一、行業(yè)背景

1.1．現(xiàn)狀

我國地形復雜，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，當大潮、暴雨襲擊時，排澇往往顧此失彼，防洪排澇工作十分被動。閘門作為水利系統(tǒng)基層工程之一在防洪抗災中扮演了重要角色，在防洪、保護工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全以及環(huán)境保護等諸多方面都發(fā)揮了巨大的積極作用，但由于我國閘門綜合自動化監(jiān)控技術(shù)比較落后，每年因防洪不利、排澇不及時造成巨大的經(jīng)濟損失。

1.2．需求分析

為了進一步發(fā)揮泵站閘門的綜合利用效益 ,盡可能減少洪澇災害的損失，提高調(diào)度管理的決策水平，建設閘門綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)必不可少。閘門綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)檢測所到達的閘門上/下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態(tài)與開度、圖像信息自動化采集與傳輸，達到能夠在監(jiān)控中心遠程控制閘門啟閉以及閘門自動控制和系統(tǒng)聯(lián)動；通過實時圖像可以直觀了解閘門的運行工況以及周邊環(huán)境?，F(xiàn)場通過PLC來控制閘門啟閉設備，通過閘門開度儀實時確定閘門的開度，通過閘門荷重儀實時確定閘門荷重，并通過水文水利計算，根據(jù)實測水文資料，自動設定閘門開度，提高自動化控制程度，減少人工誤差。通過設立保護裝置，對執(zhí)行過程中發(fā)生的意外情況進行及時處理。在閘門自動化監(jiān)控中心結(jié)合遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人值守閘門自動化控制。本文結(jié)合某市閘門控制的實際情況，采用力控科技自主開發(fā)的大型SCADA軟件ForceControl、實時數(shù)據(jù)庫pSpace建設大型閘門綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)。

二、河道閘門綜合管理系統(tǒng)方案

2.1 方案簡介

結(jié)合該市具體情況，本著安全可靠的設計原則采用分散控制、分層管理、集中調(diào)度的設計原則，該閘門綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)由三級網(wǎng)絡組成，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，承擔著計算機網(wǎng)絡的管理以及與上級市水利局聯(lián)網(wǎng)的任務。中心站對整個系統(tǒng)各個閘站具有管理、調(diào)度控制權(quán)，并對閘控全過程和視頻圖像進行實時監(jiān)視，實現(xiàn)遠程遙視、遙測、遙調(diào)、遙控和“遙診”；沿堤設立的分中心站，完成對所控閘門(閘站)閘控和視頻監(jiān)視，并通過網(wǎng)絡向調(diào)度中心傳送各閘站的信息；各工作閘站為該網(wǎng)絡的終端，負責對各種數(shù)據(jù)的采集以及本地手動/自動控制功能。中心站、分中心站和閘站間通過光纖或無線網(wǎng)絡連接。全網(wǎng)計算機可實時觀察各閘站閘門狀態(tài)和監(jiān)視視頻圖像畫面，并可進行其他信息的傳輸和共享。

2.2方案設計原則

自動監(jiān)控系統(tǒng)符合國際開放系統(tǒng)標準，以分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)為主、常規(guī)設備控制為輔的監(jiān)控方式，并預留功能接口，以保證系統(tǒng)的擴展、設備更新的可移植性。

? 實用性與先進性

采用成熟的自動化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、計算機安全技術(shù)及計算機網(wǎng)絡等技術(shù)，力求與國際新技術(shù)同步。

? 開放性與標準化

采用開放的網(wǎng)絡體系，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，兼容國際化標準的軟硬件產(chǎn)品。

? 經(jīng)濟性和可擴展性

選用性價比高的軟件產(chǎn)品、通信設備，充分考慮易升級換代，且升級時可保護原有硬件設備和軟件的投資。

2.3系統(tǒng)網(wǎng)拓撲圖

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個層次（如圖示）。

三、閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場控制站

閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場控制站通過各種傳感器等檢測設備，負責采集水情、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、設備運行狀態(tài)等參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡GPRS或光纖網(wǎng)絡將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳回閘門監(jiān)控分中心站。

閘門數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場控制室，由監(jiān)控計算機、可編程控制器、智能閘門測控儀、控制電器、邏輯保護電路、操作按鈕、狀態(tài)指示燈、電流電壓顯示表等組成，成套于一臺機柜內(nèi)，通過接線端子與閘位傳感器、荷重傳感器、機械限位、閉鎖保護、啟閉機電機、三相交流電源進線等連接。監(jiān)控計算機運行力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl，通過PLC與現(xiàn)場智能儀表完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，通過動態(tài)畫面、實時曲線、數(shù)據(jù)報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、行程設定值、荷重兩極報警設定值、電網(wǎng)電壓、運行電流等參數(shù)；提升、降落等各種運行狀態(tài)指示。

2、參數(shù)設定:通過按鍵設定行程值、上下限位值、荷重兩級報警設定值等參數(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：具有數(shù)字電子限位、機械限位、負載過荷、工作超時、閘門啟閉機過電流、方式閉鎖等多重保護功能，確保閘門運行安全可靠。

5、通訊功能:

?可遠程修改參數(shù)，遵循最后一次有效原則；

?實時過程參數(shù)、運行狀態(tài)上傳；

?接收并執(zhí)行遠程遙控控制命令，精確提升、降落閘門到指定位置。

6、多種控制方式:

?手動控制：在智能閘門測控儀、PLC、計算機等設備發(fā)生故障的情況下，可手動提升、降落閘門。

?自動控制：預置閘門行程設定值，可精確提升、降落閘門到指定位置。

?遠程控制：接收并執(zhí)行遠程遙控命令，精確提升、降落閘門到指定位置。

三種控制方式的優(yōu)先級依次是手動控制、自動控制、遠程控制。

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)場控制站，進行數(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管理站一方面負責監(jiān)控中心與閘門現(xiàn)場控制站的聯(lián)絡，另一方面又獨立于中心站，在與監(jiān)控中心網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，可以直接完成對所屬閘門的控制，保證整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。整個系統(tǒng)采用分散控制、分層管理、統(tǒng)一調(diào)度的設計方案，減輕了監(jiān)控管理中的負擔。

閘門監(jiān)控分中心站負責監(jiān)控所屬閘門節(jié)制閘、進水閘、分水閘的啟閉高度。同時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測各級渠道的流量，并反饋給調(diào)度中心，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閘門現(xiàn)場測控網(wǎng)由各泵站、變電站、水管站現(xiàn)場工作站及與之連接的各個現(xiàn)地監(jiān)控單元組成，以現(xiàn)場總線方式連接，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)，是使用先進的計算機軟件編程技術(shù)開發(fā)的專業(yè)電力系統(tǒng)自動化組態(tài)軟件，適用于變電站綜合自動化、電廠電氣監(jiān)控（ECS）、企業(yè)供配電自動化、水電站綜合自動化及樓宇配電自動化等后臺監(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、辦公自動化系統(tǒng)等組成。調(diào)度中心是整個閘門監(jiān)控信息化的核心，接收各分中心站上傳的各種信息，并存入實時數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新、控制調(diào)節(jié)、操作指導及事故記錄和分析等。采集數(shù)據(jù)可周期性進行，即在所有時間內(nèi)，由運行操作人員或應用程序下達命令采集任何一個現(xiàn)地控制單元的過程輸入信息。在智能化調(diào)度中心選用力控實時數(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)平臺選擇實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace，其優(yōu)點是灌區(qū)管理中心和各分中心平臺統(tǒng)一，采集接口豐富，可以適應不同數(shù)據(jù)源的采集；實時性高；可以存儲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。而單獨采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對多種數(shù)據(jù)源（ACCESS、OPC、GPRS）的采集難以實現(xiàn)，基本不具備采集功能，對整體系統(tǒng)的兼容性和擴展性有影響，并且實時性較差，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)是先進的、分布式冗余、容錯架構(gòu)，該產(chǎn)品采用分布式組件設計，適應網(wǎng)絡多人協(xié)作與并行開發(fā)，軟件的可“伸縮性”非常強，適應了“e”時代的要求，結(jié)合. NET平臺技術(shù)，集成web service技術(shù)，輕松構(gòu)建小區(qū)實時信息門戶，開發(fā)過程采用了先進軟件工程方法，使產(chǎn)品品質(zhì)得到充分保證，該產(chǎn)品的設計避免了目前市場上各類軟件不是操作過于復雜就是功能過于簡單的弊病。

強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡數(shù)據(jù)斷線存儲，恢復功能并增加聲音、郵件和短信報警通知方式，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，海外擴展更方便，可以充當力控小區(qū)實時歷史數(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服務器。

5.1調(diào)度中心功能簡介

5.1.1閘門優(yōu)化調(diào)度

閘門優(yōu)化調(diào)度主要內(nèi)容是當洪水來臨時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)度計劃。利用計算機水文遙測系統(tǒng)提供的水文資料和壩體滲壓自動監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)于堤壩的安全參數(shù)作為閘門防洪的決策。完成對各泵站機組、各支斗口閘門、各變電站開關(guān)的遠動程序化操作控制，實現(xiàn)對泵站出水流量、閘門開度、水位高程的閉環(huán)調(diào)節(jié)調(diào)整，保證各類設施設備高效運行，基本實現(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)運行效率，降低工人勞動強度；可及時了解掌握各設施設備的安全動態(tài)，自動判斷設施設備的不正常工作狀態(tài)，準確進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)運行的可靠性和經(jīng)濟性。

5.1.2辦公自動化系統(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)中對共享的數(shù)據(jù)分別進行查詢。通過局域網(wǎng)絡共享系統(tǒng)外設資源，如打印機、掃描儀、數(shù)字化儀等，實現(xiàn)文件共享服務、FTP文件傳輸服務、Email電子信箱服務、網(wǎng)絡信息發(fā)布、局域網(wǎng)通訊服務等，可按信息化建設進程分步實現(xiàn)財務電算化、人事勞資管理、物資管理、公文流轉(zhuǎn)、財務電算化等。

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)之間相互獨立，又有信息相關(guān)性，通過設立一個中心數(shù)據(jù)庫服務器，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)組織成相應的Web頁面發(fā)布信息，由靜態(tài)和動態(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，動態(tài)頁面即把服務器中存放的數(shù)據(jù)按照業(yè)務邏輯組織，以數(shù)據(jù)表格、圖形的方式顯示，達到實時、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、設備圖片

? 閘門安全監(jiān)測儀器分布圖

? 閘門安全監(jiān)測數(shù)據(jù)日報表

? 閘門安全監(jiān)測數(shù)據(jù)月報表

? 閘門安全監(jiān)測各測點空隙水壓力計水位過程線

? 壩體內(nèi)部水位浸潤線

? 閘門氣象數(shù)據(jù)

? 降雨量分布和降雨量過程線

? 閘門報表和水位過程線

? 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。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)務和水利防汛抗旱業(yè)務中的各種信息與反映空間位置的圖形信息有機地結(jié)合在一起，根據(jù)用戶的需要對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，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)絡設備可以遠程傳輸圖像，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、遠程控制圖像等功能。

系統(tǒng)軟件可以提供強大的圖像處理功能，調(diào)節(jié)圖像的亮度和對比度等，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)圖像處理軟件中進行進一步處理。

結(jié)合當前先進的IT技術(shù)，基于SOA架構(gòu)、結(jié)合. NET平臺技術(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)和視頻有機結(jié)合。

 六、總結(jié)

采用國內(nèi)先進監(jiān)控組態(tài)軟件力控eForceCon、力控實時數(shù)據(jù)庫pSpace激勵數(shù)據(jù)平臺，利用自動控制、網(wǎng)絡通信、計算機、GIS等信息技術(shù)構(gòu)建大型閘門信息化系統(tǒng)，建設能夠掌握灌區(qū)雨情、工情、水情、墑情、災情的信息基礎平臺和重點信息化應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了防洪、排澇和市區(qū)內(nèi)溝河系納潮沖污的自動化集中監(jiān)控運行管理，使分布廣泛的河道水閘運行和管理可以通過遠程調(diào)度控制實現(xiàn)，大大節(jié)約了工程管理和運行成本，實現(xiàn)了“少人值守”的要求，提升了閘門運行的安全性、可靠性和科學管理水平，為江河水閘、城區(qū)防洪排澇工程遠程計算機自動化集中控制提供了很好的借鑒。