李 峰

(甘肅水投天水水務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧水利、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，如何充分利用新技術(shù)推進(jìn)引調(diào)水工程運(yùn)行管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，已經(jīng)成為當(dāng)前水利工程信息化研究的熱點(diǎn)[1]。特別是大型引調(diào)水工程，由于工程設(shè)施分散布局，運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多面廣，自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)工程實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行、精準(zhǔn)可靠管控、科學(xué)合理調(diào)度、節(jié)約資源成本起著非常重要的作用，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠增強(qiáng)引調(diào)水工程的全域數(shù)據(jù)感知、險(xiǎn)情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)調(diào)度、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行，大幅提高引調(diào)水工程的智能化管理水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)少人值守、無(wú)人值守的運(yùn)行管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)管理到科學(xué)管理、規(guī)范管理、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的轉(zhuǎn)變[2]。

1 工程概況

天水市城區(qū)引洮供水工程供水對(duì)象為天水市城區(qū)，設(shè)計(jì)引水流量2.1m3/s，為Ⅲ等中型工程。工程自引洮二期工程四干渠末端取水，經(jīng)暗渠、隧洞、倒虹吸、壓力管道輸水至楊家灣調(diào)蓄水池，線(xiàn)路總長(zhǎng)94.07km，其中暗渠4.31km，隧洞16.35km，倒虹吸2.97km，壓力管道70.44km，調(diào)蓄水池1座155萬(wàn)m3。

工程線(xiàn)路長(zhǎng)且地處黃土丘陵溝壑區(qū)，交通不便，各類(lèi)水工建筑物種類(lèi)繁多，有壓管道輸水壓力高達(dá)4.5MPa，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，建立方便、可靠、高效、完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)少人、無(wú)人值守具有非常重要的意義。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行工況和運(yùn)行管理對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的需求，借鑒同類(lèi)工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)可靠的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)功能全面、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化控制功能。系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、現(xiàn)地測(cè)控系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一體化應(yīng)用平臺(tái)組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 天水市城區(qū)引洮供水工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體框架

根據(jù)本工程的運(yùn)行特點(diǎn)，為便于管理自動(dòng)化控制系統(tǒng)采取縱向分層、橫向分區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用三級(jí)管控模式。第一級(jí)為總調(diào)度中心級(jí)(城區(qū)調(diào)度中心)，可查看和控制一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)的所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)；第二級(jí)為管理站級(jí)，根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行需要設(shè)置了兩個(gè)管理站(洛門(mén)管理站、秦州管理站)進(jìn)行分段管控，可查看、控制二級(jí)和三級(jí)所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)；第三級(jí)為現(xiàn)地級(jí)，即工程沿線(xiàn)各類(lèi)重要閘(閥)門(mén)的現(xiàn)地控制站點(diǎn)，可查看、控制三級(jí)所有業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。

圖2 天水市城區(qū)引洮供水工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)縱向分層結(jié)構(gòu)

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能

天水市城區(qū)引洮供水工程自動(dòng)化控制信息系統(tǒng)的功能主要包括供水管道流量、壓力等水情信息監(jiān)測(cè)；

供水管道各類(lèi)工作閥(閘)門(mén)及其他設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制；重要部位的視頻圖像遠(yuǎn)程采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控；工程整體二維GIS應(yīng)用和展示；各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合展示與信息服務(wù)；通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中大量數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)對(duì)比、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)異常時(shí)的報(bào)警，大量運(yùn)行數(shù)據(jù)變化規(guī)律的曲線(xiàn)圖繪制，對(duì)總結(jié)研究閥門(mén)開(kāi)啟度操作和壓力管道運(yùn)行工況提供數(shù)據(jù)支撐，為提升運(yùn)行管理水平提供參考。

3.1 閥(閘)門(mén)的監(jiān)測(cè)、控制

工程前段14.91km主要由暗渠及隧洞組成，為無(wú)壓流段，為隧洞檢修方便，通過(guò)在隧洞進(jìn)出口布置的螺桿式閘門(mén)來(lái)控制水流；工程壓力管道段最大靜水壓力達(dá)4.5MPa，是工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部位，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)壓力管道段的閥門(mén)開(kāi)關(guān)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，對(duì)流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析是自動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要功能。

3.1.1 各類(lèi)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

在壓力管道主要控制閥門(mén)站點(diǎn)配置現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)自動(dòng)采集所轄對(duì)象的各類(lèi)閥門(mén)開(kāi)度、管道實(shí)時(shí)流量、管道瞬時(shí)壓力等數(shù)據(jù)。

3.1.2 閥(閘)門(mén)的控制與調(diào)節(jié)

閥(閘)門(mén)現(xiàn)地控制單元能夠通過(guò)與閥(閘)門(mén)配套的PLC控制柜接受城區(qū)調(diào)度中心、洛門(mén)(秦州)管理站及閥(閘)門(mén)現(xiàn)地站三個(gè)層級(jí)的控制命令并調(diào)整閥(閘)門(mén)開(kāi)啟度，實(shí)現(xiàn)閥(閘)門(mén)設(shè)備在調(diào)度中心、管理站的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制和現(xiàn)地開(kāi)關(guān)控制。

3.1.3 運(yùn)行監(jiān)視

通過(guò)現(xiàn)地控制單元上的顯示屏、指示燈等，實(shí)時(shí)對(duì)該現(xiàn)地控制站現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)開(kāi)度狀態(tài)，管道實(shí)時(shí)流量、瞬時(shí)壓力，電氣設(shè)備的電壓、電流等運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，并將運(yùn)行狀態(tài)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3.1.4 安全保護(hù)

通過(guò)閘門(mén)現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)及智能傳感器，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)啟閉警告，閘門(mén)啟閉過(guò)程中過(guò)力矩、過(guò)電壓等故障安全防護(hù)，以保證閘門(mén)的啟閉安全。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于工程線(xiàn)路較長(zhǎng)，各類(lèi)水力機(jī)械設(shè)備分布于94.07km的線(xiàn)路上，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)地各站點(diǎn)的管理站和調(diào)度中心兩級(jí)視頻監(jiān)控，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了少人、無(wú)人值守，大大降低了運(yùn)行管理成本。

現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)配置了前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、接入點(diǎn)交換機(jī)、運(yùn)行管理中心核心交換機(jī)等設(shè)備，采集處理該站點(diǎn)管轄范圍的閘室環(huán)境、各類(lèi)水力機(jī)械設(shè)備工作狀況、站點(diǎn)周邊環(huán)境等監(jiān)控視頻圖像，現(xiàn)地站點(diǎn)視頻圖像根據(jù)區(qū)域管理權(quán)限分別匯聚至二級(jí)管理站，再通過(guò)骨干傳輸系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將管轄范圍各站點(diǎn)的視頻圖像傳送至調(diào)度中心。既能為引水調(diào)度提供重要的決策依據(jù)，還能用于工程設(shè)施設(shè)備的安全防衛(wèi)。

3.3 一體化應(yīng)用系統(tǒng)

一體化應(yīng)用系統(tǒng)是工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，以本工程壓力管道運(yùn)行工況特點(diǎn)為基礎(chǔ)，綜合借鑒其他類(lèi)似工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)可靠的自動(dòng)化控制軟件技術(shù)，建立以運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析、判斷為主線(xiàn)，以科學(xué)合理、安全穩(wěn)定的水量調(diào)度為目標(biāo)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型、虛擬仿真、遠(yuǎn)程控制、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)閥(閘)門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制、運(yùn)行過(guò)程中各類(lèi)參數(shù)的采集分析、險(xiǎn)情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水量調(diào)度、工程線(xiàn)路走向及建筑物類(lèi)型三維實(shí)景展示、工程維護(hù)等各類(lèi)生產(chǎn)運(yùn)行業(yè)務(wù)的綜合運(yùn)用系統(tǒng)，同時(shí)兼顧工程運(yùn)行管理辦公自動(dòng)化[4-5]、綜合會(huì)商、視頻會(huì)議等功能。實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行安全穩(wěn)定、水資源的優(yōu)化配置、運(yùn)行管理信息化智能化，實(shí)現(xiàn)少人、無(wú)人值守，降低運(yùn)行管理成本，充分發(fā)揮工程效益(見(jiàn)圖3)。

圖3 一體化引用系統(tǒng)組成架構(gòu)

整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層和支撐層作為一體化管控平臺(tái)的建設(shè)基礎(chǔ)，根據(jù)管道工程運(yùn)行管理為主的需求，開(kāi)發(fā)部署各類(lèi)業(yè)務(wù)相應(yīng)的應(yīng)用軟件。一體化軟件基礎(chǔ)平臺(tái)軟件包括數(shù)據(jù)采集與交互平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊(見(jiàn)圖4)。

圖4 一體化應(yīng)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集與交互平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集與交互主要進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度、流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集，工程建筑物及周邊環(huán)境視頻數(shù)據(jù)的采集與處理，巡檢情況數(shù)據(jù)的人工比對(duì)等，并按照數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)相關(guān)要求將采集到的信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各層級(jí)之間的數(shù)據(jù)交互應(yīng)用。

3.3.2 數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)主要進(jìn)行各類(lèi)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯集、存儲(chǔ)與管理。對(duì)下實(shí)現(xiàn)各種信息采集傳輸和調(diào)度指令傳輸下達(dá)，對(duì)上為應(yīng)用支撐平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)信息。

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)橫跨生產(chǎn)控制區(qū)和辦公管理區(qū)以及調(diào)度中心與會(huì)商中心之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)進(jìn)行對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采集與整理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閘站監(jiān)控、險(xiǎn)情預(yù)報(bào)、視頻監(jiān)控、運(yùn)行調(diào)度等各類(lèi)信息的存儲(chǔ)、管理。

3.3.3 應(yīng)用支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)是由采集到的各類(lèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)應(yīng)用功能的樞紐，其作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享和應(yīng)用系統(tǒng)的互連互通，為應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間、應(yīng)用系統(tǒng)與其他平臺(tái)之間信息共享的核心[6]。

根據(jù)天水市城區(qū)引洮供水工程的運(yùn)行管理特點(diǎn)，本應(yīng)用支撐平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)管道壓力、流量等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析處理并形成統(tǒng)計(jì)圖表，提供閥門(mén)開(kāi)度、壓力、流量等各類(lèi)運(yùn)行參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)，閥門(mén)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)啟閉，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超出閾值后的報(bào)警提醒，工程全線(xiàn)二維GIS，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行分級(jí)權(quán)限管理及日常運(yùn)行管理中的運(yùn)行日志記錄等。

3.3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊

在一體化應(yīng)用支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用一套軟件平臺(tái)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)閘(閥)門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制、動(dòng)環(huán)監(jiān)控等綜合監(jiān)控監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)可在同一畫(huà)面中顯示、操作、查詢(xún)。并將上述信息在一張GIS圖上綜合展示，在統(tǒng)一界面中實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)分析、綜合展示。

3.3.5 二維GIS應(yīng)用

由于工程線(xiàn)路長(zhǎng)，且工程建成后管道、暗渠、隧洞等建筑物大多被隱蔽，基于GIS的二維仿真系統(tǒng)是對(duì)本工程有關(guān)工程參數(shù)的直觀展示，本系統(tǒng)以工程各類(lèi)建筑尺寸及相關(guān)工程屬性、管道材質(zhì)壁厚、閥門(mén)設(shè)備功能屬性、地理位置等工程特性為基礎(chǔ)，通過(guò)信息化工程技術(shù)，結(jié)合成像技術(shù)，以形象、直觀、可視化的形式展現(xiàn)隱蔽工程相關(guān)工程實(shí)體狀況、運(yùn)行工況。同時(shí)將各類(lèi)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行的可視化模擬功能，達(dá)到更加科學(xué)的管理目的，為工程運(yùn)行管理決策提供支持[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度中心、管理站、現(xiàn)地對(duì)沿線(xiàn)各類(lèi)閘(閥)門(mén)設(shè)施的三級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析，為工程運(yùn)行提供了參考，是實(shí)現(xiàn)工程安全穩(wěn)定運(yùn)行、及時(shí)高效調(diào)度的重要保障措施，經(jīng)三年多的運(yùn)行檢驗(yàn)，工程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但由于壓力管道系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)中各種閾值的設(shè)定還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置，同時(shí)，管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中采集到的各類(lèi)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析還需與相關(guān)水力計(jì)算相結(jié)合，以更加科學(xué)合理地指導(dǎo)工程運(yùn)行。