一、行業(yè)背景
1.1．現(xiàn)狀
我國(guó)地形復(fù)雜，降雨多集中在夏季，且雨量大。由于歷史原因，防洪排澇管、渠網(wǎng)缺乏總體規(guī)劃，設(shè)施陳舊、閘站分散，主要靠人工觀察雨量和水情，人工控制閘門，手抄記錄數(shù)據(jù)，資料整理繁瑣，當(dāng)大潮、暴雨襲擊時(shí)，排澇往往顧此失彼，防洪排澇工作十分被動(dòng)。閘門作為水利系統(tǒng)基層工程之一在防洪抗災(zāi)中扮演了重要角色，在防洪、保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)等諸多方面都發(fā)揮了巨大的積極作用，但由于我國(guó)閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)比較落后，每年因防洪不利、排澇不及時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
1.2．需求分析
為了進(jìn)一步發(fā)揮泵站閘門的綜合利用效益 ,盡可能減少洪澇災(zāi)害的損失，提高調(diào)度管理的決策水平，建設(shè)閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng)必不可少。閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)所到達(dá)的閘門上/下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態(tài)與開度、圖像信息自動(dòng)化采集與傳輸，達(dá)到能夠在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制閘門啟閉以及閘門自動(dòng)控制和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)；通過實(shí)時(shí)圖像可以直觀了解閘門的運(yùn)行工況以及周邊環(huán)境。現(xiàn)場(chǎng)通過PLC來控制閘門啟閉設(shè)備，通過閘門開度儀實(shí)時(shí)確定閘門的開度，通過閘門荷重儀實(shí)時(shí)確定閘門荷重，并通過水文水利計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料，自動(dòng)設(shè)定閘門開度，提高自動(dòng)化控制程度，減少人工誤差。通過設(shè)立保護(hù)裝置，對(duì)執(zhí)行過程中發(fā)生的意外情況進(jìn)行及時(shí)處理。在閘門自動(dòng)化監(jiān)控中心結(jié)合遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人值守閘門自動(dòng)化控制。本文結(jié)合某市閘門控制的實(shí)際情況，采用力控科技自主開發(fā)的大型SCADA軟件ForceControl、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫pSpace建設(shè)大型閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng)。
二、河道閘門綜合管理系統(tǒng)方案
2.1 方案簡(jiǎn)介
結(jié)合該市具體情況，本著安全可靠的設(shè)計(jì)原則采用分散控制、分層管理、集中調(diào)度的設(shè)計(jì)原則，該閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng)由三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成，分為調(diào)度中心站、分中心站、閘門本地控制站。
調(diào)度中心站以河道堤防管理處為中心站，承擔(dān)著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的管理以及與上級(jí)市水利局聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)。中心站對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)閘站具有管理、調(diào)度控制權(quán)，并對(duì)閘控全過程和視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙視、遙測(cè)、遙調(diào)、遙控和“遙診”；沿堤設(shè)立的分中心站，完成對(duì)所控閘門(閘站)閘控和視頻監(jiān)視，并通過網(wǎng)絡(luò)向調(diào)度中心傳送各閘站的信息；各工作閘站為該網(wǎng)絡(luò)的終端，負(fù)責(zé)對(duì)各種數(shù)據(jù)的采集以及本地手動(dòng)/自動(dòng)控制功能。中心站、分中心站和閘站間通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)連接。全網(wǎng)計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)觀察各閘站閘門狀態(tài)和監(jiān)視視頻圖像畫面，并可進(jìn)行其他信息的傳輸和共享。
2.2方案設(shè)計(jì)原則
自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)符合國(guó)際開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，以分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)為主、常規(guī)設(shè)備控制為輔的監(jiān)控方式，并預(yù)留功能接口，以保證系統(tǒng)的擴(kuò)展、設(shè)備更新的可移植性。
? 實(shí)用性與先進(jìn)性
采用成熟的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)安全技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，力求與國(guó)際新技術(shù)同步。
? 開放性與標(biāo)準(zhǔn)化
采用開放的網(wǎng)絡(luò)體系，提供Base-API、COM-SDK、OPC Server、OlE DB、ODBC Router、.Net API、Java API等多種數(shù)據(jù)訪問方式，兼容國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件產(chǎn)品。
? 經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性
選用性價(jià)比高的軟件產(chǎn)品、通信設(shè)備，充分考慮易升級(jí)換代，且升級(jí)時(shí)可保護(hù)原有硬件設(shè)備和軟件的投資。
2.3系統(tǒng)網(wǎng)拓?fù)鋱D
閘門信息化管理系統(tǒng)根據(jù)功能分為：閘門信息化調(diào)度中心、閘門監(jiān)控分中心站、閘門本地控制站3個(gè)層次（如圖示）。
三、閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)控制站
閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)控制站通過各種傳感器等檢測(cè)設(shè)備，負(fù)責(zé)采集水情、工情、雨情、墑情、地理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)，以及沿線引水閘、節(jié)制閘、上下游水位、閘門開啟高度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)GPRS或光纖網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳回閘門監(jiān)控分中心站。
閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)控制室，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、可編程控制器、智能閘門測(cè)控儀、控制電器、邏輯保護(hù)電路、操作按鈕、狀態(tài)指示燈、電流電壓顯示表等組成，成套于一臺(tái)機(jī)柜內(nèi)，通過接線端子與閘位傳感器、荷重傳感器、機(jī)械限位、閉鎖保護(hù)、啟閉機(jī)電機(jī)、三相交流電源進(jìn)線等連接。監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl，通過PLC與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，通過動(dòng)態(tài)畫面、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等各種功能完成本地控制閘門。
閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)控制站具有以下功能：
1、顯示功能:數(shù)字顯示閘位、荷重、行程設(shè)定值、荷重兩極報(bào)警設(shè)定值、電網(wǎng)電壓、運(yùn)行電流等參數(shù)；提升、降落等各種運(yùn)行狀態(tài)指示。
2、參數(shù)設(shè)定:通過按鍵設(shè)定行程值、上下限位值、荷重兩級(jí)報(bào)警設(shè)定值等參數(shù)。
3、操作閘門：通過按鍵可提升、降落閘門到指定位置。
4、安全保護(hù)：具有數(shù)字電子限位、機(jī)械限位、負(fù)載過荷、工作超時(shí)、閘門啟閉機(jī)過電流、方式閉鎖等多重保護(hù)功能，確保閘門運(yùn)行安全可靠。
5、通訊功能:
?可遠(yuǎn)程修改參數(shù)，遵循最后一次有效原則；
?實(shí)時(shí)過程參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)上傳；
?接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控控制命令，精確提升、降落閘門到指定位置。
6、多種控制方式:
?手動(dòng)控制：在智能閘門測(cè)控儀、PLC、計(jì)算機(jī)等設(shè)備發(fā)生故障的情況下，可手動(dòng)提升、降落閘門。
?自動(dòng)控制：預(yù)置閘門行程設(shè)定值，可精確提升、降落閘門到指定位置。
?遠(yuǎn)程控制：接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控命令，精確提升、降落閘門到指定位置。
三種控制方式的優(yōu)先級(jí)依次是手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制。
四、閘門監(jiān)控分中心站
閘門監(jiān)控分中心站向下管理所屬區(qū)域的閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)控制站，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集與處理，并將匯集處理的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控管理中心，為監(jiān)控中心提供安全、可靠的數(shù)據(jù)。閘門監(jiān)控分中心站作為二級(jí)管理站一方面負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與閘門現(xiàn)場(chǎng)控制站的聯(lián)絡(luò)，另一方面又獨(dú)立于中心站，在與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以直接完成對(duì)所屬閘門的控制，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)采用分散控制、分層管理、統(tǒng)一調(diào)度的設(shè)計(jì)方案，減輕了監(jiān)控管理中的負(fù)擔(dān)。
閘門監(jiān)控分中心站負(fù)責(zé)監(jiān)控所屬閘門節(jié)制閘、進(jìn)水閘、分水閘的啟閉高度。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各級(jí)渠道的流量，并反饋給調(diào)度中心，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
閘門現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)由各泵站、變電站、水管站現(xiàn)場(chǎng)工作站及與之連接的各個(gè)現(xiàn)地監(jiān)控單元組成，以現(xiàn)場(chǎng)總線方式連接，閘門監(jiān)控分中心系統(tǒng)軟件采用力控FCPower電力電氣監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)。
力控電力電氣監(jiān)控組態(tài)軟件FCPower結(jié)合了通用組態(tài)軟件和電力專業(yè)技術(shù)，是使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)開發(fā)的專業(yè)電力系統(tǒng)自動(dòng)化組態(tài)軟件，適用于變電站綜合自動(dòng)化、電廠電氣監(jiān)控（ECS）、企業(yè)供配電自動(dòng)化、水電站綜合自動(dòng)化及樓宇配電自動(dòng)化等后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。
五、智能化調(diào)度中心
生產(chǎn)調(diào)度層主要由工程師站、工廠辦公室終端、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等組成。調(diào)度中心是整個(gè)閘門監(jiān)控信息化的核心，接收各分中心站上傳的各種信息，并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新、控制調(diào)節(jié)、操作指導(dǎo)及事故記錄和分析等。采集數(shù)據(jù)可周期性進(jìn)行，即在所有時(shí)間內(nèi)，由運(yùn)行操作人員或應(yīng)用程序下達(dá)命令采集任何一個(gè)現(xiàn)地控制單元的過程輸入信息。在智能化調(diào)度中心選用力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件pSpace，這是力控科技自主研發(fā)的大型工業(yè)數(shù)據(jù)庫，過程數(shù)據(jù)平臺(tái)選擇實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫pSpace，其優(yōu)點(diǎn)是灌區(qū)管理中心和各分中心平臺(tái)統(tǒng)一，采集接口豐富，可以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)源的采集；實(shí)時(shí)性高；可以存儲(chǔ)大批量的過程歷史數(shù)據(jù)；結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)庫可完成管理類數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。而單獨(dú)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對(duì)多種數(shù)據(jù)源（ACCESS、OPC、GPRS）的采集難以實(shí)現(xiàn)，基本不具備采集功能，對(duì)整體系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性有影響，并且實(shí)時(shí)性較差，閘門監(jiān)控管理中心和各分中心做不到無縫連接。
調(diào)度中心的客戶端軟件采用力控eForceCon，eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件構(gòu)成的控制系統(tǒng)是先進(jìn)的、分布式冗余、容錯(cuò)架構(gòu)，該產(chǎn)品采用分布式組件設(shè)計(jì)，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)多人協(xié)作與并行開發(fā)，軟件的可“伸縮性”非常強(qiáng)，適應(yīng)了“e”時(shí)代的要求，結(jié)合. NET平臺(tái)技術(shù)，集成web service技術(shù)，輕松構(gòu)建小區(qū)實(shí)時(shí)信息門戶，開發(fā)過程采用了先進(jìn)軟件工程方法，使產(chǎn)品品質(zhì)得到充分保證，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)避免了目前市場(chǎng)上各類軟件不是操作過于復(fù)雜就是功能過于簡(jiǎn)單的弊病。
強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持報(bào)警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲(chǔ)，恢復(fù)功能并增加聲音、郵件和短信報(bào)警通知方式，全新的多線程IO調(diào)度程序，使通訊效率更高、速度更快。
支持腳本在線調(diào)試，支持變量智能搜索，變量構(gòu)件模板保證快速生成網(wǎng)絡(luò)工程，支持多語言切換，保證多語言版本穩(wěn)定內(nèi)核，海外擴(kuò)展更方便，可以充當(dāng)力控小區(qū)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫pSpace的客戶端，與pSpace系統(tǒng)無縫集成，可以和地理信息系統(tǒng)（GIS）、ERP系統(tǒng)等諸多第三方軟件系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接與集成，支持PDA掌上終端和IE瀏覽器來訪問力控的WEB服務(wù)器。
5.1調(diào)度中心功能簡(jiǎn)介
5.1.1閘門優(yōu)化調(diào)度
閘門優(yōu)化調(diào)度主要內(nèi)容是當(dāng)洪水來臨時(shí)在確保閘門防洪安全的條件下，根據(jù)下游河道的泄洪能力，為灌溉用水提供支持，制定洪水調(diào)度計(jì)劃。利用計(jì)算機(jī)水文遙測(cè)系統(tǒng)提供的水文資料和壩體滲壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)于堤壩的安全參數(shù)作為閘門防洪的決策。完成對(duì)各泵站機(jī)組、各支斗口閘門、各變電站開關(guān)的遠(yuǎn)動(dòng)程序化操作控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站出水流量、閘門開度、水位高程的閉環(huán)調(diào)節(jié)調(diào)整，保證各類設(shè)施設(shè)備高效運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)各泵站、變電站、閘站“無人值班、少人值守”，從而大幅提高灌區(qū)運(yùn)行效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；可及時(shí)了解掌握各設(shè)施設(shè)備的安全動(dòng)態(tài)，自動(dòng)判斷設(shè)施設(shè)備的不正常工作狀態(tài)，準(zhǔn)確進(jìn)行故障及事故的緊急處置，減少事故的范圍及損失，提高灌區(qū)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
5.1.2辦公自動(dòng)化系統(tǒng)
根據(jù)閘門各辦公室職能分配其各自權(quán)限，在閘門信息化信息系統(tǒng)中對(duì)共享的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行查詢。通過局域網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)外設(shè)資源，如打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀等，實(shí)現(xiàn)文件共享服務(wù)、FTP文件傳輸服務(wù)、Email電子信箱服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布、局域網(wǎng)通訊服務(wù)等，可按信息化建設(shè)進(jìn)程分步實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)電算化、人事勞資管理、物資管理、公文流轉(zhuǎn)、財(cái)務(wù)電算化等。
5.1.3 Web綜合信息發(fā)布系統(tǒng)
閘門信息化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，又有信息相關(guān)性，通過設(shè)立一個(gè)中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，把各子系統(tǒng)中的信息經(jīng)過整理、提煉、挖掘后存放到數(shù)據(jù)庫中，減少了信息冗余度，并提高了信息的可靠性和科學(xué)性。采用Web綜合信息發(fā)布系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織成相應(yīng)的Web頁面發(fā)布信息，由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)頁面兩部分組成。靜態(tài)頁面是一些不變的信息，如工程概況、建筑物布置圖、系統(tǒng)構(gòu)成圖等，動(dòng)態(tài)頁面即把服務(wù)器中存放的數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)邏輯組織，以數(shù)據(jù)表格、圖形的方式顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)、直觀的效果。其中，Web綜合信息發(fā)布系統(tǒng)由下列內(nèi)容組成：
? 閘門工程概況
? 主要建筑物、儀器、設(shè)備圖片
? 閘門安全監(jiān)測(cè)儀器分布圖
? 閘門安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日?qǐng)?bào)表
? 閘門安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)月報(bào)表
? 閘門安全監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)空隙水壓力計(jì)水位過程線
? 壩體內(nèi)部水位浸潤(rùn)線
? 閘門氣象數(shù)據(jù)
? 降雨量分布和降雨量過程線
? 閘門報(bào)表和水位過程線
? 閘門電氣主接線圖
? 閘門系統(tǒng)配置圖
? 閘門事件記錄
? 閘門監(jiān)控報(bào)表查詢
? 圖像監(jiān)控瀏覽
5.1.4 與GIS系統(tǒng)的無縫集成
力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件具有豐富的組件接口，軟件可通過GIS組件實(shí)現(xiàn)與GIS系統(tǒng)無縫集成。GIS組件支持Mapinfo與ArcGIS的地圖文件格式，支持組件方式集成GIS-GPS的功能，利用腳本和VBA調(diào)用可充分互動(dòng)。利用力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件與GIS系統(tǒng)無縫集成能夠把灌區(qū)灌溉業(yè)務(wù)和水利防汛抗旱業(yè)務(wù)中的各種信息與反映空間位置的圖形信息有機(jī)地結(jié)合在一起，根據(jù)用戶的需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并提供決策支持。
5.1.5與視頻系統(tǒng)無縫集成
系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)，圖像質(zhì)量更高，更易于保存，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以遠(yuǎn)程傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制圖像等功能。
系統(tǒng)軟件可以提供強(qiáng)大的圖像處理功能，調(diào)節(jié)圖像的亮度和對(duì)比度等，即使在很低照明度的情況下，也能得到高質(zhì)量的被監(jiān)控對(duì)像的圖像，并且可以將圖像保存成通用格式，在專業(yè)圖像處理軟件中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的IT技術(shù)，基于SOA架構(gòu)、結(jié)合. NET平臺(tái)技術(shù)的力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件支持B/S和C/S混合模式，實(shí)現(xiàn)了與視頻監(jiān)控、多媒體無縫集成，數(shù)據(jù)和視頻有機(jī)結(jié)合。
六、總結(jié)
采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)監(jiān)控組態(tài)軟件力控eForceCon、力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫pSpace激勵(lì)數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、GIS等信息技術(shù)構(gòu)建大型閘門信息化系統(tǒng)，建設(shè)能夠掌握灌區(qū)雨情、工情、水情、墑情、災(zāi)情的信息基礎(chǔ)平臺(tái)和重點(diǎn)信息化應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了防洪、排澇和市區(qū)內(nèi)溝河系納潮沖污的自動(dòng)化集中監(jiān)控運(yùn)行管理，使分布廣泛的河道水閘運(yùn)行和管理可以通過遠(yuǎn)程調(diào)度控制實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)約了工程管理和運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了“少人值守”的要求，提升了閘門運(yùn)行的安全性、可靠性和科學(xué)管理水平，為江河水閘、城區(qū)防洪排澇工程遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)化集中控制提供了很好的借鑒。
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