一種新型的水電站生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

駱東松，曾錫安，武曉峰

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050）

生態(tài)流量是河流生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，水電站通過(guò)下泄一定流量來(lái)保證下游生態(tài)流量需求的過(guò)程稱(chēng)為生態(tài)放流。由于生態(tài)放流是維持下游河流生態(tài)功能的基本途徑[1]，同時(shí)可能影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)生態(tài)放流過(guò)程的監(jiān)控是監(jiān)督水電站生態(tài)運(yùn)行情況、保障下游河流生態(tài)功能不可缺少的技術(shù)手段。

結(jié)合水電站決策管理與生態(tài)保護(hù)需求，目前生態(tài)放流監(jiān)控系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面還具有一定的局限性：

監(jiān)測(cè)指標(biāo)單一例如洮河某已建水電站生態(tài)放流系統(tǒng)僅監(jiān)測(cè)流量一項(xiàng)指標(biāo)[2]。而生態(tài)放流監(jiān)控系統(tǒng)一般還需要監(jiān)測(cè)流量、流速、水位、水溫等多項(xiàng)參數(shù)才足以表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

監(jiān)督不規(guī)范水電站需將生態(tài)放流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)管部門(mén)接受監(jiān)督，但監(jiān)管部門(mén)得到的數(shù)據(jù)往往已經(jīng)過(guò)電站各軟件系統(tǒng)間的多層轉(zhuǎn)發(fā)和處理，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差、可信度低。

信息不共享生態(tài)放流實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常僅由建設(shè)單位掌握，一般單位和個(gè)人很難獲取相關(guān)信息，不利于對(duì)水電站生態(tài)運(yùn)行情況的監(jiān)督及對(duì)河流生態(tài)的研究。

因此，本文針對(duì)張掖市某水電站的實(shí)際情況，在傳統(tǒng)生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多參數(shù)監(jiān)測(cè)、生態(tài)放流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)管部門(mén)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)共享等功能的新型水電站生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括執(zhí)行器/傳感器、PLC（可編程邏輯控制器）、HMI（人機(jī)界面）、生態(tài)放流主機(jī)等部分。本文結(jié)合張掖市某水電站的實(shí)際需求，增加生態(tài)放流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)管部門(mén)、網(wǎng)站發(fā)布等功能，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

傳感器采集的信息通過(guò)PLC上傳至HMI和生態(tài)放流主機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令通過(guò)PLC下發(fā)至執(zhí)行器。HMI架設(shè)在閘門(mén)操作室，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的本地監(jiān)控。在值班室生態(tài)放流主機(jī)中安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)上傳監(jiān)管部門(mén)，另一方面存入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)。以數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，在Web服務(wù)器中開(kāi)發(fā)生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)，并將網(wǎng)頁(yè)發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水電站生態(tài)放流數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)硬件功能

硬件系統(tǒng)主要功能是采集生態(tài)放流必要參數(shù)，調(diào)節(jié)控制閘門(mén)開(kāi)度。

2.1 生態(tài)放流參數(shù)采集

生態(tài)放流參數(shù)包括水溫、水位、閘門(mén)開(kāi)度、流量、流速等。

水溫、水位、閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)采集分別通過(guò)溫度傳感器、超聲波液位計(jì)、閘位計(jì)將相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，作為PLC的3路模擬信號(hào)輸入，上位軟件通過(guò)代碼進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，顯示水溫、水位、閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，A為傳感器測(cè)量值；A0、Am分別為傳感器最低量程和最高量程；D為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值；D0、Dm分別為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后的最小數(shù)值和最大數(shù)值。

流量的測(cè)量方式多樣[3-4]，本文根據(jù)該水電站的實(shí)際情況，選擇在生態(tài)放流閘門(mén)出水口安裝DXLSX-1多普勒超聲波流量計(jì)。該流量計(jì)可測(cè)量流量、流速等參數(shù)，并提供RS485接口，支持Modbus協(xié)議。數(shù)據(jù)的傳輸采用命令應(yīng)答方式，上位機(jī)發(fā)出命令，流量計(jì)做出相應(yīng)的回答，最后由上位機(jī)監(jiān)控軟件參照協(xié)議地址解析流量、流速數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與閘門(mén)開(kāi)度控制

控制器選用西門(mén)子S7-1200系列PLC，CPU型號(hào)1212C，具有集成的PROFINET接口，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)。生態(tài)放流主機(jī)、HMI和PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，上位機(jī)可直接向PLC發(fā)送指令。PLC接收上位機(jī)發(fā)送的指令并通過(guò)臺(tái)達(dá)B系列VFD045B43A變頻器控制卷?yè)P(yáng)機(jī)將閘門(mén)上升或下降一定距離，從而控制閘門(mén)開(kāi)度。

3 系統(tǒng)軟件功能

生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括人機(jī)界面、生態(tài)放流主機(jī)、Web服務(wù)器三套軟件，系統(tǒng)軟件功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊Fig.2 Software function module of the system

公共功能模塊有：用戶(hù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信息監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警顯示模塊、控制模塊。用戶(hù)管理模塊主要負(fù)責(zé)識(shí)別用戶(hù)登錄信息和權(quán)限劃分；數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析、存儲(chǔ)，并具有生成臺(tái)賬、打印報(bào)表功能；信息監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)曲線和數(shù)據(jù)的方式顯示生態(tài)放流的流量、流速、水溫、水位、累計(jì)流量等信息；報(bào)警顯示模塊根據(jù)設(shè)置的流量、水溫、水位限值進(jìn)行越限報(bào)警，并通過(guò)提示框和語(yǔ)音提示用戶(hù)；控制模塊通過(guò)監(jiān)控軟件與PLC控制器的數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送遠(yuǎn)程命令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

另外，生態(tài)放流主機(jī)具有數(shù)據(jù)上傳模塊，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至政府監(jiān)管部門(mén)；Web服務(wù)器具有網(wǎng)頁(yè)發(fā)布模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布共享，提供移動(dòng)端監(jiān)測(cè)服務(wù)。

使用編程軟件組態(tài)、編程，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、查、改操作可實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警顯示模塊、控制模塊、用戶(hù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等公共功能模塊。本節(jié)主要介紹數(shù)據(jù)上傳模塊及網(wǎng)頁(yè)發(fā)布模塊。

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)管部門(mén)

生態(tài)放流數(shù)據(jù)監(jiān)督機(jī)制如圖3所示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器架設(shè)在監(jiān)管部門(mén)，生態(tài)放流主機(jī)通過(guò)VPN（虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)）與監(jiān)管部門(mén)進(jìn)行加密通訊，生態(tài)放流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，監(jiān)管平臺(tái)通過(guò)訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)水電站生態(tài)放流過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督。

圖3 生態(tài)放流數(shù)據(jù)監(jiān)督機(jī)制Fig.3 Ecological flow release data monitoring mechanism

生態(tài)放流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳采用HTTP協(xié)議，通過(guò)URL（統(tǒng)一資源定位符）攜帶一定數(shù)據(jù)格式的參數(shù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并返回結(jié)果，數(shù)據(jù)上傳完成。

3.1.1 數(shù)據(jù)格式選擇

選擇合適的數(shù)據(jù)交互格式對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率、代碼編寫(xiě)和維護(hù)有重要意義。數(shù)據(jù)交互通用格式包含XML和JSON。XML與JSON性能對(duì)比[5-6]如表1所示，XML數(shù)據(jù)體積大，傳輸占帶寬，代碼復(fù)雜不易維護(hù)，因此采用JSON數(shù)據(jù)交互格式。

表1 XML與JSON性能對(duì)比Tab.1 XML and JSON performance comparison

JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸格式，基于JavaScript語(yǔ)言的一個(gè)子集，易于開(kāi)發(fā)者編碼和機(jī)器解析。JSON有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型：

對(duì)象 無(wú)序的Name/Value集合，如圖4所示。以左大括號(hào)開(kāi)始，右大括號(hào)結(jié)束，中間是無(wú)序鍵值對(duì)，鍵為string，值為value（包含任意的JSON數(shù)據(jù)類(lèi)型，下同），鍵值對(duì)之間用逗號(hào)分隔。例如：｛flow：4，speed：7｝。

圖4 JSON對(duì)象結(jié)構(gòu)圖Fig.4 JSON object structure diagram

數(shù)組 有序的Value集合，如圖5所示。以左中括號(hào)開(kāi)始，右中括號(hào)結(jié)束，中間是有序Value值，Value 值之間用逗號(hào)分隔。 例如：｛4，7｝。

圖5 JSON數(shù)組結(jié)構(gòu)圖Fig.5 JSON array structure diagram

3.1.2 數(shù)據(jù)上傳監(jiān)管部門(mén)功能實(shí)現(xiàn)

生態(tài)放流主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互流程如圖6所示。將對(duì)象中存儲(chǔ)的生態(tài)放流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON格式，通過(guò)URL攜帶數(shù)據(jù)的傳值方式，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器后臺(tái)指定程序，后臺(tái)程序解析數(shù)據(jù)并返回解析結(jié)果，解析成功即存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖6 生態(tài)放流主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器數(shù)據(jù)交互流程Fig.6 Process of data exchange betweenecological flow release host and database server

使用微軟的WebBrowser控件實(shí)現(xiàn)生態(tài)放流主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。WebBrowser可以將控件導(dǎo)航到指定的URL，并通過(guò)Navigate方法將后臺(tái)程序處理后返回碼加載到WebBrowser控件中。關(guān)鍵代碼如下：

生態(tài)放流數(shù)據(jù)上傳監(jiān)管部門(mén)界面如圖7所示。

圖7 生態(tài)放流數(shù)據(jù)上傳監(jiān)管部門(mén)界面Fig.7 Interface of ecological flow release data uploading regulatory authority

3.2 生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)

生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)基于ASP.NET設(shè)計(jì)，采用MVC模式將程序分為模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）3 層。 模型層負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存取；視圖層為前端頁(yè)面，主要使用HTML、CSS和JavaScript技術(shù)搭建，為瀏覽器提供良好的應(yīng)用交互；控制器層負(fù)責(zé)前端和后臺(tái)的信息交互。生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)共享界面如圖8所示。

圖8 網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)共享界面Fig.8 Interface of data sharing on webpage

本節(jié)主要研究控制器層的信息交互過(guò)程。控制器層的信息交互是指Web瀏覽器與服務(wù)器之間的交互，關(guān)鍵技術(shù)包括通信協(xié)議的選擇和實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 瀏覽器與服務(wù)器通信協(xié)議方案選擇

Web瀏覽器與服務(wù)器的雙向通信機(jī)制主要有HTTP協(xié)議和WebSocket協(xié)議。HTTP與WebSocket性能對(duì)比[7-8]如表2所示，WebSocket在可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好，服務(wù)器與客戶(hù)端可以相互聯(lián)系，連接效率更高。因此本節(jié)選擇WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器信息交互。

表2 HTTP與WebSocket性能對(duì)比Tab.2 HTTP and WebSocket performance comparison

3.2.2 WebSocket實(shí)現(xiàn)

WebSocket是建立在TCP傳輸層協(xié)議上的應(yīng)用層協(xié)議，協(xié)議分為握手和數(shù)據(jù)傳輸兩部分。通信程序流程如圖9所示。

首先，服務(wù)端創(chuàng)建套接字，監(jiān)聽(tīng)端口，等待客戶(hù)端的握手請(qǐng)求。

其次，客戶(hù)端打包握手信息，通過(guò)HTTP協(xié)議發(fā)送握手信息，請(qǐng)求升級(jí)為WebSocket協(xié)議。其中，握手信息包含瀏覽器隨機(jī)生成的一串base64碼校驗(yàn)信息、需要的服務(wù)和協(xié)議版本號(hào)。服務(wù)端接收握手信息并進(jìn)行處理，同意升級(jí)后通過(guò)HTTP協(xié)議返回響應(yīng)。其中，返回的響應(yīng)中包含另一串base64碼和使用的服務(wù)。客戶(hù)端確認(rèn)響應(yīng)，雙向通信通道建立，握手完成。

圖9 WebSocket通信程序流程Fig.9 WebSocket communication programming process

最后，服務(wù)端和客戶(hù)端通過(guò)WebSocket協(xié)議進(jìn)行全雙工通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、解析等數(shù)據(jù)傳輸部分。.NET框架下的Sockets類(lèi)中提供了Web-Socket協(xié)議的常用方法，包括數(shù)據(jù)發(fā)送send（）、數(shù)據(jù)接收receive（）。數(shù)據(jù)解析程序需要用戶(hù)自己編寫(xiě)。

WebSocket協(xié)議使用了特定格式的數(shù)據(jù)幀[9]，結(jié)構(gòu)為“數(shù)據(jù)幀+消息體”，數(shù)據(jù)幀包含消息體的類(lèi)型、密碼、長(zhǎng)度等信息，消息體是協(xié)議傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

數(shù)據(jù)解析程序流程如圖10所示，先由FIN位判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢，由opcode位確定消息體數(shù)據(jù)類(lèi)型，由MASK位判斷有無(wú)掩碼，若有則讀取Masking-key位的掩碼，并進(jìn)行掩碼處理，若無(wú)則直接處理。由Payload-len位判斷消息體長(zhǎng)度，然后提取消息并進(jìn)行UTF8解碼，數(shù)據(jù)解析完畢。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一般生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的不足，在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了多參數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)上傳、網(wǎng)頁(yè)信息共享等功能，設(shè)計(jì)了一種新型的水電站生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫、水位、閘門(mén)開(kāi)度、流量、流速等多個(gè)指標(biāo)；實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端瀏覽器與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互功能；完成了生態(tài)放流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)管部門(mén)的要求；開(kāi)發(fā)了生態(tài)放流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)信息共享。系統(tǒng)功能完備，為生態(tài)放流過(guò)程提供了全方位的監(jiān)督管理機(jī)制，為水電站的綜合決策管理提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)目前應(yīng)用于張掖市某水電站，實(shí)時(shí)運(yùn)行情況良好。

圖10 WebSocket數(shù)據(jù)解析程序流程Fig.10 WebSocket data analysis programming process