應用于水利調度系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)研究

郭國鋒 權風光 王永生

【摘 要】隨著計算機網(wǎng)絡、傳感器技術等的迅猛發(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、集中控制轉變?yōu)榉植际降?、多技術結合的現(xiàn)代化綜合性調度系統(tǒng)。本文就水利調度系統(tǒng)中的自動化控制系統(tǒng)的硬件組成結構進行了分析，對這種硬件構成方式的性能特點進行了總結和歸納，重點就調度系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)方式進行了闡述和研究，最后就整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了簡要討論。

【關 鍵 詞】水利調度系統(tǒng)；自動化；控制系統(tǒng)；功能

【中圖分類號】TL503.6【文獻標識碼】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。應用計算機技術、網(wǎng)絡通信技術以及多種軟硬件控制技術可以有效實現(xiàn)對水利相關信息進行實時監(jiān)測和調控，進而完成整個水利調度系統(tǒng)的自動化控制。

1 自動控制系統(tǒng)硬件結構及性能特點分析

1.1 系統(tǒng)硬件結構

為滿足多功能、多位置、全天候自動控制要求，應用于水利調度系統(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的架構方式實現(xiàn)。其中，監(jiān)控中心配備運算能力較強的工業(yè)計算機和相關數(shù)據(jù)通信設備；終端站可以配備以PLC為核心或者單片機為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時配合使用多種傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)通信設備等實現(xiàn)與上位機的通信。為保證系統(tǒng)運行可靠性和數(shù)據(jù)準確性，應該在監(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度系統(tǒng)終端的傳感器與執(zhí)行設備完成；（2）數(shù)據(jù)傳輸，該部分功能由各通信設備完成；（3）數(shù)據(jù)處理，該部分功能由監(jiān)控中心的軟硬件設備協(xié)作完成。

1.2 系統(tǒng)性能特點

水利調度系統(tǒng)通常由多個遠端監(jiān)測點組成一個網(wǎng)絡平臺，利用監(jiān)控中心對平臺各終端進行信息采集、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)，其特點如下：

（1） 擴展性能好。由于使用B/S三層結構分布式架構，系統(tǒng)若需要進行擴容只需要通過相應的擴容端口進行新接入設備部署即可，不需要進行大范圍的系統(tǒng)調整。

（2） 實用性強。該系統(tǒng)的操作終端可以通過WEB瀏覽器等實現(xiàn)，方便管理人員不在監(jiān)控中心時，通過遠程訪問的方式登錄管理系統(tǒng)，根據(jù)權限進行系統(tǒng)設定和功能使用。

（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，明確管理權限，為系統(tǒng)制定合理的運行策略，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時歷史記錄等功能還可以對控制系統(tǒng)的每個操作進行記錄，便于后期檢索和系統(tǒng)修正，為警報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備對模擬量進行信息采集，故本自動控制系統(tǒng)可以將模擬信息轉換為精確的數(shù)字信息，便于數(shù)據(jù)處理和分析。

2 各子系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 水利調度中心

應用自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)水利調度中心的無人值守。具體實現(xiàn)方式為，在自動控制系統(tǒng)中對水費計收系統(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)進行設定，同時制定相應的執(zhí)行策略，只有滿足條件時，系統(tǒng)才會啟動運行。通過上述操作可以對水資源使用用戶進行水費計收；對水資源調度過程中的水位、流量、渠道污泥厚度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，并監(jiān)測數(shù)據(jù)修正系統(tǒng)運行狀態(tài)，如放水水量等；對閘門進行實時控制，只有滿足開啟條件時才能夠開閘放水，當放水完畢后可以自動關閉閘門；對整個水利調度過程中的重點位置添加視頻監(jiān)控，確保水利調度的準確性和可靠性；對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行備份，以備后期檢索和總結。

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)與啟閉機電器控制柜進行連接，可以通過通信系統(tǒng)與上位機進行數(shù)據(jù)通信獲取對閘門的控制指令，進而對閘位信息、電量電壓信息、水位信息等進行控制，實現(xiàn)遠程自動化操作。同時，為保證系統(tǒng)的可靠性，增強系統(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，便于特殊情況下進行現(xiàn)場控制。

2.3 水利信息采集

自動控制系統(tǒng)運行的基礎是對諸如水位、渠道流速等信息的實時采集和監(jiān)測。這些信息可以通過安置于水利調度環(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)控中心進行處理和運算，系統(tǒng)根據(jù)運算結果控制閘門狀態(tài)、進行水費計收等。

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)實際情況進行零點調節(jié)和校正；對于流速信息的采集是通過流速儀及其相關裝置完成的，測速裝置應該選擇超聲波流速儀和超聲波污泥厚度儀，以消除復雜水質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)行水利調度任務時要求對重點檢測位置進行24小時不間斷監(jiān)控，此時需要應用視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中的監(jiān)控相機可以對覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有活動和環(huán)境變化進行圖像采集，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際情況進行判斷，進而根據(jù)判斷結果制定操作策略。

2.5 數(shù)據(jù)通信

鑒于整個調度系統(tǒng)覆蓋區(qū)域廣泛，周邊環(huán)境復雜，故在實現(xiàn)終端與控制中心通信時需要根據(jù)實際情況具體制定。在水源區(qū)域，對其進行的水利調度通過對閘門兩側的水位差進行控制實現(xiàn)的，故在該區(qū)域可以鋪設有限通信網(wǎng)絡，如光通信網(wǎng)絡等進行數(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)域進行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)覆蓋可以通過無線通信技術的方式實現(xiàn)。直接對無線通信模塊進行通信設定即可完成數(shù)據(jù)的定時上傳和下載，基本可以滿足自動控制需求。

3 計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

各子功能和硬件設備的運行離不開計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的支持。為增強水利調度系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性和準確性，可以應用光纖通信信道組建計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于快速以太網(wǎng)技術構建，可利用多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將不同監(jiān)控地點和子監(jiān)控中心連接成一個星狀拓撲結構，特別是其高速光纖數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡使得圖像、影音、數(shù)據(jù)等信息在網(wǎng)絡中的傳輸效率得到了大大提高。

整個網(wǎng)絡可以分為三個層級。第一層級為核心層，該層中包含了所有與調度中心核心交換機連接的節(jié)點，負責整個水利調度系統(tǒng)的核心業(yè)務運營和數(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、PLC控制電路等，且每對象均具有獨立的通信地址，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單位或企業(yè)進行網(wǎng)絡對接，便于實現(xiàn)信息共享，提升信息的利用效率。

總之在水利調度系統(tǒng)中應用自動化控制系統(tǒng)是今后水利工程的必然發(fā)展方向。自動控制系統(tǒng)利用計算機技術和現(xiàn)代通信技術構建了一個完整的，可實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，滿足水利調度系統(tǒng)運行中的參數(shù)實時監(jiān)控需求，為整個水利調度過程的自動化、智能化創(chuàng)造了有利條件，提升了整個系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性以及精確性，具有非常實際的應用意義。

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