓力計(jì)壓力、流量計(jì)流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)地及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),對(duì)相關(guān)閘門、閥門進(jìn)行現(xiàn)地及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(4)視頻監(jiān)控。對(duì)工程管理單位、兩個(gè)配水站重要位置進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 系統(tǒng)功能需求分析

3.1 閘(閥)門監(jiān)控需求

清河水庫輸水線路距離長(zhǎng),閘(閥)門分布在沿線隧洞、管道上,交通不便,亦無法安排人員值守。因此對(duì)這些閘(閥)門的監(jiān)測(cè)和控制必須借助于自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)時(shí)地完成各個(gè)閘(閥)門的開度、啟閉狀態(tài)、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收和處理,采用先進(jìn)的智能算法輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果,以便工程管理人員決策。清河水庫輸水系統(tǒng)的各現(xiàn)地閘(閥)門控制既可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作,也可以在現(xiàn)地手動(dòng)或現(xiàn)地觸摸屏自動(dòng)控制調(diào)度。通過閘(閥)門自動(dòng)控制,極大縮短了閘(閥)門啟閉時(shí)間過程,對(duì)于節(jié)約水力資源具有較大的促進(jìn)作用,并且提高了供水調(diào)度管理水平。

當(dāng)隧洞、管道出現(xiàn)險(xiǎn)情,可通過控制相應(yīng)閘門、閥門,迅速切斷事故段水源,因此,對(duì)這些閘門應(yīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,以保證輸水安全。

3.2 壓力、流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求

清河水庫輸水線路距離長(zhǎng),流量計(jì)、壓力計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分布在沿線隧洞、管道上,交通不便、數(shù)量眾多,也無法安排人員值守。因此,對(duì)這些傳感器的監(jiān)測(cè)必須借助自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)時(shí)地完成各流量、壓力、水質(zhì)等數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收和處理,采用智能優(yōu)化算法輸出圖形、報(bào)表、預(yù)報(bào)結(jié)果等。各傳感器數(shù)值既可以在工程管理單位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),也可以在現(xiàn)地觸摸屏實(shí)時(shí)獲取,無需工作人員到現(xiàn)場(chǎng)記錄各種數(shù)值,實(shí)現(xiàn)了無紙化辦公。

3.3 視頻監(jiān)控需求

清河水庫工程管理單位及各配水站有許多關(guān)鍵位置,需要實(shí)時(shí)了解關(guān)鍵位置附近安防及設(shè)備運(yùn)行情況,因此需要借助于視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)完成圖像的采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)等。

3.4 安全需求分析

我國重要工程的監(jiān)測(cè)與運(yùn)行管理系統(tǒng)歷來是網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的重要對(duì)象[4],多層網(wǎng)絡(luò)分區(qū)防護(hù)策略有助于提升系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)時(shí)作業(yè)運(yùn)行系統(tǒng),需具備一定的安全保障,主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)應(yīng)用系統(tǒng)具有容災(zāi)策略,能夠最大限度地保證監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)的有效性,并預(yù)留容量擴(kuò)展接入后續(xù)工程,形成前后期工程整體系統(tǒng)級(jí)容災(zāi)系統(tǒng)。

(2)數(shù)據(jù)安全涉及訪問、傳輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié),加密程度高,在各層次可以采用差異化數(shù)據(jù)安全管理策略。

(3)不同層級(jí)的管理系統(tǒng)具備安全認(rèn)證功能,重點(diǎn)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)具備熱備用,防范災(zāi)難性事故發(fā)生。

(4)具備防范網(wǎng)絡(luò)攻擊的功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

(5)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全需求,系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要依靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行,數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)。自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備雖然部分在室內(nèi),但同樣需要巡查維護(hù)人員密切注意維護(hù)設(shè)備的安全。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工程管理單位與配水站之間采用C/S 或B/S 方式進(jìn)行通信,在工程管理單位設(shè)置專用工作站或服務(wù)器從配水站獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送控制指令。除自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)外,各應(yīng)用軟件需整合至統(tǒng)一的門戶界面上,通過B/S 方式供管理局辦公網(wǎng)用戶查詢、了解工程運(yùn)行情況。根據(jù)各系統(tǒng)的功能需求,同時(shí)提高硬件設(shè)備利用效率,對(duì)部分系統(tǒng)的工作站進(jìn)行合并。

4.2 系統(tǒng)接口關(guān)系

清河水庫供水工程自動(dòng)化系統(tǒng)是以自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過定制研發(fā)而實(shí)現(xiàn)的集中展示平臺(tái),該系統(tǒng)與其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案如下。

(1)與工程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口。該工程自動(dòng)化系統(tǒng)通過SDH 設(shè)備實(shí)現(xiàn)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連接,采集水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,供信息展示用。

(2)與供水計(jì)量系統(tǒng)接口。該自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收本工程發(fā)布服務(wù)器發(fā)送的流量計(jì)等數(shù)據(jù)信息并安裝供水計(jì)量軟件,接口設(shè)置在通信服務(wù)器上。

(3)與辦公系統(tǒng)接口。該自動(dòng)化系統(tǒng)安裝于發(fā)布服務(wù)器,通過發(fā)布服務(wù)器向辦公網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本工程信息數(shù)據(jù)頁面,提供查詢服務(wù)。

5 結(jié)語

清河水庫輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程沿線閘門、閥門、流量計(jì)、壓力計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)管理局自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)全線設(shè)備的調(diào)度控制,各配水站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)所轄范圍內(nèi)設(shè)備的調(diào)度控制,以及對(duì)重要位置進(jìn)行視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)研發(fā)及投產(chǎn)運(yùn)行能夠提高清河水庫輸水工程的管理與運(yùn)行水平。

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