王思芳

（溫州市甌海中心區(qū)建設(shè)中心，浙江 溫州 325014）

1 基本概況

溫州龍舟運(yùn)動(dòng)基地作為2022杭州亞運(yùn)會(huì)龍舟比賽項(xiàng)目場(chǎng)地，對(duì)保障國家亞運(yùn)會(huì)順利進(jìn)行、樹立溫州城市國際品牌以及弘揚(yáng)溫州龍舟民族文化等具有重要意義。該基地位于溫州市甌海區(qū)中心區(qū)南單元，處于城市中央綠軸末端，周邊為居民住宅區(qū)及景觀河，地理位置優(yōu)越。該基地采取“水岸同建、無縫相連”方式，布局“一場(chǎng)二館一水上基地”，將打造全國最高端的龍舟綜合體育中心?；匕刂蔟堉圻\(yùn)動(dòng)基地、甌海區(qū)奧體中心（包括主體育場(chǎng)、體育館、游泳館、運(yùn)動(dòng)員公寓及配套商業(yè)）、配套道路工程等。

本基地實(shí)質(zhì)上是一個(gè)水利水域工程，包括賽道及周邊河道，其中龍舟賽道長1 200 m、寬130 m，工程范圍內(nèi)周邊河道總長約2 170 m；賽道護(hù)岸長約2.5 km，周邊河道護(hù)岸長約4.5 km；河道開挖疏浚工程，開挖95.97萬m3；有5座節(jié)制閘，總凈寬106 m；1座排澇泵站與4號(hào)閘合建（兼換水），設(shè)計(jì)流量4 m3/s，Φ700 mm引水管線545 m。5座節(jié)制閘和1座閘站的基本情況如表1所示。

表1 水閘泵站基本情況表

溫州龍舟運(yùn)動(dòng)基地作為2022杭州亞運(yùn)會(huì)龍舟比賽項(xiàng)目場(chǎng)地對(duì)防汛防臺(tái)提出了更高的要求，且總體控制要符合2021年浙江省政府提出的數(shù)字化改革總體要求。目前5座節(jié)制閘和1座閘站的主體工程建設(shè)已經(jīng)完成，如何在原來的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行深化和全自動(dòng)化建設(shè)是本文重點(diǎn)研究和實(shí)踐的問題。

2 總體框架

本研究和實(shí)踐的總體思路是以浙江省水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型方針為宗旨，遵循“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的基本工作思路，充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)，接合工程防洪排澇的職能，建設(shè)龍舟基地閘泵站集中監(jiān)控系統(tǒng)，提升龍舟基地的防洪、防汛及排澇能力，輔助工程安全高效運(yùn)行、防洪調(diào)度規(guī)范、科學(xué)、精準(zhǔn)，加速溫州龍舟基地閘泵站數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

溫州市龍舟運(yùn)動(dòng)基地工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)按照多層通信架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，將傳統(tǒng)的感知控制層、通信傳輸層和集中控制層3層結(jié)構(gòu)，增加為4層結(jié)構(gòu)，即增加了數(shù)據(jù)應(yīng)用層，該層為后續(xù)設(shè)備、組態(tài)軟件選擇、網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)及外部數(shù)據(jù)共享提供了基礎(chǔ)保障，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

本次研究范圍主要圍繞1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)5座閘站、龍舟賽道及1處控制中心進(jìn)行。結(jié)合以往相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目的主要建設(shè)內(nèi)容包括：

（1）1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)5座閘站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。完成對(duì)閘門現(xiàn)地控制柜的遠(yuǎn)程對(duì)接，完成水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)現(xiàn)地閘泵的遠(yuǎn)程控制及管理。閘門的開度需要閘門控制廠家在原控制柜上將閘門的實(shí)時(shí)開度經(jīng)備用AO點(diǎn)，以4～20 mA信號(hào)輸出，接至新增LCU控制站。

（2）控制中心建設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)閘泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要在控制中心增加核心交換機(jī)、防火墻、網(wǎng)閘及上位機(jī)控制軟件等，同時(shí)增加一臺(tái)控制工作站和一臺(tái)防汛工程師工作站。防汛工程師工作站通過防火墻與以太網(wǎng)鏈接，安裝龍舟基地的標(biāo)準(zhǔn)化防汛系統(tǒng)，采集視頻、閘門啟閉狀態(tài)、開度、水位等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)庫，與甌海區(qū)水平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全。采用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)，單獨(dú)新建工控信息交換網(wǎng)絡(luò)，采用工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組建控制網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)形式采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò),同時(shí)開展網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)與實(shí)施，達(dá)到國家二級(jí)等保的要求。

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用3級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，包括現(xiàn)地控制層、通信網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程控制層3級(jí)。系統(tǒng)建成后，基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地?zé)o人值守管理模式，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到調(diào)度中心，提高水閘管理和調(diào)度效率。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

（1）現(xiàn)地控制層?，F(xiàn)地控制層對(duì)所管轄的生產(chǎn)過程進(jìn)行完善的監(jiān)控，能脫離遠(yuǎn)端控制層獨(dú)立完成監(jiān)控過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理，單元設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)層。通信專用光網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)地控制層設(shè)備與遠(yuǎn)端控制層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)打通，連接控制中心和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備終端。

（3）遠(yuǎn)端控制層。遠(yuǎn)端控制層負(fù)責(zé)采集和處理來自現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)、人機(jī)對(duì)話、與現(xiàn)地控制層和綜合信息管理平臺(tái)的通信。遠(yuǎn)端控制層控制工作站設(shè)置在管理中心運(yùn)行人員操作控制臺(tái)上，同管理中心其他子系統(tǒng)協(xié)同工作，完成閘站監(jiān)控的調(diào)度任務(wù)。

4 系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。模擬量的采集與處理主要對(duì)閘站上下游水位進(jìn)行周期采集。開關(guān)量的采集與處理主要對(duì)各類故障信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，手動(dòng)自動(dòng)方式選擇的位置信號(hào)等以定期掃查方式接收，最后經(jīng)格式化處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。開關(guān)量輸出主要是特指各類操作指令。

（2）運(yùn)行監(jiān)視和事件報(bào)警。①通過顯示器對(duì)閘站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。②監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)某些參數(shù)以及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。③閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)定時(shí)掃查各故障狀態(tài)信號(hào)，一旦發(fā)生狀變將在顯示器上即時(shí)顯示出來，同時(shí)記錄故障及其發(fā)生時(shí)間，并用語音報(bào)警。

（3）控制與調(diào)節(jié)。運(yùn)行人員在控制室計(jì)算機(jī)上對(duì)需要控制的電氣設(shè)備發(fā)出各種控制操作命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變位控制。如水閘閘門的開、關(guān)；汛情水泵電機(jī)的啟動(dòng)、停止。

（4）系統(tǒng)保護(hù)。閘門系統(tǒng)自身擁有現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜，位置反饋信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)均通過現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜IO模塊反饋至新建LCU控制柜。

5 應(yīng)用實(shí)踐

5.1 現(xiàn)地控制單元建設(shè)

本系統(tǒng)的控制柜采用專業(yè)定制，長寬高分別為2 000 mm×800 mm×800 mm（含溫濕度凝露裝置、風(fēng)扇，照明，加熱），不銹鋼，雙層門，尺寸與現(xiàn)場(chǎng)控制柜一致，保證美觀大方。

本次對(duì)閘門進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)選用了西門子S7-200 Smart系列PLC，它是西門子公司研制開發(fā)的新型智能型PLC，具有多項(xiàng)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的功能與產(chǎn)品特點(diǎn)。單體I/O點(diǎn)數(shù)最高可達(dá)60點(diǎn)，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15 μs，標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，CPU模塊本體最多集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100 kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式。

觸摸屏采用MCGS（昆侖通態(tài)）公司的TPC1061Ti型號(hào)產(chǎn)品，TPC1061Ti是一套以先進(jìn)的Cortex-A8CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

控制系統(tǒng)組態(tài)軟件選用亞控公司的組態(tài)王7.5 SP3，“組態(tài)王”作為民族工業(yè)軟件品牌，支持授權(quán)鎖國產(chǎn)化，響應(yīng)國家號(hào)召。提供SOAP和Restful兩種協(xié)議的WebService服務(wù)，用戶可以根據(jù)需要訪問不同協(xié)議的WebService服務(wù)，為后續(xù)的應(yīng)用軟件打造奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)閘門控制柜安裝在室外公共區(qū)域，控制柜安裝了防護(hù)柵欄，對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，確保設(shè)備安全以及附近人民群眾的人身安全。

對(duì)原控制柜軟件進(jìn)行改造，新增控制柜需要實(shí)時(shí)讀取已安裝控制柜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括閘門的開關(guān)情況、開關(guān)幅度，還需要調(diào)度中心對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，控制閘門的開關(guān)和水泵的啟停。需要對(duì)原控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件改造，部分程序重新修改等。

實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)通信，讀取現(xiàn)有動(dòng)力柜的軟啟動(dòng)裝置、多功能電表的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)讀取設(shè)備運(yùn)行情況。

5.2 控制中心建設(shè)

為了最大限度地節(jié)約成本，本項(xiàng)目充分利用了現(xiàn)有辦公室操作工作臺(tái)，配備監(jiān)控工作站及管理工作站，完成賽道中心自控系統(tǒng)總調(diào)度監(jiān)控室搭建，通過集成的顯示系統(tǒng)及中控系統(tǒng)，集中展現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及圖像信息，全面展示賽道中心自控設(shè)備運(yùn)行工況。

在控制中心部署網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、交換設(shè)備等，確保遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的安全及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，主要設(shè)備包括：防火墻1臺(tái)、網(wǎng)閘1臺(tái)、核心交換機(jī)1臺(tái)、打印機(jī)1臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)器1臺(tái)等。工作站采用了研華IPC610L，性能穩(wěn)定。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用了DellR740，性能高，CPU頻率2.4 GHz，CPU核心為十核；CPU線程數(shù)為20線程。

由于現(xiàn)有控制室內(nèi)的電腦配置過低且顯示屏尺寸小、邊框大，不適合應(yīng)用于閘泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，因此需增加1臺(tái)高配置的工控機(jī)。

同時(shí)增加1臺(tái)防汛工程師工作站。防汛工程師工作站通過防火墻與以太網(wǎng)鏈接，安裝龍舟基地的標(biāo)準(zhǔn)化防汛系統(tǒng)，采集視頻、閘門啟閉狀態(tài)、開度、水位等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)庫，與甌海區(qū)水平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

5.3 網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)

為了保證網(wǎng)絡(luò)安全，閘泵遠(yuǎn)程監(jiān)控的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)閘隔離后，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器中，其數(shù)據(jù)的分發(fā)需要再經(jīng)過防火墻的隔離后，單向向上傳輸?shù)皆品?wù)器。防火墻采用了工業(yè)網(wǎng)閘—寬域CKDYFID4000。該防火墻采用了2+1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙主機(jī)系統(tǒng)+硬件隔離控制器；非INTEL指令集的網(wǎng)絡(luò)處理器；硬件隔離控制器采用專用數(shù)據(jù)處理芯片，無操作系統(tǒng)，延時(shí)小于5 ms。工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)采用了寬域S2100D-F2T8。

為了滿足國家等級(jí)保護(hù)2.0要求，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行可靠防護(hù)，建設(shè)了安全防護(hù)系統(tǒng)，包括云防火墻、數(shù)據(jù)庫審計(jì)、運(yùn)維審計(jì)和日志審計(jì)、漏洞掃描、入侵防御、DDoS攻擊等。

6 結(jié)束語

通過本次龍舟基地閘門泵站自動(dòng)化控制體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，得出如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了高要求高標(biāo)準(zhǔn)的4層結(jié)構(gòu)。結(jié)合浙江省數(shù)字化改革和2022亞運(yùn)會(huì)對(duì)基地建設(shè)的高要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，考慮自動(dòng)化系統(tǒng)與甌海區(qū)水平臺(tái)以及外部單位的數(shù)據(jù)共享，在傳統(tǒng)的感知控制層、通信傳輸層和集中控制層3層結(jié)構(gòu)上，增加了數(shù)據(jù)應(yīng)用層，為后續(xù)設(shè)備、組態(tài)軟件選擇、網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)及外部數(shù)據(jù)共享提供了基礎(chǔ)保障。

（2）溫州龍舟運(yùn)動(dòng)基地作為2022亞運(yùn)會(huì)競(jìng)賽基地，在系統(tǒng)建設(shè)中，充分考慮國產(chǎn)化，因此在工作站組態(tài)軟件選擇上，選擇了支持國產(chǎn)化的民族工業(yè)軟件品牌“組態(tài)王”,同時(shí)選擇了能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)共享研發(fā)的7.5 SP3型號(hào)，提供了SOAP和Restful兩種協(xié)議的WebService服務(wù)，為后續(xù)的共享場(chǎng)景打造奠定基礎(chǔ)。

（3）由于數(shù)字化的高要求以及數(shù)據(jù)共享的需要，考慮亞運(yùn)會(huì)競(jìng)賽基地的戰(zhàn)略重要地位和重要場(chǎng)所，網(wǎng)絡(luò)安全必須高要求打造，而本次設(shè)計(jì)和建設(shè)充分考慮了這一點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻上選擇了高性能的設(shè)備，而且滿足了國家等級(jí)保護(hù)2.0要求，建設(shè)了包括云防火墻、數(shù)據(jù)庫審計(jì)、運(yùn)維審計(jì)和日志審計(jì)、漏洞掃描、入侵防御、DDoS攻擊等模塊的安全防護(hù)系統(tǒng)。

（4）始終遵循既高標(biāo)準(zhǔn)又充分節(jié)約的原則，充分利用原有的控制中心機(jī)房、控制臺(tái)、大屏、光纖網(wǎng)絡(luò)等空間、備用接口和富余容納能力進(jìn)行本次建設(shè)，在實(shí)踐中取得了很好的效果，值得同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐借鑒。