应用于水利调度系统的自动化控制系统研究

郭国锋 权风光 王永生

【摘 要】随着计算机网络、传感器技术等的迅猛发展，对水利信息的监控和管理方式逐渐由单一的现场、集中控制转变为分布式的、多技术结合的现代化综合性调度系统。本文就水利调度系统中的自动化控制系统的硬件组成结构进行了分析，对这种硬件构成方式的性能特点进行了总结和归纳，重点就调度系统中各子系统的功能和实现方式进行了阐述和研究，最后就整个系统的网络系统进行了简要讨论。

【关 键 词】水利调度系统；自动化；控制系统；功能

【中图分类号】TL503.6【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0241-01

推动水利工程向信息化、自动化方向发展是我国现代水利的发展要求。应用计算机技术、网络通信技术以及多种软硬件控制技术可以有效实现对水利相关信息进行实时监测和调控，进而完成整个水利调度系统的自动化控制。

1 自动控制系统硬件结构及性能特点分析

1.1 系统硬件结构

为满足多功能、多位置、全天候自动控制要求，应用于水利调度系统中的自动化控制系统通常由一个监控中心配合多个终端站通过B/S的架构方式实现。其中，监控中心配备运算能力较强的工业计算机和相关数据通信设备；终端站可以配备以PLC为核心或者单片机为核心的数据处理系统，同时配合使用多种传感器、数据采集设备、数据通信设备等实现与上位机的通信。为保证系统运行可靠性和数据准确性，应该在监控中心中配置UPS电源，在终端站配置蓄电池。系统可完成的功能有：（1）数据采集和指令执行，该部分功能由布置于水利调度系统终端的传感器与执行设备完成；（2）数据传输，该部分功能由各通信设备完成；（3）数据处理，该部分功能由监控中心的软硬件设备协作完成。

1.2 系统性能特点

水利调度系统通常由多个远端监测点组成一个网络平台，利用监控中心对平台各终端进行信息采集、数据处理以及决策制定。整个系统包括监控中心、数据采集子系统、视频监控子系统、通信子系统等几部分子系统，其特点如下：

（1） 扩展性能好。由于使用B/S三层结构分布式架构，系统若需要进行扩容只需要通过相应的扩容端口进行新接入设备部署即可，不需要进行大范围的系统调整。

（2） 实用性强。该系统的操作终端可以通过WEB浏览器等实现，方便管理人员不在监控中心时，通过远程访问的方式登录管理系统，根据权限进行系统设定和功能使用。

（3） 可管理性好。整个自动控制系统提供了完善的用户管理、系统配置、运行状态监测、历史记录等功能，利用这些功能可以简化作业流程，明确管理权限，为系统制定合理的运行策略，维持整个系统的稳定运行。同时历史记录等功能还可以对控制系统的每个操作进行记录，便于后期检索和系统修正，为警报或故障原因的查找提供数据支持。

（4） 数据精度高。由于采用了多种传感器设备对模拟量进行信息采集，故本自动控制系统可以将模拟信息转换为精确的数字信息，便于数据处理和分析。

2 各子系统功能实现

2.1 水利调度中心

应用自动控制系统可以实现水利调度中心的无人值守。具体实现方式为，在自动控制系统中对水费计收系统、水利信息采集系统、闸门监控系统、视频监控系统、数据库备份系统等不同系统中的参数进行设定，同时制定相应的执行策略，只有满足条件时，系统才会启动运行。通过上述操作可以对水资源使用用户进行水费计收；对水资源调度过程中的水位、流量、渠道污泥厚度等参数进行实时监测，并监测数据修正系统运行状态，如放水水量等；对闸门进行实时控制，只有满足开启条件时才能够开闸放水，当放水完毕后可以自动关闭闸门；对整个水利调度过程中的重点位置添加视频监控，确保水利调度的准确性和可靠性；对系统运行过程中产生的数据进行备份，以备后期检索和总结。

2.2 现场PLC控制系统

现场PLC控制系统主要安装在各支、斗渠的闸房内与启闭机电器控制柜进行连接，可以通过通信系统与上位机进行数据通信获取对闸门的控制指令，进而对闸位信息、电量电压信息、水位信息等进行控制，实现远程自动化操作。同时，为保证系统的可靠性，增强系统的灵活性，可以在现场PLC控制系统中添加现场控制开关，便于特殊情况下进行现场控制。

2.3 水利信息采集

自动控制系统运行的基础是对诸如水位、渠道流速等信息的实时采集和监测。这些信息可以通过安置于水利调度环境中的传感器和数据采集装置获得。采集获得的数据被传送到监控中心进行处理和运算，系统根据运算结果控制闸门状态、进行水费计收等。

需要说明的是，对水位信息的采集是通过水位传感器完成的，该传感器通常放置于测井中的测量筒中，但是需要根据实际情况进行零点调节和校正；对于流速信息的采集是通过流速仪及其相关装置完成的，测速装置应该选择超声波流速仪和超声波污泥厚度仪，以消除复杂水质和淤泥厚度对测量数据的影响。

2.4 视频监控

在执行水利调度任务时要求对重点检测位置进行24小时不间断监控，此时需要应用视频监控子系统。视频监控子系统中的监控相机可以对覆盖区域内的所有活动和环境变化进行图像采集，然后通过通信系统传递回监控中心，帮助监控中心管理人员对实际情况进行判断，进而根据判断结果制定操作策略。

2.5 数据通信

鉴于整个调度系统覆盖区域广泛，周边环境复杂，故在实现终端与控制中心通信时需要根据实际情况具体制定。在水源区域，对其进行的水利调度通过对闸门两侧的水位差进行控制实现的，故在该区域可以铺设有限通信网络，如光通信网络等进行数据通信。在灌溉区域通常自然环境较为恶劣，且不需要采集和显示多种数据，在该区域进行数据通信系统覆盖可以通过无线通信技术的方式实现。直接对无线通信模块进行通信设定即可完成数据的定时上传和下载，基本可以满足自动控制需求。

3 计算机网络系统设计

各子功能和硬件设备的运行离不开计算机网络系统的支持。为增强水利调度系统信息传输的实时性和准确性，可以应用光纤通信信道组建计算机网络系统。该系统基于快速以太网技术构建，可利用多种数据传输协议将不同监控地点和子监控中心连接成一个星状拓扑结构，特别是其高速光纤数据传输网络使得图像、影音、数据等信息在网络中的传输效率得到了大大提高。

整个网络可以分为三个层级。第一层级为核心层，该层中包含了所有与调度中心核心交换机连接的节点，负责整个水利调度系统的核心业务运营和数据管理。第二层为汇接层，该层中主要包含了具体的被控制和检测的对象，如闸门、水位计、PLC控制电路等，且每对象均具有独立的通信地址，便于指令和信息的发送与接收。第三层为外接层，该层主要通过公共接口或者开放接口与其他相关单位或企业进行网络对接，便于实现信息共享，提升信息的利用效率。

总之在水利调度系统中应用自动化控制系统是今后水利工程的必然发展方向。自动控制系统利用计算机技术和现代通信技术构建了一个完整的，可实时通信和信息共享的操作平台，利用该平台可以改善工作人员的工作环境，满足水利调度系统运行中的参数实时监控需求，为整个水利调度过程的自动化、智能化创造了有利条件，提升了整个系统运行的可靠性、稳定性以及精确性，具有非常实际的应用意义。

参考文献

[1] 陈宗琦.泵站自动化控制系统分析[J].城市建设理论研究（电子版），2012（8）

[2] 陈畅达.水利信息自动化问题的若干分析[J].网络导报·在线教育， 2012（10）

[3] 刘聪.远程自动化供水调度监控系统在农村的应用[J].中国水利， 2010（3）

[4] 刘俊，王强.三峡与葛洲坝两电站联合运行的发电调度[J].水力发电，2003，29（12）