水閘及電排站群自動化調控系統(tǒng)設計及應用

徐溫泉

水利信息化是水利現(xiàn)代化的重要標志，信息化是現(xiàn)代社會經濟發(fā)展的主要趨勢。在水利系統(tǒng)中，電排站是最基層的工程，不僅能夠滿足水利部門用水需求，在防洪、生命財產及人民生產、環(huán)境保護中都具有重要的作用，為了能夠將電排站的綜合使用效益充分發(fā)揮出來，降低洪澇災害對人們造成的損失，就要提高調度管理決策的水平，創(chuàng)建水閘及電排站群自動化調控系統(tǒng)是尤為重要的。本文所設計的水閘及電排站群自動化調控系統(tǒng)具有較高的通信效率，較強的抗干擾能力及較高的可靠性，并且組態(tài)靈活，具有良好的使用前景。

一、自動化調控系統(tǒng)的設計

1.設計原則

對水閘及電排站群總體的設計需求及應用需求，本文設計應遵循以下原則：使用成熟、先進及穩(wěn)定的技術，從而降低系統(tǒng)的風險；要求系統(tǒng)具備良好的靈活性及可擴展性，便于升級；合理的網絡信息流量；保密性及安全性高；層次結構清晰；系統(tǒng)開放性高。

2.系統(tǒng)的網絡拓撲結構

電排站及水閘監(jiān)控系統(tǒng)結構歷經了工業(yè)控制計算機集中式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)等多個階段，從而發(fā)展為綜合自動化系統(tǒng)，其能夠實現(xiàn)控制、測量及管理一體化。PLC分布式監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)代成熟監(jiān)控系統(tǒng)設計，利用控制算法及系統(tǒng)功能實現(xiàn)系統(tǒng)定義，提高系統(tǒng)的開放性及專業(yè)性，并且價格實惠，能夠被人們接受。所以在東湖泵站使用的都是以PLC為基礎的分層分布式體系結構監(jiān)控系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)連接技術方案

本文系統(tǒng)設計的主要目標就是實現(xiàn)水閘及電排站群自動化調控，提高系統(tǒng)傳輸質量，降低設計成本。在此背景下，本文設計系統(tǒng)的平臺基礎使用政務網實現(xiàn)，將水閘和電排站作為系統(tǒng)的節(jié)點，通過光纖模式與政務網相互連接。以下對三種方案進行對比，選擇其中有效方案。

（1）方案1

方案1系統(tǒng)的設計方式為端口堆疊，圖1為方案1的拓撲結構圖：

圖1 方案1拓撲結構圖

在區(qū)域機房中添加100M集線器，使每個集線器都能夠與水閘及電排站連接，之后通過100M端口和鎮(zhèn)區(qū)的SSR相互連接，在同個集線器水閘及電排站局域網連接，將其劃分到同個VLAN中，使用同個網關進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，區(qū)域及分支中的局域網通過集線器實現(xiàn)使用。其能夠適用于電排站及水閘較多，并且沒有較強的信息化使用程度和沒有較高安全性要求的地區(qū)。其的投資較大，并且不需要其他模塊及設備，具有簡便的聯(lián)網工程；缺點包括網絡結構無法實現(xiàn)不同水閘及電排站的計算機進行邏輯分組，也就是不能夠對在同個集線器中不同的電排站及水閘的計算機IP進行設置，因此會出現(xiàn)網絡監(jiān)測擾亂及追蹤的情況；并且其網絡結構層次較為簡單，沒有明確的邏輯分組，不能夠針對不同結構定制詳細的安全策略，實施網絡數(shù)據(jù)監(jiān)控；最后是在同個集線器不同站的計算機都在同一個子網，不能夠實現(xiàn)各種應用廣播的隔離，網絡廣播數(shù)據(jù)會占用網絡傳輸寬帶。

（2）方案2

在水閘及電排站中添加802.1Q接入交換器，并且在其中配置基于端口的VLAN，每個站的局域網都是同個VLAN。交換機和SSR相互連接，從而實現(xiàn)端口之間的連接，與接入交換機相互連接的站實現(xiàn)100M寬帶共享。通過中繼技術與SSR接口及交換機相互連接，從創(chuàng)建中繼線路，擴展系統(tǒng)寬帶。并且在其中添加可堆疊交換機，不使用端口捆綁技術。其主要優(yōu)點是價格低，實用性高，能夠提高端口的接入數(shù)量；對機構終端進行分組，將其分為多個IP子網，從而統(tǒng)一區(qū)域機構及網絡機構；使用VLAN劃分隔離廣播域，降低網絡廣播數(shù)據(jù)流，有效使用網絡帶寬；多鏈路集群支持負載均衡，如果某個鏈路出現(xiàn)故障，那么就能夠將數(shù)據(jù)傳送到其他鏈路中；因為網絡結構及組織架構能夠實現(xiàn)統(tǒng)一，從而能夠對不同結構創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)安全策略，使用SSR訪問列表就能夠對網絡數(shù)據(jù)流進行嚴格的控制，提高了網絡在使用過程中的安全性。其主要缺點為網絡缺少層次，并且網絡不能夠添加層次。

（3）方案3

添加SSR百兆模塊，實現(xiàn)加入端口數(shù)量的擴充，圖2為方案3拓撲結構圖。在SSR中添加擴展模塊，以此實現(xiàn)SSR端口數(shù)量的擴大，每個站劃分一個子網或者VLAN，以此實現(xiàn)擴展模塊端口的使用，并且在SSR中實現(xiàn)網絡數(shù)據(jù)的安全控制。添加BASE-TX模塊，實現(xiàn)不同結構的不同網絡擴展及安全控制需求，如果占用SSR擴展槽，之后在網絡使用過程中的擴展就要通過其他方法實現(xiàn)。

圖2 方案3拓撲結構

方案3的優(yōu)點就是不需要另外添加設備，就能夠實現(xiàn)三層交換能力接入端口的擴充；另外還能夠實現(xiàn)不同結構終端的邏輯分組，不同結構能夠劃分多個IP子網，統(tǒng)一網絡結構及區(qū)域結構；通過SSR劃分區(qū)域及站，以此隔離廣播，有效提高網絡帶寬使用效率。由于實際組織及網絡結構統(tǒng)一，所以不同結構的數(shù)據(jù)都能夠有效并且安全性較高，使用SSR訪問列表能夠控制網絡數(shù)據(jù)流，以此有效提高網絡的安全性。方案3的主要缺點就是占用SSR的擴展槽，之后不能夠添加擴口實現(xiàn)網絡傳輸寬帶的擴展；并且網絡沒有層次，網絡控制不能夠根據(jù)結構分類實現(xiàn)統(tǒng)一的控制，以此提高了維護及配置的難度。

二、自動化調控系統(tǒng)的設計

對比上述的三種方案的優(yōu)勢及缺點，本文使用第二種方案。自動化調控系統(tǒng)通過雙網絡設計，系統(tǒng)中的子系統(tǒng)實現(xiàn)以外網的創(chuàng)建，不同水閘及電排站的計算機能夠連接政務網及光纖，其中的測量、控制和保護等信息及工作、運行狀態(tài)都通過政務網到管理中心進行傳遞，之后將這些視頻及數(shù)據(jù)集中處理及收集，通過管理中心實現(xiàn)統(tǒng)一的調度，對所有的水閘及電排站進行遠程控制。并且每個泵站中的泵及水站中的閘門現(xiàn)場的設備控制實現(xiàn)是通過工業(yè)控制網絡，其獨立自主地在網絡拓撲中運行，由于雙網絡相互連接，所以現(xiàn)場控制PLC計算機和上位監(jiān)控能夠實現(xiàn)高速通信，實現(xiàn)信息的存取及控制，此種結構能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性，如果計算部分出現(xiàn)故障，控制單元操作不會受到影響。基于協(xié)議地址會降低網絡的安全性，所以可以使用MAC地址或者端口地址進行劃分。第二種方案能夠實現(xiàn)VLAN的方便劃分，并且實現(xiàn)千兆以太網的升級和擴展。根據(jù)系統(tǒng)實際需求，要在監(jiān)控中監(jiān)視器中傳輸圖像信號，通過視頻服務器收集圖像，之后將其送到單站控制中心，用戶能夠對其進行監(jiān)視及監(jiān)控。

三、結語

水閘及電排站群自動化調控系統(tǒng)的網絡設計要以政務網為基礎，創(chuàng)建光纖網絡，本文所介紹的方案三具有較強的可行性，在水閘及電排站群自動化調控系統(tǒng)中使用能夠具有較高的通信效率，并且具有較強的抗干擾能力，還有良好的可靠性，組態(tài)靈活，能夠在水閘及電排站中長期使用。