【摘要】隨著水利自動化、信息化技術的不斷升級優化,閘站自動化系統已在南水北調工程調度運行中發揮著重要作用。數據采集與處理作為閘站自動化系統功能設計中的重要一環,其邏輯合理性、準確性直接關乎閘控功能和精準化調度的實現。本文結合南水北調東線一期工程,對數據采集與處理的流程及功能設計進行探析,為閘站精準化調度提供參考。

【關鍵詞】南水北調;閘站自動化;數據采集;調度運行

南水北調東線一期工程山東段閘站自動化系統設計中管理機構分為三級:一級調度中心(主調中心)、二級管理局分中心、三級現地管理處。目前“兩級調度、三級管理”的調度模式趨于成熟,兩級調度是指由二級局分中心根據調度指令要求直接對所轄的現地閘站進行遠程自動化控制,完成日常調水作業。閘站參與調水作業的基礎設備主要包括啟閉機、開度儀、PLC成套柜等。自動化控制系統自建成投入運行后,大大提升了調水作業的規范性、安全性。同時,部署遠程和現地組態軟件,建立一個分布式監控平臺,通過統一的協議使各監控平臺節點進行通信和交互,監控和數據庫服務與各級閘站監控系統交互,提供了現場閘站“無人值守”化管理的技術保障,實現了遠程監測、操控[1]。本文在剖析南水北調東線一期工程山東段閘站自動化系統架構的基礎上,對數據采集與處理功能設計進行探究,為日后調水作業控制數據的采集、分析、精細化應用提供參考。

1閘站自動化系統架構

南水北調山東段一期的閘站自動化系統由遠程和現地兩部分構成。遠程控制系統主要有調度中心遠程控制系統,主要負責全線閘站調度運行作業和系統運行監控;分中心遠程控制系統,主要負責轄區內所屬各閘站系統控制與監控。現地站控制系統部署在各現地閘站,通過采集PLC的數據系統實行現地操作控制,與底層的水位計、流量計及部分終端直接通訊。監控服務主要有:監控管理,監控各閘站的運行情況及指令下發;控制模型,負責閘站控制邏輯及運算單元;數據庫服務,提供強有力的數據存儲和管理及數據的備份和恢復。現地站主要運行兩套冗余熱備的PLC設備,以其中一臺PLC為主,一臺為輔,可以任意切換,PLC模塊主要采用QuantumM340系列,CPU模塊間通過熱備光纖相連;現地PLC控制系統主要進行水位信息、流量信息、開度信息、電流信息、電壓信息、設備狀態數據的采集工作,對采集數據進行初步分析篩選,為設備安全運行提供有效依據,為后期數據分析打下基礎。

2數據采集與處理功能設計

對于沿線各閘站自動化系統采集、監測的數據主要包括閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態、開度信息、電量信息、環境數據、限位及荷重狀態、相序故障信息等,并實施閘門現地及遠程的自動啟閉控制。

2.1功能概述

數據采集功能主要包括對現場閘站水位、流量、開度、電量信息、限位及荷重狀態以及各種狀態數據進行采集和處理。控制功能主要包括現地PLC柜及遠程控制平臺下發控制指令并實現遠程控制閘門的目標。通過現地PLC控制系統將現地設備數據信息全部采集到PLC控制柜,分析后上傳至遠程控制平臺,集中展示數據信息。1)水情信息采集。對閘室閘門開度、閘門啟閉狀態、水位及電源、供配電狀態進行實時采集。所采集數據在上傳遠程控制平臺的同時,還需為現地控制、監控、管理及記錄提供實時數據。平陰渠道管理處所轄閘室大部分采用電子水尺采集方式,該設備安裝于閘前、閘后翼墻處,通過測量水淹沒傳感器的高度并經換算后獲得水深。所測數據信息通過無線傳輸設備傳輸到PLC控制柜。2)流量信息。重要節點安裝流量計進行流量數據采集并上傳;非重要節點通過計算模型加載流量信息,流量計算模型通過實時水位信息、水位設計高程、開度、閘站類型等基礎數據,設定可修整變量參數實現流量數據的計算。3)遠程控制。通過遠程控制平臺實現閘門開度、啟停的控制。遠程控制平臺通過網絡傳輸介質將控制指令下發至現地PLC控制系統,現地PLC控制系統通過解析控制指令,將控制命令下發至現地啟閉機控制系統。4)故障報警自動上報。水位異常變化和閘門異常變化均可發出報警信息,報警閾值可在管理端進行設定。當出現通訊狀態中斷、閘門沖頂、停電、過流等故障狀態時平臺發出報警信息,報警數據在上傳平臺的同時在本地記錄留存。5)事件操作記錄。啟停狀態變化、操作指令(包括遠程指令)、控制參數的增加、刪除、修改等動作、故障報警狀態將作為事件在上傳平臺的同時在本地記錄留存。6)事件警告。啟停狀態變化、操作指令(包括遠程指令)、控制參數的增加、刪除、修改等動作均可觸發事件報警。7)參數設置。由于外界環境的變化,測量設備正常運行的情況下,會出現數據微差,消除微差,參數修改。8)聲光報警。遠程提升閘門時會給現場人員提前告示,閘門在動作之前會有聲光警示。

2.2輸入、輸出項

1)輸入項。通過PLC實時收集的數據如模擬量與開關量,對需要計算的數據進行必要的處理,并將處理后的數據按不同類型分別存入不同的數據庫表,以備查詢。現場需要采集的數字量有:啟閉機手動、自動、停止、運行、故障、機械上下限、儀表上下限狀態,采集模塊為DDI1602,該輸入模塊觸點對應程序的輸入寄存器地址,由此在程序中對應分配正確的寄存器地址,該狀態就會相應發送至觸摸屏。水位采集設備包括浮子式水位計、超聲波水位計、電子式水位計、雷達式水位計、壓阻式水位計。水位計輸出信號包括2種,一種是RS485Modbus協議類型,一種是4~20mA。其中采集4~20mA的模擬量信模塊為AMI0810模塊,模擬量轉換為數字量,給定相應的通道分配,程序中建立模擬量轉換功能塊,功能塊經過邏輯運算,然后整定輸出相應的閘前、閘后水位。RS485Mod-bus協議采集模塊為BMXNOM0200串口模塊,通訊格式9600.0.8.1地址等參數設置正確后,在PLC程序中就可讀到水位計信號,讀到的數據會存儲在指定的寄存器中。現地高壓柜的電量為多功能表,傳輸方式為RS485,Modbus協議,采集模塊為BMXNOM0200串口模塊,通訊格式9600.0.8.1地址等參數設置正確后,在PLC程序中就可讀到電能表的電流、電壓等參數,讀取的數據會存儲在指定的寄存器中。2)輸出項。通過PLC采集的各類數據信息存放在不同的寄存器中,作為限制條件執行邏輯程序,包括遠程開閘、關閘、停止等,限制條件滿足,執行信號輸出,驅動外部繼電器,由外部繼電器去啟動或關閉信號。采集到的模擬量、開關量數據,PLC可通過接口通道讀取各類數據,根據讀取的數據再經過數據計算、整定、處理得出實際的測量值。

2.3流程邏輯

底層設備的數據信息經過采集模塊傳輸到PLC處理單元,PLC進行計算處理判斷后,在監控單元上進行展示,包括觸摸屏和上位機,并且存入上位機的數據庫。

3系統優化分析

3.1數據采集設備優化升級

經過較長時間的調度作業,可以看到傳統采集設備普遍存在“測不到、測不準、測得慢、成本高”[2]的難題。尤其是在南水北調東線現場工況下,高溫、灰塵和濕度過大是導致各類采集設備損壞的主要原因[3]。各類采集設備提供了基礎決策的數據,為保證這些采集設備可靠運行,在優化運行環境的基礎上,還應充分考慮水質和冰期調水作業對水位采集的影響,充分考慮感應、傳輸、供電等電子元件的使用壽命、故障率對數據采集的影響,根據運行維護工況對故障頻發的水位、閘位等采集設備進行優化升級。

3.2強化數據篩選和清洗

基于具有強大處理功能的PLC,高頻次的數據采集過程中產生了大量干擾數據或無效數據。在進行閘站自動化系統設計過程中,已經采取了一定的過濾策略。然而經過長時間的運行,暴露了不能全面覆蓋數據種類、范圍的缺陷。應當在原有過濾策略的基礎上建立一套數據分析決策機制,在保證真實交互的基本需求下,對采集數據進行預處理,篩選和清洗干擾數據,降低PLC和遠控系統的處理負荷。

4結語

隨著“水利工程補短板、水利行業強監管”總基調的確定,水利信息化已開始步入快車道,強大而完善的閘站自動化系統有效提升了南水北調東線調水作業效率,采集設備的提升改造保障了自動化系統數據采集的及時、準確、可靠。在完善遠控、現地控制功能的同時,優化數據采集和處理的設備、流程,引入數據分析技術,全面提升南水北調東線的閘站自動化控制水平,實現南水北調工程的自動化操作、精準化控制、智慧化調度等方面,確保安全運行,為社會經濟發展提供可靠的保障。

參考文獻

[1]馬鳳偉,孟凡文,邊海寧,等.基于PLC和組態王的水閘監控系統[J].電子世界,2020,(1):145-146.

[2]劉德龍,李夏,李騰,等.智慧水利感知關鍵技術初步研究[J].四川水利,2020,(1):111-115.

[3]王自明,王曉潔.插花閘自動化控制系統存在的問題及對策[J].安徽水利水電職業技術學院學報,2019,(12):34-36.