排灌工程自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、排灌工程自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)      摘 要：排灌工程主要由水閘、船閘、泵站組成，在防治水害、保證人民生命財產(chǎn)的安全以及工農(nóng)業(yè)用水方面發(fā)揮著巨大作用。為充分發(fā)揮其巨大工程效益，必須對排灌工程采用現(xiàn)代化的管理方法和技術(shù)，取消常規(guī)的電氣控制，建立先進的自動控制系統(tǒng)，提高工程的安全性、可靠性，促進工程管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化，對于確保社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。關(guān)鍵詞：現(xiàn)地控制單元  計算機監(jiān)控圖像監(jiān)視  預(yù)定程序  1  引言隨著人們對安全防護和用水需求不斷提高，閘門和泵站運行管理方案的實施與監(jiān)督工作

2、的難度也越來越大。必須加強對堤圍閘門和泵站的監(jiān)督管理，利用現(xiàn)代先進的傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，實現(xiàn)對堤圍閘門和泵站的遠程自動監(jiān)控。傳統(tǒng)人工操作閘門和泵組的排灌方式效率低下，已不能滿足社會可持續(xù)發(fā)展，也不便于進行統(tǒng)一調(diào)度、管理和決策。而建立排灌工程計算機監(jiān)控系統(tǒng)和圖像監(jiān)視系統(tǒng)以后，可以實現(xiàn)真正意義的集中調(diào)度、管理和決策，從而可以對防治水害，加強水資源統(tǒng)一管理，降低運行成本，保障經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有深遠影響。2  自動監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程圖2.1計算機監(jiān)控系統(tǒng)工作過程示意圖自動監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程為采集、傳輸、處理、顯示4個過程。見圖2.1。這4個工作過程是接受控制來完成各自

3、工作的。(1)采集：是把現(xiàn)地站的各種與控制有關(guān)的信號和圖像信號采集下來，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字和電圖像信號傳輸?shù)秸{(diào)度中心去。(2)傳輸和處理：每個現(xiàn)地站采集到的各種數(shù)據(jù)和圖像信號需要傳輸?shù)竭h端調(diào)度中心去處理和顯示。這是一個要求透明的、信號無失真的傳輸過程，對于圖像信號傳輸來說，由于對于較大距離傳輸模擬圖像信號會造成圖像質(zhì)量惡化的。通常先將模擬圖像信號處理成為數(shù)字圖像信號后，以數(shù)字圖像信號的方式接入到線路上去進行傳輸，然后在調(diào)度中心再將這個數(shù)字圖像信號處理和還原成為模擬的圖像信號后顯示到視頻監(jiān)視器上。通常采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸方式進行傳輸。(3)顯示和控制：通常傳輸?shù)浇K端的數(shù)據(jù)和圖像信號，都要求

4、進行處理和顯示，再根據(jù)要求對于遠端現(xiàn)地站的設(shè)備進行控制。所以在上述的采集、傳輸、處理和顯示的過程中，都是通過接收控制單元的操作來完成的。主要完成對排灌工程的控制和管理。3  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)整個自動監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分調(diào)度中心層、閘站級控制層、現(xiàn)地控制單元（LCU）層和設(shè)備層。主要由調(diào)度中心計算機監(jiān)控和圖像監(jiān)視系統(tǒng)及閘門和泵站現(xiàn)地計算機監(jiān)控和圖像監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖自動監(jiān)控系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上是一個四層結(jié)構(gòu)：包括調(diào)度中心層、站級控制層、現(xiàn)地控制單元（LCU）層和設(shè)備層。(1)調(diào)度中心層:調(diào)度中心層負責(zé)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理，包括電機和泵運行控

5、制、閘門啟閉控制、用戶管理、用戶權(quán)限管理、控制優(yōu)先級管理、視頻服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)配置管理、設(shè)備配置管理等管理功能。系統(tǒng)采用集中管理的管理模式，由調(diào)度中心負責(zé)。(2)閘站級控制層:閘站級控制層負責(zé)對整個工程的監(jiān)控管理，包括閘門啟閉控制、泵運行控制等功能。系統(tǒng)由各閘、泵站的現(xiàn)地控制單元層負責(zé)。(3)現(xiàn)地控制單元層:現(xiàn)地控制單元層主要由閘門和泵站現(xiàn)地可編程控制器PLC、云臺解碼器等構(gòu)成。PLC連接的現(xiàn)場設(shè)備包括閘位計、水位計、電機和繼電器等現(xiàn)場監(jiān)測和控制設(shè)備，完成對電機、水泵、閘位、水位、泵站環(huán)境參數(shù)的采集，并根據(jù)遠程控制命令實現(xiàn)對整個工程和照明設(shè)備等的控制。通過云臺解碼器控制攝像機云臺、鏡頭變焦和雨刷

6、等。(4)設(shè)備層:設(shè)備層負責(zé)完成信息的采集，并根據(jù)控制指令控制閘門啟閉、水泵運行及攝像機的控制?，F(xiàn)場設(shè)備包括閘門主設(shè)備、泵組主設(shè)備、閘位計、水位計、行程開關(guān)、指示燈、傳感器、云臺、攝像機、以及照明設(shè)施等。4  自動控制過程本自動控制系統(tǒng)有兩種控制方式，一種是閉環(huán)操作，一種是開環(huán)操作。閉環(huán)操作是現(xiàn)地控制單元（LCU）采集設(shè)備層的電機、水泵、閘位、水位、泵站環(huán)境參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)一方面送到閘站級控制層的監(jiān)控終端，供閘站級控制層監(jiān)視用，另一方面送到調(diào)度中心的主機，調(diào)度中心根據(jù)同一水系各排灌工程的聯(lián)合調(diào)度控制程序，直接向現(xiàn)地控制單元（LCU）的PLC下達執(zhí)行控制指令，PLC接收執(zhí)行指令，進行合法

7、性判別，確認設(shè)備層無誤后自動完成此控制指令的執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上報給閘站級控制層和調(diào)度中心的監(jiān)控終端；開環(huán)操作是現(xiàn)地控制單元（LCU）采集設(shè)備層的電機、水泵、閘位、水位、泵站環(huán)境參數(shù)和圖象，通過網(wǎng)絡(luò)送到閘站級控制層的監(jiān)控終端，由監(jiān)控終端把信息處理后送到調(diào)度中心的主機，調(diào)度中心根據(jù)同一水系各排灌工程的聯(lián)合調(diào)度控制程序，向閘站級監(jiān)控終端發(fā)布監(jiān)控指令，閘站級監(jiān)控終端接受指令后，根據(jù)圖象監(jiān)視情況，進行確認，確認無誤后，閘站級監(jiān)控終端向現(xiàn)地控制單元（LCU）的PLC下達執(zhí)行控制指令，PLC接收執(zhí)行指令，進行合法性判別，同時確認設(shè)備層無誤后，PLC自動完成此控制指令的功能，并把執(zhí)行結(jié)果，上報給閘站

8、級控制層的監(jiān)控終端。閘站級控制層的監(jiān)控終端再把指令執(zhí)行結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)上傳給調(diào)度中心的監(jiān)控終端。5  系統(tǒng)主要功能系統(tǒng)是對排灌工程進行自動控制和管理，根據(jù)運行管理的實際需要，本系統(tǒng)具有如下主要功能：（1）計算機監(jiān)控功能現(xiàn)地控制單元(LCU)核心是可編程控制器（PLC），PLC實時采集堤圍閘門和泵站的電機和水泵狀態(tài)、閘前閘后水位及閘門閘位（即開啟高度）等信息；調(diào)度中心按照預(yù)定調(diào)度方案計算出內(nèi)外江控制水位，確定泵組啟停情況，通過PLC自動實現(xiàn)控制操作，一種方法是閉環(huán)操作：根據(jù)計算結(jié)果，自動完成控制操作；另一種方法是開環(huán)操作：運行人員根據(jù)屏幕上顯示的結(jié)果，確認無誤后，通過人機接口向現(xiàn)地控制單

9、元發(fā)布控制命令，PLC自動完成控制和閘門的啟閉操作；系統(tǒng)具有嚴格的閉鎖措施，只有當高一級的控制權(quán)釋放時，次一級控制層才具有控制權(quán)限?，F(xiàn)地手動層控制權(quán)限最高，現(xiàn)地控制層次之，集中控制層最低；日?？刂撇僮饕约锌刂茷橹?，工作站運行組態(tài)軟件，實現(xiàn)整個系統(tǒng)監(jiān)視和控制。（2）圖像監(jiān)視功能調(diào)度中心、通過網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ε殴喙こ痰拈l門、閘前、閘后、閘室和泵站的泵組、泵房、進出口水池等的情況進行實時圖像遠程監(jiān)視， （3）網(wǎng)絡(luò)通訊功能： PLC通過TCP/IP和現(xiàn)場工作站及調(diào)度中心連接，實現(xiàn)與閘站級控制層和遠程調(diào)度中心的數(shù)據(jù)通信。整個網(wǎng)絡(luò)采用自愈環(huán)型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，保證系統(tǒng)各個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和控制指令的可靠送達。6

10、0; 結(jié)束語排灌工程按照“無人值班、少人值守”的目標進行設(shè)計，實現(xiàn)對閘門和泵站進行控制和管理，系統(tǒng)能實時采集堤圍閘門和泵站的電機和水泵狀態(tài)、閘前、閘后水位及閘門閘位（即開啟高度）等信息；實現(xiàn)閘門和泵站現(xiàn)地自動監(jiān)控和調(diào)度中心實時遠程監(jiān)控功能。堤圍閘門和泵站，能根據(jù)調(diào)度中心和現(xiàn)地控制單元的命令對水泵進行自動控制和閘門的啟閉操作；在充分考慮安全性和可靠性的前提下，實現(xiàn)機組信息的實時采集及相關(guān)環(huán)境及泵站管理情況的實時監(jiān)控。參考文獻1 蔣本雨.壓力傳感器參數(shù)確定.   傳感器世界.  1999.122 夏德黔.自動控制理論. 機械工業(yè)出版社. 1989 3 徐薇莉、曹柱中、田作華. 自動控制理論與設(shè)計.上海交大出版社. 19984 胡壽松主編.自動控制理論.國防工業(yè)出版社.19945 盧伯英、于海英譯.現(xiàn)代控制工程.電子工業(yè)出版社.20006 Richard.c.Dorf 等.Modern Control Sy