信息化系統(tǒng)在廣饒縣農(nóng)村供水設計中的應用

趙紅燕，劉同輝，楊國永

（廣饒縣水利局，山東 廣饒 257300）

1 系統(tǒng)的總體設計目標

稻莊鎮(zhèn)位于廣饒縣中部，轄51個村，現(xiàn)狀農(nóng)村集中供水工程設計總人口5萬人，全鎮(zhèn)一網(wǎng)，以4眼直供深井為水源，供水能力為5000m3/d,4眼水源井分散布置，除1眼位于供水管理中心外，其他3眼位于離供水管理中心1km到3km不等的距離上。在實施信息化工程之前，供水中心外的3眼水源井，各雇傭1名工作人員，長期值班。需控制水源井水泵時，由供水中心電話通知現(xiàn)場工作人員進行操作。這種供水方式存在以下幾點不利：一是長期雇傭3名工作人員，造成供水成本較高；二是工作效率低、反應速度慢；三是各水源井不能實時調整水泵運行狀態(tài)，造成電量浪費；四是水泵的運行狀態(tài)、電量、壓力等參數(shù)不能長期記錄，難以形成歷史資料；五是不能對事故前期征兆進行分析與預防；六是人員工作量大，任務繁重，容易造成疲勞，人為操作錯誤。

為解決上述問題，廣饒縣按著先進性與經(jīng)濟性相兼顧、典型性與實用性相結合的原則，確定稻莊鎮(zhèn)供水信息化系統(tǒng)的設計總體目標為：

（1）實現(xiàn)集中遠程測控，達到節(jié)省人力，降低供水成本的目的。水源井達到長期無人值守狀態(tài)，操作人只需要在供水中心主控室就能對全鎮(zhèn)4眼水源井實現(xiàn)遙控，完成各種電參數(shù)、供水參數(shù)、設備狀態(tài)參數(shù)及現(xiàn)場視頻圖像的采集及分析。

（2）系統(tǒng)有適度的自適應性及安全穩(wěn)定性。廣饒縣一年中氣溫變化劇烈，極端最高氣溫達41.3℃，極端最低氣溫-23.3℃，此外供水量隨著季節(jié)和晝夜有很大變化，控制系統(tǒng)須適應環(huán)境和供水量的變化，穩(wěn)定運行。且系統(tǒng)在安裝后保留手動操作功能，當信息化系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時，可以轉為手動操作，不影響供水。

（3）系統(tǒng)有良好的可擴展性。系統(tǒng)須采用具有一定標準及應用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，在軟硬件的設置上預留I/O接口。為將來的擴建及系統(tǒng)的變更打下基礎。

（4）系統(tǒng)建設實現(xiàn)集成化、模塊化。要充分考慮集成化的設計，降低建設成本，視頻信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號要在一套系統(tǒng)中進行傳輸、存儲、處理。系統(tǒng)組件要發(fā)揮模塊化優(yōu)勢，經(jīng)濟實用，設計周期短。

2 信息化系統(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)層次劃分

系統(tǒng)在結構上分為1個調度中心和4個遙測站，調度中心設在供水管理中心，遙測站設在4眼水源井處，各遙測站對所控制水源井的有關參數(shù)進行測量、數(shù)字化采集并自動記錄，上傳至調度中心，控制中心發(fā)送指令對遙測站的水泵、視頻攝像機等設備進行控制。系統(tǒng)的物理結構可分為三層：第一層為現(xiàn)場信息傳感設備，由超聲波流量計、壓力計、深井液位計、智能電表、攝像頭、紅外報警器等測量儀表構成；第二層為現(xiàn)場測控單元（RTU），由分布在水源井的PLC和數(shù)據(jù)通信服務器、視頻服務器及其附屬設備構成，其作用是對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行初期處理；第三層為數(shù)據(jù)管理單元，由調度中心內的數(shù)據(jù)采集存儲服務器及其附屬設備構成，其作用是對RTU傳來的數(shù)據(jù)進行分析與存儲，并對RTU發(fā)送控制指令。

2.2 RTU主要設備的配置

信息化系統(tǒng)各種采集數(shù)據(jù)的傳感器，起著接受信息、傳遞信息的作用，它們的靈敏性、安全性、穩(wěn)定性、可靠性是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎。本系統(tǒng)中主要的RTU數(shù)據(jù)采集設備有：壓力傳感器、超聲波流量計、電量采集模塊、深井液位計、一體化攝像機、紅外報警器；數(shù)據(jù)傳送設備有協(xié)議轉換模塊、交換機、無線網(wǎng)橋、視頻服務器。

（1）壓力傳感器：采用麥克公司的 MPM489型壓阻式壓力變送器。

（2）超聲波流量計：采用YB-70-超聲波流量計。

（3）電量采集模塊：采用測量精度達到商業(yè)計費水平的三相電子式多功能電能表。

（4）深井液位計：采用 MPM489 0-60米量程壓阻式壓力變送器。

（5）一體化攝像機：采用?？低曇惑w化攝像機及云臺，分辨率不小于480線。

（6）紅外報警器：采用夜狼YELANG-007雙元紅外移動探頭。

（7）協(xié)議轉換模塊：根據(jù)系統(tǒng)設備要求配備，RS232轉RS485模塊，TCP/IP協(xié)議轉換模塊，網(wǎng)口轉串口轉換服務器。

（8）交換機：采用工用級華為LS 8口交換機。

（9）無線網(wǎng)橋：采用藍斯特HYW-2410T無線網(wǎng)橋，傳輸速率54Mbps。

（10）視頻服務器：采用海康威視高清視頻服務器，帶有RS485/RS232串口。

2.3 通訊方式的選擇

在遠程信息化系統(tǒng)中，通信的技術性能是全面衡量整個系統(tǒng)技術經(jīng)濟指標的重要內容。常用的通信方式有有線和無線兩種。目前無線傳輸方式根據(jù)離控制中心的距離、供電條件、傳輸數(shù)據(jù)的多少等，一般選擇FSK數(shù)傳電臺、GSM短消息模塊、中國移動GPRS通訊模塊、中國聯(lián)通CDMA通訊模塊、3G網(wǎng)絡及無線網(wǎng)橋構建以太局域網(wǎng)等方式。因FSK數(shù)傳電臺傳送速率小、GSM短信方式傳輸數(shù)據(jù)速率慢，不能滿足本系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及設備控制要求。通用分組無線服務技術GPRS（General Packet Radio Service)作為 GSM 移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務,以封包（Packet）方式來傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的多少來計算費用，實時在線，理論上較為便宜，且其傳輸速率可達到564kbps甚至114kbps。碼分多址通信技術CDMA(Code Division Multiple Access)，擁有和GPRS一樣的優(yōu)點實時在線，按數(shù)據(jù)流量收費，數(shù)據(jù)傳輸率可高達153kbps。雖然中國移動的GPRS和中國聯(lián)通的CDMA用于傳輸測控數(shù)據(jù)及控制指令綽綽有余，但本系統(tǒng)中除測控及指令數(shù)據(jù)外還有報警數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，傳輸速率最低要在50Mbit/s以上，GPRS和CDMA方式不能滿足帶寬需求，且這兩種方式需長期向通信服務商支付費用，還需要有固定IP以接入internet,其費用太高。3G網(wǎng)絡雖然滿足系統(tǒng)設計的各項要求，但是目前相關的3G設備種類較少、數(shù)據(jù)流量費較高，而且廣饒縣的3G網(wǎng)絡還不完善。鑒于上述種種原因，在本系統(tǒng)中，采用了無線網(wǎng)橋組建以太局域網(wǎng)，其傳輸帶寬大，抗干擾性強，一次投資后沒有二次費用，組網(wǎng)方便。

有線方式一般是用RS232數(shù)據(jù)線、RS485數(shù)據(jù)線、光纖等方式傳輸。RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標準，其通信距離短、速率低，不能進行多臺設備同時進行聯(lián)網(wǎng)管理。RS485接口在不加中繼器的情況下，雖理論上最大傳輸距離能達到1200m，但在300m以內通信效果最好。網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡。光纖的數(shù)據(jù)傳輸率能達幾千Mbps，傳輸范圍能達到6～8km，但使用光纖需增加光電轉換設備，距離太近會造成浪費，距離太遠布線會有困難。

綜合考慮上述情況，本設計中，供水中心處的1眼水源井，離控制中心距離小于50m，其RTU數(shù)據(jù)通過RS232～RS485轉換接口轉換后，采用RS485總線與控制中心組成以太網(wǎng)絡。其他3眼水源RTU,數(shù)據(jù)也是通過RS232～RS485轉換接口轉換后傳輸，由于離控制中心太遠，布線困難，數(shù)據(jù)量大，采用了無線網(wǎng)橋方式與供水中心控制中心連接。這樣4眼水源井就通過有線與無線方式與控制中心，組建成星形以太網(wǎng)絡。

2.4 控制軟件的開發(fā)

本系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，既有各種實時參數(shù)，報警信號、還有視頻數(shù)據(jù)?？刂栖浖_發(fā)方案有兩種，一是采用wincc組態(tài)軟件來控制各種實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及報警信號，用專用視頻軟件來控制視頻，這種方案，前期開發(fā)成本低，但系統(tǒng)維護困難，聯(lián)網(wǎng)擴展性差，可控性低。另一種是充分發(fā)揮Internet技術的優(yōu)勢，將瀏覽器技術運用于SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)，將瀏覽器界面作為供水調度自動化系統(tǒng)的人機界面，將實時數(shù)據(jù)與視頻集成在同一系統(tǒng)中，構成B/S（Browser/Server）架構，采用這個方案，軟件開發(fā)成本高，開發(fā)周期長，但是其聯(lián)網(wǎng)性能高，擴展容易，實時應用范圍廣，維護工作量小,且軟件開發(fā)后擁有自主知識產(chǎn)權，可無限次使用。

經(jīng)過綜合比較，本SCADA系統(tǒng)中，針對控制現(xiàn)場條件定制了B/S架構控制軟件。該軟件采用JAVA語言編寫，綜合了面向對象技術和Internet技術，將編譯和解釋有機結合，實現(xiàn)了面向對象的四大特性：封裝性、多態(tài)性、繼承性、動態(tài)聯(lián)編，并在多線程支持和安全性以及其它諸多特性上，有了很大的提高。軟件可以根據(jù)需要,建立多個用戶，并能對不同用戶進行權限分配，根據(jù)不同權限的用戶可進行的操作限制，從根本上杜絕了誤操作。

2.5 中控室布置及中央服務器配置

中控室是數(shù)據(jù)匯總分析，控制人員長期工作的場所。主要設備有數(shù)據(jù)服務器、UPS電源、無線發(fā)射接收機、視頻服務器、大屏幕液晶電視、監(jiān)控電腦、打印機、空調等設備。作為整個系統(tǒng)的心臟，監(jiān)控服務器起著至關重要的作用，其工作的穩(wěn)定性與性能直接影響整個系統(tǒng)運行。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器選用雙路至強四核塔式服務器DELL 1900，其 CPU采用Intel Xeon E5310頻率達1.6G二級緩存8192KB；采用擁有 ECC功能2G內存，雙端口千兆以太網(wǎng)控制器，RAID獨立冗余磁盤陣列320G硬盤，外加1T可移動硬盤。服務器上安裝windows server 2003操作系統(tǒng)，SQL server 2000數(shù)據(jù)庫軟件及自主開發(fā)的測控軟件。服務器運行后各種數(shù)據(jù)采集后集中存儲在服務器中，數(shù)據(jù)采用SQL格式，當客戶端查詢時，服務器通過網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)至客戶端，客戶端進行設備操作時，操作指令通過服務器后經(jīng)無線發(fā)射機或RS485總線傳RTU終端。服務器接入internet后，客戶端可以根據(jù)分配的權限在任何接入internet的地方，進行相應的數(shù)據(jù)查詢及對設備操作，為以后聯(lián)網(wǎng)擴展打好了基礎。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及主要特點

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

（1）可實時在線監(jiān)測各水源井的動水位、靜水位、各水源井出口處的瞬時流量、累積流量、管網(wǎng)壓力、水泵處的電壓、電流、電能、及電纜溫度等數(shù)據(jù)；當水位、電參數(shù)、電纜溫度發(fā)生超限變動時可以在中控室發(fā)出報警。

（2）遠程控制變頻啟、停水泵，水泵啟停時自動開閉自動閥門；在控制中心可以實時顯示水泵及自動閥門的工作狀態(tài)。

（3）通過遠程高清視頻系統(tǒng)，在中控室能夠實時監(jiān)控設備的運行情況及泵房的設施情況，并能實時錄像與回放；在泵房亮度不足時,控制現(xiàn)場燈光啟閉。泵房紅外微波探測器在有人擅自闖入機井房時可以自動報警，并在供水中心中控室發(fā)出報警聲音。

（4）系統(tǒng)軟件能夠自動記錄實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成各項數(shù)據(jù)歷史記錄，并能將監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制曲線，可以查詢任意時段的歷史數(shù)據(jù)；且軟件系統(tǒng)具備安全功能，可以實現(xiàn)權限分配，防止誤操作（見圖1）。

圖1

3.2 系統(tǒng)的主要特點

（1）實用性：系統(tǒng)有良好的可操作性，人機交互簡明直觀，視頻監(jiān)控與測控操作統(tǒng)一界面，功能實用，操作方便。

（2）先進性：采用的技術與各設備（包括元器件）符合該領域的技術發(fā)展主流，系統(tǒng)的整體效能先進。

（3）可擴展性：設計標準采用國家或行業(yè)標準,暫未有國標或行標的，采用了國際通用標準。系統(tǒng)在其生命周期內能夠與其主流技術相兼容?？筛鶕?jù)需要，擴展其功能。

（4）整體性：系統(tǒng)進行整體策劃，保證了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)指標的一致性和協(xié)調性。

（5）安全性：系統(tǒng)設置不同等級的安全防護措施。對于不同部門或人員的數(shù)據(jù)管理，設置不同的權限，以避免對數(shù)據(jù)的非法操作。

（6）可維護性：系統(tǒng)各部件具有自檢和聯(lián)機診斷校驗的能力，有完善的檢測維護手段，能準確快速地進行故障檢測和維護。

4 系統(tǒng)運行效益

系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了從中央控制室遠程測控全鎮(zhèn)的供水網(wǎng)絡，實時調控水泵的運行狀態(tài)。降低了供水生產(chǎn)運行、維護成本，降低工人的勞動強度、提高了生產(chǎn)效率。

（1）使分散的信息集中起來，給決策者提供實時的態(tài)勢全貌，從而優(yōu)化了資源管理。

（2）使操作人員從繁重的重復勞動中解脫出來，把精力轉為對系統(tǒng)進行評定、檢測和分析決策，從而減少了人為操作錯誤。

（3）準確和及時地報警，降低了供水事故發(fā)生概率，極大的提高了供水服務質量。

（4）減少了工作人員，降低了供水成本，減輕了群眾負擔。

（5）提升了供水現(xiàn)代化管理水平，提高了供水效益。

[1]唐新平，趙金.基于PC機的生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].計算機自動測量與控制，2000，（8）.

[2]徐宏偉.信息技術有供水工程中的應用[J].內蒙古水利，2009，（8）.

[3]吳企淵.計算機網(wǎng)絡[M].清華大學出版社，2001，（3）.