郭國鋒 權(quán)風(fēng)光 王永生

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)等的迅猛發(fā)展，對水利信息的監(jiān)控和管理方式逐漸由單一的現(xiàn)場、集中控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降?、多技術(shù)結(jié)合的現(xiàn)代化綜合性調(diào)度系統(tǒng)。本文就水利調(diào)度系統(tǒng)中的自動化控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對這種硬件構(gòu)成方式的性能特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，重點(diǎn)就調(diào)度系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了闡述和研究，最后就整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了簡要討論。

【關(guān) 鍵 詞】水利調(diào)度系統(tǒng)；自動化；控制系統(tǒng)；功能

【中圖分類號】TL503.6【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0241-01

推動水利工程向信息化、自動化方向發(fā)展是我國現(xiàn)代水利的發(fā)展要求。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及多種軟硬件控制技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)對水利相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)控，進(jìn)而完成整個水利調(diào)度系統(tǒng)的自動化控制。

1 自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)分析

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為滿足多功能、多位置、全天候自動控制要求，應(yīng)用于水利調(diào)度系統(tǒng)中的自動化控制系統(tǒng)通常由一個監(jiān)控中心配合多個終端站通過B/S的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)。其中，監(jiān)控中心配備運(yùn)算能力較強(qiáng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)通信設(shè)備；終端站可以配備以PLC為核心或者單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時配合使用多種傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備等實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，應(yīng)該在監(jiān)控中心中配置UPS電源，在終端站配置蓄電池。系統(tǒng)可完成的功能有：（1）數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行，該部分功能由布置于水利調(diào)度系統(tǒng)終端的傳感器與執(zhí)行設(shè)備完成；（2）數(shù)據(jù)傳輸，該部分功能由各通信設(shè)備完成；（3）數(shù)據(jù)處理，該部分功能由監(jiān)控中心的軟硬件設(shè)備協(xié)作完成。

1.2 系統(tǒng)性能特點(diǎn)

水利調(diào)度系統(tǒng)通常由多個遠(yuǎn)端監(jiān)測點(diǎn)組成一個網(wǎng)絡(luò)平臺，利用監(jiān)控中心對平臺各終端進(jìn)行信息采集、數(shù)據(jù)處理以及決策制定。整個系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)等幾部分子系統(tǒng)，其特點(diǎn)如下：

（1） 擴(kuò)展性能好。由于使用B/S三層結(jié)構(gòu)分布式架構(gòu)，系統(tǒng)若需要進(jìn)行擴(kuò)容只需要通過相應(yīng)的擴(kuò)容端口進(jìn)行新接入設(shè)備部署即可，不需要進(jìn)行大范圍的系統(tǒng)調(diào)整。

（2） 實(shí)用性強(qiáng)。該系統(tǒng)的操作終端可以通過WEB瀏覽器等實(shí)現(xiàn)，方便管理人員不在監(jiān)控中心時，通過遠(yuǎn)程訪問的方式登錄管理系統(tǒng)，根據(jù)權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定和功能使用。

（3） 可管理性好。整個自動控制系統(tǒng)提供了完善的用戶管理、系統(tǒng)配置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、歷史記錄等功能，利用這些功能可以簡化作業(yè)流程，明確管理權(quán)限，為系統(tǒng)制定合理的運(yùn)行策略，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時歷史記錄等功能還可以對控制系統(tǒng)的每個操作進(jìn)行記錄，便于后期檢索和系統(tǒng)修正，為警報(bào)或故障原因的查找提供數(shù)據(jù)支持。

（4） 數(shù)據(jù)精度高。由于采用了多種傳感器設(shè)備對模擬量進(jìn)行信息采集，故本自動控制系統(tǒng)可以將模擬信息轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信息，便于數(shù)據(jù)處理和分析。

2 各子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 水利調(diào)度中心

應(yīng)用自動控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水利調(diào)度中心的無人值守。具體實(shí)現(xiàn)方式為，在自動控制系統(tǒng)中對水費(fèi)計(jì)收系統(tǒng)、水利信息采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫備份系統(tǒng)等不同系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時制定相應(yīng)的執(zhí)行策略，只有滿足條件時，系統(tǒng)才會啟動運(yùn)行。通過上述操作可以對水資源使用用戶進(jìn)行水費(fèi)計(jì)收；對水資源調(diào)度過程中的水位、流量、渠道污泥厚度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并監(jiān)測數(shù)據(jù)修正系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如放水水量等；對閘門進(jìn)行實(shí)時控制，只有滿足開啟條件時才能夠開閘放水，當(dāng)放水完畢后可以自動關(guān)閉閘門；對整個水利調(diào)度過程中的重點(diǎn)位置添加視頻監(jiān)控，確保水利調(diào)度的準(zhǔn)確性和可靠性；對系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以備后期檢索和總結(jié)。

2.2 現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)

現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)主要安裝在各支、斗渠的閘房內(nèi)與啟閉機(jī)電器控制柜進(jìn)行連接，可以通過通信系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信獲取對閘門的控制指令，進(jìn)而對閘位信息、電量電壓信息、水位信息等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化操作。同時，為保證系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，可以在現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)中添加現(xiàn)場控制開關(guān)，便于特殊情況下進(jìn)行現(xiàn)場控制。

2.3 水利信息采集

自動控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)是對諸如水位、渠道流速等信息的實(shí)時采集和監(jiān)測。這些信息可以通過安置于水利調(diào)度環(huán)境中的傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置獲得。采集獲得的數(shù)據(jù)被傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行處理和運(yùn)算，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制閘門狀態(tài)、進(jìn)行水費(fèi)計(jì)收等。

需要說明的是，對水位信息的采集是通過水位傳感器完成的，該傳感器通常放置于測井中的測量筒中，但是需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)和校正；對于流速信息的采集是通過流速儀及其相關(guān)裝置完成的，測速裝置應(yīng)該選擇超聲波流速儀和超聲波污泥厚度儀，以消除復(fù)雜水質(zhì)和淤泥厚度對測量數(shù)據(jù)的影響。

2.4 視頻監(jiān)控

在執(zhí)行水利調(diào)度任務(wù)時要求對重點(diǎn)檢測位置進(jìn)行24小時不間斷監(jiān)控，此時需要應(yīng)用視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中的監(jiān)控相機(jī)可以對覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有活動和環(huán)境變化進(jìn)行圖像采集，然后通過通信系統(tǒng)傳遞回監(jiān)控中心，幫助監(jiān)控中心管理人員對實(shí)際情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而根據(jù)判斷結(jié)果制定操作策略。

2.5 數(shù)據(jù)通信

鑒于整個調(diào)度系統(tǒng)覆蓋區(qū)域廣泛，周邊環(huán)境復(fù)雜，故在實(shí)現(xiàn)終端與控制中心通信時需要根據(jù)實(shí)際情況具體制定。在水源區(qū)域，對其進(jìn)行的水利調(diào)度通過對閘門兩側(cè)的水位差進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的，故在該區(qū)域可以鋪設(shè)有限通信網(wǎng)絡(luò)，如光通信網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在灌溉區(qū)域通常自然環(huán)境較為惡劣，且不需要采集和顯示多種數(shù)據(jù)，在該區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)覆蓋可以通過無線通信技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。直接對無線通信模塊進(jìn)行通信設(shè)定即可完成數(shù)據(jù)的定時上傳和下載，基本可以滿足自動控制需求。

3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

各子功能和硬件設(shè)備的運(yùn)行離不開計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持。為增強(qiáng)水利調(diào)度系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時性和準(zhǔn)確性，可以應(yīng)用光纖通信信道組建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于快速以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，可利用多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將不同監(jiān)控地點(diǎn)和子監(jiān)控中心連接成一個星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是其高速光纖數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)使得圖像、影音、數(shù)據(jù)等信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率得到了大大提高。

整個網(wǎng)絡(luò)可以分為三個層級。第一層級為核心層，該層中包含了所有與調(diào)度中心核心交換機(jī)連接的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個水利調(diào)度系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)運(yùn)營和數(shù)據(jù)管理。第二層為匯接層，該層中主要包含了具體的被控制和檢測的對象，如閘門、水位計(jì)、PLC控制電路等，且每對象均具有獨(dú)立的通信地址，便于指令和信息的發(fā)送與接收。第三層為外接層，該層主要通過公共接口或者開放接口與其他相關(guān)單位或企業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對接，便于實(shí)現(xiàn)信息共享，提升信息的利用效率。

總之在水利調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)是今后水利工程的必然發(fā)展方向。自動控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)構(gòu)建了一個完整的，可實(shí)時通信和信息共享的操作平臺，利用該平臺可以改善工作人員的工作環(huán)境，滿足水利調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)實(shí)時監(jiān)控需求，為整個水利調(diào)度過程的自動化、智能化創(chuàng)造了有利條件，提升了整個系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性以及精確性，具有非常實(shí)際的應(yīng)用意義。

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