水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)研究

■葉銳敏 ■嘉善縣太浦河管理所，浙江 嘉興 314100

信息化是世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升級(jí)以及向工業(yè)化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變必須依賴信息化技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)也應(yīng)將提高信息化水平在作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要手段之一。水利工程作為我國(guó)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，水利的現(xiàn)代化也離不開(kāi)信息技術(shù)的支持。政府要解決新世紀(jì)水的問(wèn)題，必須應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水閘自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水利向數(shù)字水利轉(zhuǎn)變，才能進(jìn)一步發(fā)揮水利工程的效益。

1 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的作用與功能，水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用分級(jí)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過(guò)安裝在水位井、液壓泵、電器柜等部位的傳感器和其它相關(guān)儀表，通過(guò)地面控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、水壓、閘高等參數(shù)的收集，再通過(guò)通訊系統(tǒng)將傳感器和儀表收集的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心計(jì)［1］;控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，根據(jù)是數(shù)據(jù)反映的內(nèi)容向現(xiàn)場(chǎng)控制單元發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備開(kāi)啟或關(guān)閉。設(shè)備運(yùn)行期間，控制中心對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如監(jiān)控液壓系統(tǒng)和啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行異常，立即通過(guò)音頻、燈光、文字等方式向操作人員發(fā)出警報(bào)。根據(jù)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行原理，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和控制中心三個(gè)部分。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)選擇研究

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置為現(xiàn)地控制裝置，主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息。網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，共同完成控制和管理功能。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器各類電器儀表。

2.1 可編程控制器

現(xiàn)地控制裝置主要為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它不僅能采集先創(chuàng)數(shù)據(jù)和各類信息，還能作為設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)裝置。本系統(tǒng)選用德國(guó)西門(mén)子S7-300 系列產(chǎn)品，用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并作為油泵、啟閉機(jī)和通航燈等設(shè)備的控制驅(qū)動(dòng)。該系列可編程邏輯控制器專為自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制器零部件性能高，能滿足系統(tǒng)對(duì)各類設(shè)備自動(dòng)化控制需求。該控制器還包括大量用戶程序，如定時(shí)器、計(jì)算器、復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算、通訊等內(nèi)容，達(dá)到對(duì)監(jiān)視人機(jī)交互的作用，發(fā)現(xiàn)人工輸入狀態(tài)異常后，可改變輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制目的［2］。S7-300 系類可編程邏輯控制器的靈活性強(qiáng)，可根據(jù)不同的用途選擇不同規(guī)格的CPU，實(shí)現(xiàn)合理配置。

2.2 過(guò)程儀表及傳感器等設(shè)備

此外，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)還包括大量?jī)x表和傳感器，屬于信息轉(zhuǎn)換部件。儀表和傳感器收集的水位、液壓等信息后，將信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至控制中心。過(guò)程儀表、傳感器等采集設(shè)備主要包括壓力傳感器、投入式水位傳感器、浮子式水位傳感器、電量?jī)x表、閘門(mén)高度變送器，分別用于測(cè)量液壓系統(tǒng)的油壓、測(cè)量閘室水位、采集水位值、采集被采電流，與上位機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、計(jì)算閘門(mén)高度。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采集控制點(diǎn)相對(duì)集中，因而可采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式實(shí)現(xiàn)控制室主站系統(tǒng)、新老閘現(xiàn)地控制柜的PLC 數(shù)據(jù)通信，并且由于新閘和老閘距離間隔較遠(yuǎn)，因而可采用光導(dǎo)纖維作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，而不能采用雙絞線直連方式。上級(jí)信息數(shù)據(jù)采用公用電話通道，并根據(jù)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳播。

3.1 基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可基于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，將整個(gè)閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分為3層，上層為管理信息層或管理級(jí)，負(fù)責(zé)連接上級(jí)管理部門(mén)內(nèi)局域網(wǎng);中間層為監(jiān)控級(jí)，為內(nèi)部局域網(wǎng)上互相聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控主義和服務(wù)器;下層為現(xiàn)地級(jí)，是現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層。現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備主要為可編程控制器和輸出繼電器等設(shè)備，多分布于啟閉機(jī)室等近設(shè)備端?，F(xiàn)地控制級(jí)與各類傳感器相連，負(fù)責(zé)采集設(shè)備運(yùn)行信息數(shù)據(jù)和信號(hào)，還與控制級(jí)工控主機(jī)，監(jiān)控工控主機(jī)的控制命令;搜集現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，并以獲得的數(shù)據(jù)信息為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制?，F(xiàn)地級(jí)采用大規(guī)模的可編程邏輯控制器以及其它模塊組成現(xiàn)地監(jiān)控單元，工業(yè)以太網(wǎng)負(fù)責(zé)通訊，將高質(zhì)量雙絞線連接監(jiān)控級(jí)的交換機(jī)，將現(xiàn)地級(jí)信息傳遞至控制工控機(jī)。配備數(shù)據(jù)服務(wù)器，記錄實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)參數(shù)，方便用戶查詢［3］。以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到直接快速通信以及對(duì)監(jiān)控和管理信息的集成。以太網(wǎng)還具備同步傳輸數(shù)據(jù)、文字、圖像的功能，可方便工作人員監(jiān)控多種類型軟件和遠(yuǎn)程修改參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及傳輸媒介

異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的最大問(wèn)題在于不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，異構(gòu)計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信互連需要進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，n 臺(tái)計(jì)算機(jī)則需要轉(zhuǎn)換協(xié)議n(n-1)次。而基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以減少異構(gòu)計(jì)算機(jī)通信互連需轉(zhuǎn)換協(xié)議的次數(shù)，n 臺(tái)計(jì)算機(jī)只需轉(zhuǎn)換n 次通信協(xié)議，并編寫(xiě)TCP/IP 協(xié)議支持下的通信程序，即可實(shí)現(xiàn)通信互連。

新閘和老閘距離間隔較遠(yuǎn)，新閘和老閘之間采用光纖連接。光纖通訊的原理為將傳輸信息首先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將其調(diào)制到激光器發(fā)出的光束上，通過(guò)光纖發(fā)送光信號(hào)［4］。接收端檢測(cè)器將收集的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，恢復(fù)原信息。和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸媒介相比，光纖通訊具有容量大、衰減小、抗干擾性能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、溫度使用范圍廣、安全性高、成本低的特點(diǎn)，非常適合用于數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。

4 控制中心主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以windows 系統(tǒng)為操作平臺(tái)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)體系。并配置為通信監(jiān)控處理機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及工作站，構(gòu)建可伸縮結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)［5］。由于水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)需要處理大量數(shù)據(jù)，并且存在自動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)地設(shè)備受外界因素干擾作用強(qiáng)，因而需要采用高配置、冗余設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)整體的可靠性。對(duì)于數(shù)據(jù)處理量較少的部分，可采用高性價(jià)比的設(shè)備，如現(xiàn)地控制裝置，減少成本。另外，在通訊系統(tǒng)和通訊方式選擇上，需要根據(jù)項(xiàng)目大小選擇合適的通訊系統(tǒng)和方式。如通訊距離較短，可采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，既保證通信系統(tǒng)的可靠性，還能提高系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)精確掌握水閘水位運(yùn)行情況，及時(shí)搜集實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行焦慮，減少故障，節(jié)省水電，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度?？偠灾?，水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)具有極高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文就水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇進(jìn)行分析，但是由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備不僅需要面臨直接雷擊風(fēng)險(xiǎn)，還需要面臨雷擊引起的電源和通信線路中感應(yīng)電流涌浪帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)還需要加強(qiáng)抗干擾研究，減少因雷擊引起的儀器儀表?yè)p壞，降低損失，最大限度的發(fā)揮自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］邱明.基于水電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建研究［J］.科技資訊，2014，09(28):13-14.

［2］徐艷.現(xiàn)代光纖通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用分析［J］.電子世界，2014，06(18):274-275.

［3］申林，徐丹.自動(dòng)化系統(tǒng)在水閘工程應(yīng)用中的問(wèn)題與解決方法［J］.小水電，2015，12(03):66-67.

［4］柳文述.城域網(wǎng)中配電自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，09(02):215-217 +224.

［5］王輝，羅震，韓智.淺析自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在水閘運(yùn)行管理中的應(yīng)用［J］.科技信息，2013，13(10):406-407.