水庫閘門遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)的開發(fā)

【摘 要】當前，我國還有不少水庫的技術模式相對落后，對閘門的控制采用的依舊是自動化程度不足的傳統(tǒng)方式。本文設計了水庫閘門遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)，從系統(tǒng)組成、閘門運行控制方式、系統(tǒng)配置與功能、系統(tǒng)軟件設計等方面進行了詳細的闡述。

【關鍵詞】水庫閘門 遠程監(jiān)控 自動化系統(tǒng)

一、引言

當前，我國的不少水庫在控制方面依舊是人工操作，無論是數據的獲取還是調度命令的執(zhí)行，尚未完全實現自動化控制，因而準確率不足，運行勞動強度偏高。結合一些發(fā)達國家的水庫自動化管理現狀，我國的水利系統(tǒng)數字化改造也已經迫在眉睫。在水庫運行管理整體技術提高的條件下，為了提升閘門控制管理的自動化水平，本文設計了水庫閘門遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)，滿足了“少人值班”、“無人值班”以及自動控制的要求，具有比較好的理論價值與實踐意義。

二、自動化系統(tǒng)的結構設計

（一）系統(tǒng)的基本構成

結合筆者所任職的水庫，需要對其泄洪洞、溢洪道、輸水洞的閘門實現信息化的監(jiān)控，為之設計并實現基于網絡和計算機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要模塊由閘位模塊、限位開關模塊、監(jiān)控模塊、通訊網絡和監(jiān)控主機組成。

系統(tǒng)的主機均選取工控機，與PLC共同構成基于網絡的監(jiān)控管理系統(tǒng)，對閘門的重要數據信息的采集通過傳感單元進行，從整體構成來看，系統(tǒng)可以分為：1、信息采集單元：監(jiān)控系統(tǒng)獲取水庫閘門各類需要監(jiān)控或處理的參量，由傳感器單元組成網絡實現此功能；2、信息傳輸單元：負責閘門數據信息的傳輸，包括傳感器采集的閘門數據信息以及來自上層應用程序的控制信息；3、應用單元：利用底層收集的各類閘門數據來與各類應用相結合，從而完成數據的管理。在水庫管理領域引入PLC與傳感技術，能夠將傳統(tǒng)的以人力和機械為中心的水庫管理模式轉變?yōu)橐孕畔⑻幚頌橹行牡哪Ｊ?，從而極大地提升管理效率和可靠性。系統(tǒng)的網絡結構如下圖所示：

（二）水庫閘門控制模式

結合水庫控制系統(tǒng)的特點和需求，將其控制結合優(yōu)先級的不同，劃分為3個級別，其級別分布的規(guī)律是：越與閘門啟閉裝置接近，則擁有越高的優(yōu)先權限?？刂茩嗉墑e簡述如下。

1、第一級：人工控制。人工下達的指令是調度人員在調度中心通過監(jiān)控系統(tǒng)遠程對閘門進行遙控，對閘門運行報表信息進行查詢，對閘門的運行進行操作。

2、第二級：監(jiān)控系統(tǒng)控制。這一級的控制是部署在水庫溢洪道控制中心的，可以細分為以下兩個類別：一是以自動化的模式操作水庫閘門的開閉，通過水庫監(jiān)控服務器結合事先設置的水路流量以及開度等閾值，進行溢洪道等閘門的動作；二是通過人工的方式進行控制?？刂迫藛T結合水庫閘門的實時狀態(tài)以及具體的控制指令來操作閘門裝置。其主要的操作類型例如啟閉機、斷路器的操作等等。

3、第三級：現場控制。這一級的控制其位置往往十分接近于具體的閘門裝置，控制模塊一般由可編程單元構成，操作者結合控制設備的操作鍵或通過觸摸屏，來控制閘門的動作。

三、系統(tǒng)硬件設計

（一）遠程監(jiān)控主站

監(jiān)控主站模塊是系統(tǒng)的控制核心，部署在溢洪道中控室，由工業(yè)控制機構成。作為主站，其主要的功能是對水庫的溢洪道進行監(jiān)控、實現水庫水位的測量、對獲取的各類信息進行保存等。此外監(jiān)控主站也有故障告警功能，一旦有參數越過了事先設置的閾值，便會觸發(fā)告警程序模塊。

（二）現地控制模塊

在水庫的溢洪道設置2套控制模塊、泄洪洞與輸水洞分別設置1套控制模塊。該模塊的組成為可編程控制器、電路板、端子等，配置在溢洪道的控制模塊能夠管理三個閘門，配置在泄洪洞與輸水洞的控制模塊則分別能夠管理一個閘門。

現地控制模塊在設計上采取分布模式，其優(yōu)勢在于盡量降低電纜敷設的數量，增強系統(tǒng)的可靠性。所有的閘門控制單元都通過RS-485實現互聯，經由同軸電纜或者光纖的方式與服務器連接。水庫閘門的核心單元是可編程控制器，實現數據的獲取和閘門的實時監(jiān)控，所有的關鍵數據均顯示在系統(tǒng)界面上；現地控制模塊還可以和上位機交換信息，操作人員的指令是通過Ethernet傳輸的，同時將現地控制模塊所獲取的所有閘門狀態(tài)數據傳輸至監(jiān)控服務器。

（三）視頻監(jiān)控模塊

操作人員需要在視頻監(jiān)控屏幕上看到水庫的閘前水位、出閘水流等圖像。因此在一些關鍵部位，包括泄洪洞、溢洪道等處均配置了攝像裝置；另外在溢洪道處設置了360度攝像頭，以便操作者能夠實時觀看泄流時下游水位的圖像。圖像經過必要的壓縮和編碼之后，可以在Ethernet上傳輸，還可以定期轉儲在視頻服務器中，供操作者在必要時進行調取。

（四）上位機網絡通信

為了確保數據信息傳輸的可靠性和帶寬，主控級的傳輸介質全部采用光纖。通信速率設定為百兆級，采取快速Ethernet網絡?，F地控制模塊與可編程控制單元以及視頻監(jiān)控服務器之間均以Ethernet的方式連接至光纖單元，系統(tǒng)監(jiān)控中心的服務器通過三層交換機與光纖模塊連接。

四、系統(tǒng)軟件架構

在系統(tǒng)的軟件框架設計中，引入了分層化設計：分別為客戶端層、網絡層、業(yè)務層（應用層）。采用B/S模式，在J2EE+SQLServer的系統(tǒng)開發(fā)平臺下，結合MVC的設計方法，實現了業(yè)務邏輯、控制邏輯以及前端數據顯示邏輯的分類，從而使系統(tǒng)具有良好的擴展性和維護性。

在J2EE框架之下，用戶客戶端層的網頁主要來自Web服務器，網頁的來源既可以是由Servlets自動生成，又可以是在WEB層中下載。該系統(tǒng)能夠在基于互聯網的其他環(huán)境的客戶層中運行，而這個客戶層為了管理用戶輸入，就需要構建一個JavaBeans類，通過JavaBeans類，把用戶所輸入的內容傳輸至企業(yè)層，在企業(yè)層中設置EnterpriseBean類，專門用于處理用戶的輸入，這樣，在不需要通過系統(tǒng)Web層的時候，用戶的J2EE程序便能夠訪問系統(tǒng)的EnterprisesBeans。

在業(yè)務邏輯層包括3部分，分別是業(yè)務邏輯DAO組件、Spring配置文件、IOC容器。業(yè)務層中，DAO組件承擔了幾乎所有的業(yè)務邏輯功能，J2EE業(yè)務層的DAO組件一般是在容器中運行，需要解決的一些底層事項，包括事務處理、生命周期等均是由容器來解決的。在J2EE業(yè)務層里，有一個運行基本模式，即通過Bean接受來自客戶端的所有數據，并進行有針對性的處理，同時將處理結果傳輸至企業(yè)信息系統(tǒng)進行存儲；同樣，也由一個Bean取出存儲在企業(yè)信息系統(tǒng)層中的相關數據，將其傳輸至客戶端程序，以便使用者閱讀。

網絡層由3部分組成，分別是服務組合層、服務層和連接層。網絡層與客戶層在這方面有類似之處，在容器的協(xié)助之下，Web組件運行在系統(tǒng)客戶層，并對用戶的多種操作提供支持，對客戶發(fā)來的各類請求進行處理和響應。J2EE網絡層的組件包含有兩方面，分別是JSP頁面與J2EEServlets，后者的主要功能是顯示網絡頁面，所顯示的網絡頁面以打包的模式與應用程序進行組裝。為了實時響應用戶輸入，網絡層能夠設置專門的JavaBeans類來進行具有針對性的管理，并且可以把所接收到的用戶的輸入傳輸至信息系統(tǒng)業(yè)務層中的EnterpriseBeans進行處理。

五、結束語

我國有不少水庫是運行多年的老水庫，其設備技術模式相對落后，對閘門的控制采用的依舊是自動化程度不足的傳統(tǒng)方式，不少關鍵性的操作均要人工操作，且必須去閘門室進行，實時性和安全性均不足，工作效率也偏低，已經不能適應當前的水庫閘門孔數多的實際需求，所以，水庫管理機構有必要結合閘門操作的需求，對其控制系統(tǒng)進行信息化升級，實現閘門系統(tǒng)的自動化控制，從而降低水庫管理人員的工作強度，提高水庫的信息化管理水平。

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作者簡介：王文廣（1976.7- ），男，漢族，河北曲陽人，畢業(yè)于華北電力大學，現就職于河北省曲陽縣王快水庫管理處，工程師。研究方向：水利工程自動化。