引江济淮（江淮运河）船闸群集中远程控制系统的研究设计

查道正 尹国梁 石涛涛

摘要：引江济淮（江淮运河）工程作为国家大型调水、航运工程，本项目将建设船闸群集中远程控制系统，在航运联合指挥中心部署一套工业组态软件，利用自建的控制专网实现对上述船闸的集中远程监视与控制，定制开发一机双显、视频联动、广播联动等特色功能。同时船闸群集中控制系统将提供与其他业务系统的数据接口，实现数据资源的共享，为引江济淮“数字引江、智慧船闸”打造一套行业内无成熟应用先例的“无人值班、少人值守”的集中管控一体化模式，结合各船闸的特点和地理环境，选择先进适用的技术，进一步提升船闸的运行效能，为后续全省航道船闸智能化建设探索经验。

关键词：船闸群集中远程控制、控制专网、智慧船闸、管控一体化、探索经验

引言

引江济淮（江淮运河）工程作为国家大型调水、航运工程，自南向北分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三段，输水线路总长723公里。整条航线共建设船闸枢纽工程7座，分别是枞阳船闸、庐江船闸、白山船闸、兆河船闸、派河船闸、蜀山船闸、东淝河船闸。其中派河船闸、蜀山船闸、东淝河船闸为双线船闸，共计10个船闸。每个船闸均设置了现地级自动化控制系统，可实现在各个船闸现地中控室对船闸进行现地集中控制。

本项目将建设船闸群集中远程控制系统，在航运联合指挥中心部署一套工业组态软件，利用自建的控制专网实现对上述船闸的集中远程监视与控制，定制开发一机双显、视频联动、广播联动等特色功能。同时船闸群集中控制系统将提供与其他业务系统的数据接口，实现数据资源的共享。

1 设计目标及思路

1.1设计目标

系统总体规划目标为：能够实现船闸本地“无人值班、少人值守”，运调中心“远程集控、统一调度”的功能（先具备该项功能，后期根据实际运营管理需求灵活选择）。

（1）建设运调中心，提高船闸运行管理水平

建设全线区域船闸运行调度中心，通过引入新的技术手段实施船闸集中管理，实现对下属7座枢纽船闸集中控制及统一运行调度，实现远程集控、统一报到、统一收费、统一调度、统一信息发布，提升船闸运行和管理的智能化、精細化水平。

（2）远程集中控制，减少现场值班值守人员

通过在运调中心汇聚船闸现地感知数据，对船闸远程实时监视、监测和集中控制，实现多座船闸的集中控制应用，减少船闸现场人员需求，最终达到船闸少人值守/无人值班，提高管理水平和效益。

（3）统一调度管理，加强区域性船闸监测指挥

通过软件和硬件系统建设实现多座船闸的统一调度管理和监测指挥，对辖区船闸的船舶过闸流量、调度实况进行实时监视，采用智能化手段降低工作人员的工作强度、规范和优化船舶调度工作的管理、实现流量自动分析和预警，保障船闸调度管理的公正、公开和安全，为船民提供更加方便、快捷、高效的过闸体验。

1.2 设计思路

1.2.1集中调控、少人值守的思路

为引江济淮“数字引江、智慧船闸”打造一套行业内无成熟应用先例的“无人值班、少人值守”的集中管控一体化模式，建设远程集中控制系统需结合各船闸的特点和地理环境，选择先进适用的技术。当前提出的“智慧船闸”的全新理念也正是要求本次项目中的集中控制与调度管理等最基本的业务稳定可靠，保证整个系统在今后需要时可以进行平滑地过渡或升级。

1.2.2分层分区的设计思路

因本系统对内提高运行调度效率，对外服务水运企业、船民等民生，因此系统的安全性需得到有力的保障，同时国家各行各业对信息安全的建设也越来越重视，本项目建设规划总体设计采用一体化平台，根据船闸工程布置、机构设置情况及网络安全，系统总体遵循集中部署、安全分区原则，横向分为工业控制区和信息管理区，纵向按业务管理模式分为船闸层和运调中心层，保证系统安全、稳定、可靠，同时减少系统部署层级、简化系统部署及维护工作量。

2 系统方案设计

2.1系统结构

船闸群集中控制系统建设采用分层控制模式，整个计算机控制系统（SCADA）专用网络由联调联试中心层、船闸现地控制层（船闸现地控制层又由船闸现地集中控制层和船闸现场LCU屏控制层组成）两个层次实现。通过上述两个层次的连接，就形成了以调度指挥中心为核心的环型网络结构。

该系统由1个联调联试中心、4个单线船闸、3个双线船闸和远期规划的船闸（已建船闸远期扩容或新建支线航道船闸）组成。

船闸群集中控制系统运行于控制专网内，联调联试中心和船闸现地控制站通过控制专网实现数据采集与控制指令下达。联调联试中心应用服务器通过网络与船闸现地控制站设备连接，联调联试中心与船闸现地站的各个自动控制系统，通过系统间的接口、协议实现数据的监测和控制。控制专网的数据采用数据共享交换的方式实现与其他业务系统的数据交换。

（1）联调联试中心

联调联试中心可通过工业级组态控制软件对船闸现地控制站进行远程控制，利用船闸现地站上报的数据来监视各个船闸现地站目前的运行状态。各个船闸现地站的生产数据实时发往联调联试中心。

联调联试中心集中控制系统硬件上由工作站和服务器组成，其中工作站包括6台SCADA控制操作员站。服务器主要包括应用服务器2台、实时历史数据库服务器2台、通信接口服务器1台。所有应用支撑软件分别运行于服务器上，工作站安装组态软件的客户端。

（2）船闸现地控制站

船闸现地站级控制系统已在每个船闸工程中独立建设，每个船闸现地控制层均由船闸现地集中控制层和船闸现场LCU屏控制层两个层次实现。本项目不对现地级控制系统进行修改，仅需现地级控制系统预留与联调联试中心的数据接口、服从整个航运信息化系统的IP地址总体规划，在软件开发过程中服从船闸集中控制系统提出的控制权限要求。

船闸现地中控室一般布置在闸首机房或管理区办公楼内，其设备包括工业标准操作台、操作员工作站、服务器、电视墙、打印机等。操作员工作站主要完成闸阀门的运行自动化及其管理，包括历史数据存档、归类、检索和管理，运行报表生成与打印;人机接口功能，即完成设备运行的实时监视与控制，来自现地控制单元的实时信息直接在显示器上显示刷新。

船闸上、下闸首左、右岸各配一套液压泵站，每套液压泵站分别控制一台闸门液压启闭机及一台输水阀门液压启闭机，共四套。每套液压系统配置有一台现场LCU控制屏。控制系统采用冗余环型网络结构，能实现左右岸同步、上下闸首闭锁。现地中控室操作员工作站与现场LCU控制屏之间通过工业级交换机采用以太网连接。

现地控制站控制方式共采用二级：一级采用现场LCU控制屏现场控制，二级采用现地中控室计算机远方控制，可实现远方控制和现地控制转换，控制方式优先顺序为现场控制优于远方控制。控制系统将保证在进行控制权切换时闸门运行无扰动。集中控制系统软件应适合开放系统环境下运行，并具有成熟的运行经验。系统应采用分布式数据库，用户界面及网络接口均应符合开放系统有关标准。

2.2 控制权限

按照总的控制方式，船闸的控制分为三种：手动控制、现地自控与远方控制。手动控制方式下：只有在现地并通过配置在现场LCU控制柜上的手动装置，才能够进行船闸控制;现地自控方式下：只能在现地并通过配置在现场LCU控制柜的人机界面（触摸屏）进行船闸控制;远方控制方式下：又分为联调联试中心层和船闸现地中控室集中控制层两种方式选择。可通过在下位机设置权限等级，然后在人机界面进行权限选择进行船闸控制。

船闸控制权限在正常情况下的优先级是船闸现场LCU控制屏>船闸现地中控室集中控制层>联调联试中心层，紧急特殊情况除外。

系统在正常情况下，控制方式应该为现地自控模式，当控制方式为远方控制模式时，优先级应默认处于现地层。

对于SCADA控制站工程画面上，可设置“船闸现地中控室/联调联试中心”方式切换选项，当设置为“船闸中控室”时，操作人员可在现地船闸中控室的SCADA控制站上对设备进行控制;当设置为“联调联试中心”时，船闸设备由联调联试中心进行控制。对控制安全性的考虑，当网络正常时，联调联试中心与船闸现地中控室之间的权限关系是以船闸现地中控室为主的闭锁關系;当联调联试中心层与船闸现地中控室的网络中断，船闸现场控制站无法与联调联试中心建立连接时，权限控制模式会自动下发至船闸中控室，避免出现现地控制站无权限控制的情况。

为了保证控制的安全，分清各控制层的责任，同一时间只允许唯一的对象进行控制。所有的控制及控制权限切换均记录到日志中，以便日后的分析追踪。

2.3 数据流程

通过在联调联试中心通信接口服务器部署数据交换转换工具，实现工业库与关系库的转发，进而实现和业务内网应用系统数据交换。

系统的数据流程分“监测数据流程和控制流程”两类，监测数据流程是自下而上，控制流程为自上而下。

现场监测数据上传流向有以下两种情况：

（1）现场监测数据汇集到PLC，通过PLC将数据上传到现地上位控制系统及联调联试中心控制系统，绝大部分监测数据通过此方式上传。

（2）现场监测数据直接上传到现地上位控制系统，不经过PLC，此类数据往往只是采集，不涉及到控制，不是关键数据，故此类数据也不上传至联调联试中心。

监测信息主要包括闸室内外水位、闸门的开度、闸门以及液压泵站的相关工况信息等。监测信息的传输是自船闸现地控制站至联调联试中心。

控制信息主要包括控制指令、权限控制信息、配置信息、请求信息等。现地站的控制权最高，通过自控系统下发控制指令至现地站进行执行。

（1）监测数据流

①现场监测数据汇集到PLC，通过PLC将数据上传到现地站的上位控制系统及联调联试中心控制系统。

②联调联试中心的实时数据来源于现地站PLC。联调联试中心的历史数据从联调联试中心控制系统实时数据库及船闸现地站数据库获取数据，历史数据包含了现地站和联调联试中心的统计分析等数据，不在实时范畴内的数据。

（2）控制流

①控制指令指的是控制专网内的控制指令，通过联调联试中心组态平台实现;

②联调联试中心具有系统最高的权限，控制指令下直接下发到现地PLC。

由于联调联试中心和船闸现地中控室这两级的自控系统均对现场设备有直接控制权，为了避免重复控制，调度中心设置统一的用户与权限管理平台，对联调联试中心和船闸中控室的所有用户和权限进行统一控制和管理，确保同一时间只有一个层级对现地站PLC进行控制。

2.4 数据量测算

根据以往船闸工程经验，每个船闸的变量点按1000点计算，本项目共计4个单线船闸、3个双线船闸和远期可能规划的复线船闸（4个船闸），共计14000个变量点。故要求联调联试中心组态软件变量点不少于14000点。

根据组态软件的版本特性，本次联调联试中心组态软件平台采用60000点版本;实时历史数据库软件采用15000点版本。

2.5 数据存储

（1）存储机制

所有的历史数据通过系统的实时历史数据库进行同步储存。根据架构设计，各个船闸现地站存储本船闸的数据;联调联试中心存储所有船闸的数据。

为保证数据的存储的空间和数据的高效存储，历史数据应该通过压缩算法进行存储，根据不同的数据特性，通过设置不同的数据精度，采集频率等方式进行压缩存储。历史数据库调用数据可以直接显示均值、极大极小值、实时、快照等方式展现。

（2）数据存储

根据应用需求，船闸群集中控制系统将在主联调联试中心配置控制数据库（现地站控制数据库已在各个船闸工程中配置）。

联调联试中心控制数据库用于存储全系统所有控制站点的历史数据，现地站控制数据库存储该现地站的所有控制站点的历史数据。通信中断时，控制站点站控PLC可存储本站1天内重要（闸阀门启闭等）数据，在通讯恢复后上传。

为了保证数据的唯一性，采用单一数据源方式。正常情况下，由现地控制站进行数据通信，采集的数据存储到现地站的控制数据库，然后联调联试中心控制数据库与现地站控制数据库进行数据同步。

为了保证数据的完整性，当现地层控制数据库的数据变化后，联调联试中心控制数据库将同步进行相应变化;当某个数据库服务器因为某些原因（如服务器故障、重新配置数据库等）停止运行而缺失部分数据，在恢复运行时，自动从数据最全、权限高的数据库服务器上将缺失的数据补回来。当联调联试中心失去与现地控制站的数据通信，PLC可存储本站当天重要数据（闸门动作信息），在通信恢复后，可以通过网络或人工方式，将联调联试中心控制数据库中缺失的数据从控制站点现地补回来。

2.6 软件部署

软件部署仅包含联调联试中心部分，现地站部分已在各个船闸工程中配置。

3 系统功能设计

3.1实时数据采集功能

系统支持广泛的通讯协议，对现场数据或者第三方系统的数据可实现实时采集并展示。对于数据的实时性，体现在如下特点：秒级数据刷新;可主动上报，逢变则报;可自定义刷新频率;全数据扫描;可按重要性级别，手动设置不同等级数据的刷新频率。

3.2工艺流程动态显示功能

系统可实现7个船闸枢纽现场工艺流程图的实时动态显示功能和随意切换查看。体现液压泵站的机组运行及报警状态;闸门的状态变化;阀门的状态变化;上下游和闸室的水位测量;变电所电力实时数据的动态显示及报警;红绿信号灯的状态显示;室外照明状态显示;船闸现地温、湿、尘等环境数据监视;水工安全观测系统实时数据显示与报警;闸门在线监测系统的实时数据显示与报警;消防设备监视及事件报警等。

3.3远程控制指令执行功能

在操作权限允许和安全严格的授权机制的前提下，系统可实现7个船闸枢纽现场的设备对来自联调联试中心的远程控制指令的执行，并能随意切换。实现液压泵站的机组远程启停;闸门启闭机的远程开启与关闭;阀门启闭机的远程开启与关闭;变电所开关柜断路器的远程合分闸（确保安全的前提下）;红绿信号灯的远程控制;室外照明的远程开启与关闭;设备的远程巡检等。

3.4历史数据归档功能

控制系统提供功能全面的趋势历史和事件历史数据的归档功能，具体如下：提供方便快捷的配置方式，可对任意点根据存储周期，精度，偏移等参数进行设置，对任意事件或报警可根据自定义触发条件进行存储归档。使用压缩算法，在实时数据库中对数据进行压缩归档，使存储容量大大的减少;

每日自动生成日志文件;历史数据的容量仅与硬盘容量有关;查询时提供统计功能及快速过滤功能;运行时进行负载均衡。

3.5数据展示曲线及工作点动态显示功能

历史功能包括历史数据曲线展示查询和工作点动态显示。每幅曲线图可定义多条曲线，可人工定义查询时间。历史功能不仅能查询原始值，还内嵌对查询数据的快照值，平均值，极值，积分，微分等计算功能。历史曲线功能用于对实时数据历史变化进行查询和分析，并可以列表的方式导出成Excel等文件格式。

历史数据可在多台服务器上进行冗余备份，当系统中有多台历史服务器时，任一台故障后，系统能自动记录该服务器故障的时间点和缺失的历史数据量;在该服务器恢复正常运行时，系统可自动从其他历史服务器中将该时段缺失的历史数据回补到服务器中，从而保证了历史数据在所有历史服务器中的完整性和同步性。

3.6报警管理功能

报警系统用于实时显示当前报警，也可以用来查看报警记录。当一个新的报警产生时，报警条目将以预定义颜色的闪烁，并伴有音响或语音。报警可定义为若干级，如异常报警，事故报警等，高级别报警应优先显示，常规报警可由人工确认后延迟处理。

可自定义报警级别，根据不同级别定义报警的颜色和报警的声音，支持多工作站的多用户对报警进行确认。

报警可对具有共同属性的点如故障，液压泵站压力等进行统一定义，引用该属性的点将继承统一定义的报警属性;也支持对单点报警属性进行定义。报警可支持在线设置报警上下限、报警级别及报警确认权限;可設定报警的死区和延时，在信号不稳的情形下，滤波滞后处理以防止产生不必要的报警;对报警自动分类汇总。

3.7事件管理功能

事件管理功能，记录管理高级自定义事件、系统事件、操作事件。事件过滤功能可按用户、分类、类型、地区、位置、产生者、状态、优先级过滤数据，并且支持自定义搜索功能。事件数据可在多台服务器上进行冗余备份，其冗余备份和故障恢复功能与历史数据功能一致。

3.8操作权限设定功能

系统提供全面的权限管理功能，通过设置不同的用户权限防止越权操作保护系统的安全。系统的登录、登出、设备的控制操作都需要特定的授权才能进行相关操作。

提供完善的遥控权限的切换管理，系统自动完成所有控制操作的记录，便于追溯。

认证是确认是否其所声明的用户的过程。系统访问认证方式应支持采用口令和IP地址双重认证。不在授权范围的IP地址即便口令正确也无法访问。

3.9系统诊断功能

支持系统运行状态控制和诊断功能，可跟踪和定位系统设备和网络运行状态或异常，可控制每个服务器和工作站计算机的联网状态，CPU负荷，内存占用情况。

软件提供丰富的水运水利行业专业图库、支持动画编辑和在组态，在极大丰富画面展示效果的同时降低工程组态开发工作量和耗时。

3.10一机双显功能

本项目近期有10个船闸需要集中控制，在联调联试中心部署6台操作员工作站，为每台工作站配置2台显示器，在软件开发过程中定制一机双显功能，即每台操作员工作站都可以显示两个组态画面，5台电脑显示10个船闸的控制画面，另外一台电脑显示航运总览界面及报表界面。一机双显功能大大减少了操作员工作站及操作人员的数量配置。

3.11视频联动功能

在联调联试中心对现地的船闸进行远程集中操作，操作结果虽然可通过组态软件界面上的状态显示进行判断，但是操作人员经常对其反馈的操作结果存疑。本次软件定制了视频联动功能，当操作人员操作组态软件对船闸进行开关闸门或输水阀门时，组态软件上自动弹出被操作闸门或输水阀门的视频监视实时画面。以方便船闸操作人员在进行操作时实时、方便地查看现场的视频图像，增加船闸运行的安全性。

3.12广播联动功能

在船舶进出闸或者闸室充水时，都会对船闸进行区域广播，以提示船舶进出闸或注意安全。本次软件定制了广播联动功能，通过对网络广播系统的二次开发，实现与其直接的数据通信，在操作人员操作船闸上下行的过程中，当满足船舶进出闸条件或闸室正在充水时，将自动触发语音广播，提示船舶进出闸或注意安全。

4 系统安全设计

系统安全设计的目标是保证系统运行的安全，并在系统遇到故障时（包括硬件损坏和软件系统崩溃等），能够有效的避免信息丢失和破坏，并尽快恢复系统的正常运行。系统安全对于自动控制系统的日常运行非常重要，是安全供水的基本保障。

（1）系统安全

自动控制系统通过验证用户权限，有效控制非法访问和操作。

（2）数据安全

只有具有权限的用户才可以看到私密信息;传输、存储信息或数据的过程中，确保信息或数据不被未授权的篡改或在篡改后能够被迅速发现。系统运行于控制内网，保证数据传输安全。

（3）网络安全

自动控制系统运行在控制专网，确保网络及数据安全。

保密性：信息不泄露给非授权用户、实体或过程，或供其利用的特性。

完整性：数据未经授权不能进行改变的特性。即信息在存储或传输过程中保持不被修改、不被破坏和丢失的特性。

可用性：可被授权实体访问并按需求使用的特性。即当需要时能否存取所需的信息。例如网络环境下拒绝服务、破坏网络和有关系统的正常运行等都属于对可用性的攻击;

可控性：对信息的传播及内容具有控制能力。

可审查性：出现的安全问题时提供依据与手段。

（4）其他

支持与多种国产CPU、操作系统、PLC设备联合使用，具有自主研发、安全可控、稳定可靠等特性，致力于保障国家公共安全和工业及信息化安全;

支持Window、Linux、Mac、Android、ios系统上访问;

支持C/S、B/S、APP多种访问途径;

支持分辨率自适应。

5 结语

本文通过引入新的技术手段设计船闸群集中远程控制系统，实现对下属7座枢纽船闸集中控制及统一运行调度，实现远程集控、统一报到、统一收费、统一调度、统一信息发布，提升船闸运行和管理的智能化、精细化水平，为引江济淮“数字引江、智慧船闸”打造一套行业内无成熟应用先例的“无人值班、少人值守”的集中管控一体化模式，实现系统与船闸的运营、运维、服务的深度融合，满足多船闸远程集控、统一调度、安全运行、高效管理的需求，達到工程调控统一可靠、安全防护及时可控、工程运管精细高效、信息服务便捷畅通，从而进一步提升船闸的运行效能，为后续全省航道船闸智能化建设探索经验。

参考文献：

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[3]王荣;PID调节在黄埔涌闸门控制中的应用[J];人民珠江;2009年03期。

[4]韦伟;闸门同步控制技术在邵伯船闸中的应用[J];交通科技;2012年06期。

[5]曹方伟;船闸人字闸门同步变速运行控制[J];中国水运;2011年09期。

作者简介：

查道正，（1987-），男（汉族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察设计院有限公司高级工程师，研究生，水运工程电气设计，230011。

尹国梁，（1996-），男（汉族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察设计院有限公司助理工程师，本科，水运工程电气设计，230011。

石涛涛，（1995-），男（汉族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察设计院有限公司助理工程师，本科，水运工程电气设计，230011。