大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄧小剛，張巧惠，陶海濤，劉小恒

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄧小剛，張巧惠，陶海濤，劉小恒

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

本文結(jié)合具體工程使用案例，對大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)進行了關(guān)鍵技術(shù)的研究。首先簡要地介紹了灌區(qū)自動化控制基本情況、具體工程案例的項目背景及自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；然后分別對大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、控制安全、輪灌技術(shù)、無線網(wǎng)橋傳輸、無線數(shù)傳技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)及難點進行了詳細闡述，并給出了具體工程案例。系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)在工程中取得了成功應用。

大中型灌區(qū)；自動化控制系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

我國大型灌區(qū)有 434個（2萬hm2以上），中型灌區(qū)有5500多個，重點灌區(qū)有 1500個。灌區(qū)的自動化控制是提高工程安全運行保證的關(guān)鍵措施，是提高科學管理水平、提高水的利用效率的重要途徑。目前我國部分灌區(qū)已基本實現(xiàn)閥門狀態(tài)、流量和壓力等數(shù)據(jù)的自動采集和監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T，但灌區(qū)自動控制技術(shù)研究與應用起步較晚，遠程自動監(jiān)測和控制方面的經(jīng)驗也非常少，相關(guān)文獻資料也較少。

隨著PLC、無線技術(shù)應用在控制領(lǐng)域中越來越成熟，有關(guān)學者在灌區(qū)自動化控制領(lǐng)域做了大量的研究和試驗，利用有線、無線網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊，達到實現(xiàn)灌區(qū)的遠程監(jiān)視和控制目的。

本文以新疆蘇塘灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究為例，通過在蘇塘灌區(qū)的成功投運，驗證新技術(shù)應用于大中型灌區(qū)的可行性、先進性、可靠性和適用性。該灌區(qū)的灌溉面積為1.2萬hm2，種植農(nóng)作物以林果業(yè)為主，輸配水工程主要由引水干渠、沉砂池、骨干管網(wǎng)和田間管網(wǎng)組成，自動化控制系統(tǒng)共監(jiān)控35處骨干管網(wǎng)、327個田間系統(tǒng)和96個田間微灌試驗系統(tǒng)。

1 設(shè)計原則

大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)目前按現(xiàn)地閘站、閥門等設(shè)備“無人值班”（少人值守）的原則進行總體設(shè)計和配置，在中央控制室實現(xiàn)對所有輸配水自動化設(shè)備的遠方集中控制，以及對輸配水管網(wǎng)閥門狀態(tài)、流量、壓力等信息的遠程集中監(jiān)測。通過在控制中心對整個灌區(qū)的遠方遙控、遙調(diào)、遙信和遙測，實現(xiàn)灌區(qū)水利工程設(shè)施的統(tǒng)一自動控制和監(jiān)測，加強對水資源的統(tǒng)一調(diào)度和科學利用。

大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)整體必須安全可靠、經(jīng)濟實用、技術(shù)先進，易于維護和易于擴充。

具體設(shè)計原則如下：（1）系統(tǒng)的可靠性。為達到“無人值班”（少人值守），灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)應具有極高的可靠性，應采用成熟而可靠的、標準化的硬件、軟件、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和漢化操作系統(tǒng)；（2）系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)設(shè)備采用標準化的高性能產(chǎn)品，監(jiān)控軟件功能完善并模塊化，系統(tǒng)軟件采用成熟正版軟件，應具有完備的確保硬件及軟件的安全性措施，防止灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)硬件或軟件的故障或缺陷對現(xiàn)場設(shè)備的危害。針對灌區(qū)遠方集中監(jiān)控的特點，在保證操作安全、數(shù)據(jù)安全、控制閉鎖和通訊安全方面也應采用相應的可靠性措施；自動化控制系統(tǒng)應運行在控制專網(wǎng)上，與其他系統(tǒng)之間有網(wǎng)絡方式互聯(lián)時，均應采取經(jīng)國家有關(guān)部門認證的專用、可靠的安全隔離設(shè)施，保證網(wǎng)絡的安全性；（3）系統(tǒng)的開放性與可擴性。系統(tǒng)主要硬件設(shè)備選型符合計算機技術(shù)發(fā)展迅速的特點，采用全分布開放式系統(tǒng)，具有良好的開放性與可擴性，并具有成功的系統(tǒng)軟硬件擴展和與第三方系統(tǒng)開放互聯(lián)的豐富經(jīng)驗，能在現(xiàn)場環(huán)境下長期連續(xù)穩(wěn)定運行；（4）系統(tǒng)的實時性、實用性及經(jīng)濟性。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集與控制為基礎(chǔ)，通過分布配置冗余的高性能實時監(jiān)控和通信服務，并合理優(yōu)化配置系統(tǒng)軟硬件及功能，以確保系統(tǒng)實時性與可靠性；在此基礎(chǔ)上，以實用、經(jīng)濟并適度超前為設(shè)計原則；（5）系統(tǒng)的友善性與可維護性。人機接口注重人性化設(shè)計，具有功能強，操作方便，面向?qū)ο蟮娜珴h化界面。并向用戶提供強有力的組態(tài)開發(fā)工具，方便進行系統(tǒng)集成、修改完善、升級、擴張和集中維護管理；（6）現(xiàn)地手動操作與控制。為滿足灌區(qū)運行維護的安全、可靠要求。現(xiàn)地灌區(qū)監(jiān)控控制單元應具有主要設(shè)備狀態(tài)現(xiàn)地顯示及必要的常規(guī)操作功能，使運行人員在現(xiàn)地能完成必要的運行和調(diào)試過程中的操作。

2 關(guān)鍵技術(shù)及特點

考慮到大中型灌區(qū)自動控制系統(tǒng)現(xiàn)地單元多、距離遠、節(jié)點分散和控制復雜等特點，從下列幾個方面進行考慮，確保自動控制系統(tǒng)安全高效運行。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分層分布式冗余開放結(jié)構(gòu)，不同的功能分布于各個層次，不同的數(shù)據(jù)流在各自的網(wǎng)絡中進行交換。大中型灌區(qū)可按照現(xiàn)地控制層、中央控制層和生產(chǎn)管理層3層設(shè)計。設(shè)置相應的網(wǎng)絡進行全灌區(qū)計算機主機與自動化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可分為現(xiàn)場總線網(wǎng)、控制網(wǎng)和管理網(wǎng)。確保自動控制系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點的故障不影響其余節(jié)點的正常工作，各類數(shù)據(jù)分流互不干擾，提高系統(tǒng)的實時性、安全性和可靠性。

各分層和網(wǎng)絡的具體分工如下：

（1）現(xiàn)地控制層。完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理和現(xiàn)場控制，可獨立手動完成相關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制；（2）中央控制層。完成灌區(qū)數(shù)據(jù)采集、處理、控制、應用和報警等運行監(jiān)視控制功能；（3）生產(chǎn)管理層。完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合計算、運行日志和報表等生產(chǎn)管理功能；（4）現(xiàn)場總線網(wǎng)。連接現(xiàn)地控制層和自動化設(shè)備，完成采集現(xiàn)地數(shù)據(jù)和控制自動化設(shè)備功能；（5）控制網(wǎng)。連接中央控制層和現(xiàn)地控制層，完成所有數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。由于灌區(qū)地廣，節(jié)點分散，可采用光纖網(wǎng)絡和無線網(wǎng)橋相結(jié)合的方式；（6）管理網(wǎng)。連接生產(chǎn)管理層和中央控制層，完成與生產(chǎn)有關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)、統(tǒng)計和打印等管理類數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)平臺軟件應建立在三層體系架構(gòu)上，可滿足系統(tǒng)強壯、安全、經(jīng)濟實用、易于維護和擴展的應用需求，完成統(tǒng)一的遠方集中數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)測報警、灌區(qū)控制、權(quán)限判別、數(shù)據(jù)存儲與查詢等。平臺軟件包括以下三大部分：（1）基本軟件。是實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)基本監(jiān)控功能所必須的軟件，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備操作控制、數(shù)據(jù)庫管理、圖形顯示、報表生成及語音報警等；（2）工具軟件。是提高系統(tǒng)開發(fā)效率與可維性、方便最終用戶使用的軟件，可以減輕軟件開發(fā)與維護強度，使系統(tǒng)真正地向用戶開放；（3）高級應用軟件。是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化操作或控制功能的軟件，應隨著應用系統(tǒng)特性的不同、功能要求的不同，采用相應的應用軟件。

自動控制系統(tǒng)平臺軟件應具有以下基本特點：（1）操作方便。目前各灌區(qū)技術(shù)力量普遍薄弱，需要操作簡單、面向?qū)ο蟮娜珴h化界面，便于運行人員操作及維護人員維護；（2）功能實用。從灌區(qū)實際出發(fā)，綜合考慮各種灌溉需求，使軟件滿足實用化要求；（3）安全灌溉。輸水管道一般為封閉式管道，容易產(chǎn)生水錘，自動灌溉過程中需要以安全為主，否則容易造成設(shè)備損壞，影響系統(tǒng)供水；（4）預留接口、接入方便。大中型灌區(qū)自動化系統(tǒng)通常按分期分批的方式實施，因此為了將其他田間系統(tǒng)方便地接入，軟件需預留接口，做到靈活配置。

2.3 系統(tǒng)配置考慮到灌區(qū)面積廣、現(xiàn)地控制單元多、結(jié)構(gòu)復雜及系統(tǒng)龐大和資金短缺等特點，既要確保系統(tǒng)的可靠性，又要兼顧經(jīng)濟實用，進行系統(tǒng)硬件配置。

對自動化控制系統(tǒng)的中央控制層重要設(shè)備采用冗余配置，如操作服務器、歷史數(shù)據(jù)服務器等，并通過軟硬件措施保證在設(shè)備故障時可實現(xiàn)無擾動切換，保障灌區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)運用先進可靠的網(wǎng)絡技術(shù)，構(gòu)建覆蓋各節(jié)點的通信平臺，保證各種信息的實時、高效、安全和準確傳遞，各種業(yè)務實現(xiàn)全網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，為全網(wǎng)各節(jié)點提供語音、數(shù)據(jù)、圖像通信業(yè)務。對整個網(wǎng)絡可采用光纖通信與無線通信相結(jié)合的方式，更好地處理網(wǎng)絡安全與投資的關(guān)系。主干網(wǎng)絡一般可采用星型網(wǎng)絡或環(huán)形網(wǎng)絡的光纖傳輸信號，有著高速、穩(wěn)定和可靠等特點；考慮到子系統(tǒng)分布比較分散，敷設(shè)有線成本高、不方便，子系統(tǒng)一般采用無線網(wǎng)橋傳輸信號。

大中型灌區(qū)的現(xiàn)地控制層LCU數(shù)量多，I/O點數(shù)并不多，因此對現(xiàn)地控制層LCU的配置重點在于配置的PLC應具有高性價比、高可用性、小型化、低功耗、可靠性高、集成度高、開發(fā)簡單、快速啟動和精確監(jiān)控等特點。

2.4 控制安全若大中型灌區(qū)的輸水管道采用的是封閉式管道，開、關(guān)管道閥門過快容易引起水錘，故其安全運行對整個灌區(qū)設(shè)備是至關(guān)重要的。系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)時，必須從硬件和軟件兩個方面考慮，以保障灌區(qū)安全運行。

灌區(qū)自動控制系統(tǒng)還應考慮以下兩點：（1）分段控制閥門。采用分段開啟關(guān)閉閥門原理，開啟閥門是先慢開后快開，關(guān)閉閥門是先慢關(guān)后快關(guān)，注意每段開啟關(guān)閉的開度，以及每段間隔的時間；（2）分時控制閥門。對一片區(qū)域的小口徑閥門同時開啟關(guān)閉，容易導致水錘。在開啟關(guān)閉一片區(qū)域的閥門時，采用分時控制閥門，避免引起水錘破壞力。

2.5 輪灌技術(shù)為了科學合理地調(diào)配全灌區(qū)用水，提高水的利用率，降低成本，確保設(shè)備的安全，實現(xiàn)對農(nóng)作物定時、定量的精準灌溉，自動控制系統(tǒng)采用灌區(qū)輪灌技術(shù)。

其基本功能如下：（1）功能的投入/退出。當功能投入時，自動灌溉程序按設(shè)定的周期，自動計算，對參與輪灌的閥門下達開啟、關(guān)閉命令；（2）控制方式的選擇。定時與定量兩種控制方式的選擇；（3）多種控制模式?？刂颇Ｊ椒譃樽詣?、半自動以及手動共3種控制模式。自動方式下，整個灌區(qū)的閥門開啟關(guān)閉，按照運行人員事先設(shè)置好的控制方式，進行定時或者定量的精準灌溉；（4）微灌系統(tǒng)輪灌成組的實現(xiàn)。運行人員可以按照田間微灌系統(tǒng)灌溉的特點，隨意的組合閥門，使閥門定時或者定量的成組開啟或者關(guān)閉。任意一組閥門通過“參與輪灌”“退出輪灌”可自由退出整個輪灌的規(guī)則設(shè)定；（5）時間模塊。運行人員可以非常方便地對定義的時間點進行設(shè)定。自由設(shè)置任意一個閥門來進行定時的開啟和關(guān)閉；（6）輪灌次數(shù)的設(shè)定。設(shè)定一定的輪灌規(guī)則后，輪灌軟件按照預先設(shè)定好的規(guī)則進行閥門開啟或關(guān)閉，軟件自動記錄輪灌的次數(shù)，當輪灌次數(shù)自動達到預先設(shè)定好的次數(shù)時，相應的輪灌組停止控制；（7）閥門開啟周期的設(shè)定。成組閥門通過設(shè)定周期來進行周期開啟關(guān)閉輪灌組單個閥門，有效避免了同一時間開啟或者關(guān)閉閥門對管道造成的損壞；（8）執(zhí)行/掛起安全措施。綜合考慮各種運行過程中的故障，判斷數(shù)據(jù)的合理性等，條件均滿足時才真正執(zhí)行，并下達命令；否則自動灌溉程序處于掛起狀態(tài)，防止誤發(fā)令。

2.6 無線網(wǎng)橋傳輸無線網(wǎng)橋連接的通訊方式主要應用于骨干管網(wǎng)與田間分水口之間，從分布上來分析，所有田間分水口以骨干管網(wǎng)為中心成線性分布，每個分水口之間距離一般為500～800 m；從設(shè)備供電能力上分析，田間分水口分布在灌區(qū)內(nèi)部，比較分散，同時與電力電纜相距較遠，有農(nóng)作物混雜其中，不適合電力電纜和通訊電纜的架設(shè)；從重要性上分析，每個田間分水口只負責小面積的土地灌溉，不影響整個灌區(qū)系統(tǒng)的運行。無線網(wǎng)橋無需架設(shè)通訊電纜，同時具備低功耗、傳輸距離遠的特點，與灌區(qū)分水口太陽能供電特點匹配，綜合考慮可采用無線網(wǎng)橋的通訊方式。

無線網(wǎng)絡系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢及特點：（1）高可靠性。無線局域網(wǎng)的信道誤比特率低于10-8，這樣保證了通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；（2）良好的兼容性。對于室內(nèi)應用的無線局域網(wǎng)，與現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)兼容，能夠做到現(xiàn)有的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡軟件在無線局域網(wǎng)上不加修改地正常運行；（3）簡單性。無線網(wǎng)絡產(chǎn)品的安裝、配置和管理簡單易行，不必頻繁的更改網(wǎng)絡設(shè)置，便于漫游；（4）高數(shù)據(jù)速率。無線局域網(wǎng)解決方案，系統(tǒng)可以最高54 Mbps的速度發(fā)送和接收信息。

2.7 無線數(shù)傳技術(shù)無線數(shù)傳（WIFI）的通訊方式主要應用于灌區(qū)系統(tǒng)的微灌示范地，負責閥控器子站與田間分水口閥控器中心站的數(shù)據(jù)傳輸。從分布上分析，閥控器子站廣泛平均分布在小范圍示范地中，站點多而分散。從設(shè)備供電能力上分析，采用單片機工作原理的閥控器功率微小。從重要性上分析，每個閥控器子站只負責 2 hm2左右土地。無線數(shù)傳的通訊方式，具備超低功耗，使用干電池即可工作6個月之久，傳輸數(shù)據(jù)雖小但成本低，綜合考慮微灌示范地可采用無線數(shù)傳（WIFI）的通訊方式。

3 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)案例

蘇塘灌區(qū)在中控室計算機房設(shè)1臺高性能千兆級工業(yè)以太網(wǎng)交換機作中心交換機，控制區(qū)網(wǎng)絡采用雙切環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以中控室為核心，引水干渠及沉沙池各監(jiān)控站組一個環(huán)、總干管及東干管各監(jiān)控站組一個環(huán)，兩個環(huán)均采用光纖傳輸，連接起35處骨干管網(wǎng)控制站，如圖1所示。

圖1 蘇塘灌區(qū)主干光纖網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

骨干管網(wǎng)控制站至田間系統(tǒng)進水口基站采用無線網(wǎng)橋傳輸信號，如圖2所示，以控制站中心點為A點。二邊的B、C、D、E、F、G、H、I等點要和A點進行通信。由圖2可以看出，遠端點分布在中心點的二邊，并且在同一個直線上，可以采用中心點通過功分器連接2個天線，分別對準遠端點，采用點對多點的通信方式。田間系統(tǒng)進水口基站至田間閥控器采用微功率無線數(shù)傳模塊傳輸信號，如圖3所示。

圖2 無線網(wǎng)絡傳輸結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

蘇塘灌區(qū)的系統(tǒng)平臺采用中水科技H9000系統(tǒng)，是先進、成熟的水利水電工程自動化系統(tǒng)平臺，已成功應用于國際、國內(nèi)多個大型水利水電工程。根據(jù)以往的水閘、泵站、水電站自動化控制系統(tǒng)經(jīng)驗，以及大中型灌區(qū)節(jié)點多、節(jié)點分散、區(qū)域廣等特點，本文提出了適應于大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和多項關(guān)鍵技術(shù)。蘇塘灌區(qū)一期工程0.4萬hm2，于 2010年3月開始實施，自該項目的自動化控制系統(tǒng)投運以來，該系統(tǒng)一直運行穩(wěn)定，表明了所提出的設(shè)計原則和采用的多項關(guān)鍵技術(shù)是成功的，同時表明光纖環(huán)網(wǎng)、無線網(wǎng)橋和無線數(shù)傳混合結(jié)構(gòu)運用是成功的。通過該項目的成功實施，中水科技在大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面積累了經(jīng)驗，為以后的大中型灌區(qū)自動化控制系統(tǒng)推廣奠定了基礎(chǔ)。

圖3 田間系統(tǒng)的無線數(shù)傳通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

［1］ 張毅，王德寬，王桂平，等.面向巨型機組特大型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研制開發(fā)［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32（1）：1-6.

Research on the key technologies of automatic control system for large and medium-sized irrigation districts

DENG Xiao-gang，ZHANG Qiao-hui，TAO Hai-tao，LIU Xiao-heng
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing IWHR Technology Co.，Ltd，Beijing 100038，China）

Based on an actual project case，research on the key technologies of the automatic irrigation control system is discussed in this paper，F(xiàn)irst，the basic information of the irrigation automation control system，the project background of a practical engineering case and the design principle of automatic control system are intro?duced briefly.And then，some key technologies used in the irrigation control system are described，such as：the system structure，software structure，system configuration，control security，irrigation schedule，wireless bridge telecommunication technology，wireless data transmission technology，etc.Finally，a specific engineering case is given.These key technologies have been successfully applied in a practical project.

large and medium irrigation；automatic control system；key technology

TP272/278

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.015

1672-3031（2014）02-0206-05

（責任編輯：王成麗）

2013-01-07

鄧小剛（1976-），男，江西新余人，學士，工程師，主要從事水電廠計算機系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)研制、開發(fā)等研究。E-mail：jkdengxg@iwhr.com