應用于水利調度系統的自動化控制系統研究

郭國鋒 權風光 王永生

【摘 要】隨著計算機網絡、傳感器技術等的迅猛發展，對水利信息的監控和管理方式逐漸由單一的現場、集中控制轉變為分布式的、多技術結合的現代化綜合性調度系統。本文就水利調度系統中的自動化控制系統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，重點就調度系統中各子系統的功能和實現方式進行了闡述和研究，最后就整個系統的網絡系統進行了簡要討論。

【關 鍵 詞】水利調度系統；自動化；控制系統；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、自動化方向發展是我國現代水利的發展要求。應用計算機技術、網絡通信技術以及多種軟硬件控制技術可以有效實現對水利相關信息進行實時監測和調控，進而完成整個水利調度系統的自動化控制。

1 自動控制系統硬件結構及性能特點分析

1.1 系統硬件結構

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中的自動化控制系統通常由一個監控中心配合多個終端站通過B/S的架構方式實現。其中，監控中心配備運算能力較強的工業計算機和相關數據通信設備；終端站可以配備以PLC為核心或者單片機為核心的數據處理系統，同時配合使用多種傳感器、數據采集設備、數據通信設備等實現與上位機的通信。為保證系統運行可靠性和數據準確性，應該在監控中心中配置UPS電源，在終端站配置蓄電池。系統可完成的功能有：（1）數據采集和指令執行，該部分功能由布置于水利調度系統終端的傳感器與執行設備完成；（2）數據傳輸，該部分功能由各通信設備完成；（3）數據處理，該部分功能由監控中心的軟硬件設備協作完成。

1.2 系統性能特點

水利調度系統通常由多個遠端監測點組成一個網絡平臺，利用監控中心對平臺各終端進行信息采集、數據處理以及決策制定。整個系統包括監控中心、數據采集子系統、視頻監控子系統、通信子系統等幾部分子系統，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調整。

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

（3） 可管理性好。整個自動控制系統提供了完善的用戶管理、系統配置、運行狀態監測、歷史記錄等功能，利用這些功能可以簡化作業流程，明確管理權限，為系統制定合理的運行策略，維持整個系統的穩定運行。同時歷史記錄等功能還可以對控制系統的每個操作進行記錄，便于后期檢索和系統修正，為警報或故障原因的查找提供數據支持。

（4） 數據精度高。由于采用了多種傳感器設備對模擬量進行信息采集，故本自動控制系統可以將模擬信息轉換為精確的數字信息，便于數據處理和分析。

2 各子系統功能實現

2.1 水利調度中心

應用自動控制系統可以實現水利調度中心的無人值守。具體實現方式為，在自動控制系統中對水費計收系統、水利信息采集系統、閘門監控系統、視頻監控系統、數據庫備份系統等不同系統中的參數進行設定，同時制定相應的執行策略，只有滿足條件時，系統才會啟動運行。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進行實時監測，并監測數據修正系統運行狀態，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控，確保水利調度的準確性和可靠性；對系統運行過程中產生的數據進行備份，以備后期檢索和總結。

2.2 現場PLC控制系統

現場PLC控制系統主要安裝在各支、斗渠的閘房內與啟閉機電器控制柜進行連接，可以通過通信系統與上位機進行數據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，實現遠程自動化操作。同時，為保證系統的可靠性，增強系統的靈活性，可以在現場PLC控制系統中添加現場控制開關，便于特殊情況下進行現場控制。

2.3 水利信息采集

自動控制系統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測。這些信息可以通過安置于水利調度環境中的傳感器和數據采集裝置獲得。采集獲得的數據被傳送到監控中心進行處理和運算，系統根據運算結果控制閘門狀態、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，但是需要根據實際情況進行零點調節和校正；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據的影響。

2.4 視頻監控

在執行水利調度任務時要求對重點檢測位置進行24小時不間斷監控，此時需要應用視頻監控子系統。視頻監控子系統中的監控相機可以對覆蓋區域內的所有活動和環境變化進行圖像采集，然后通過通信系統傳遞回監控中心，幫助監控中心管理人員對實際情況進行判斷，進而根據判斷結果制定操作策略。

2.5 數據通信

鑒于整個調度系統覆蓋區域廣泛，周邊環境復雜，故在實現終端與控制中心通信時需要根據實際情況具體制定。在水源區域，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的，故在該區域可以鋪設有限通信網絡，如光通信網絡等進行數據通信。在灌溉區域通常自然環境較為惡劣，且不需要采集和顯示多種數據，在該區域進行數據通信系統覆蓋可以通過無線通信技術的方式實現。直接對無線通信模塊進行通信設定即可完成數據的定時上傳和下載，基本可以滿足自動控制需求。

3 計算機網絡系統設計

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

整個網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點，負責整個水利調度系統的核心業務運營和數據管理。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進行網絡對接，便于實現信息共享，提升信息的利用效率。

總之在水利調度系統中應用自動化控制系統是今后水利工程的必然發展方向。自動控制系統利用計算機技術和現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境，滿足水利調度系統運行中的參數實時監控需求，為整個水利調度過程的自動化、智能化創造了有利條件，提升了整個系統運行的可靠性、穩定性以及精確性，具有非常實際的應用意義。

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