排灌工程自动监控系统的设计与实现

1、排灌工程自动监控系统的设计与实现      摘 要：排灌工程主要由水闸、船闸、泵站组成，在防治水害、保证人民生命财产的安全以及工农业用水方面发挥着巨大作用。为充分发挥其巨大工程效益，必须对排灌工程采用现代化的管理方法和技术，取消常规的电气控制，建立先进的自动控制系统，提高工程的安全性、可靠性，促进工程管理的科学化、现代化，对于确保社会经济的可持续发展具有重大意义。关键词：现地控制单元  计算机监控图像监视  预定程序  1  引言随着人们对安全防护和用水需求不断提高，闸门和泵站运行管理方案的实施与监督工作

2、的难度也越来越大。必须加强对堤围闸门和泵站的监督管理，利用现代先进的传感器技术、电子技术、计算机网络与通信技术，实现对堤围闸门和泵站的远程自动监控。传统人工操作闸门和泵组的排灌方式效率低下，已不能满足社会可持续发展，也不便于进行统一调度、管理和决策。而建立排灌工程计算机监控系统和图像监视系统以后，可以实现真正意义的集中调度、管理和决策，从而可以对防治水害，加强水资源统一管理，降低运行成本，保障经济可持续发展具有深远影响。2  自动监控系统的工作过程图2.1计算机监控系统工作过程示意图自动监控系统的工作过程为采集、传输、处理、显示4个过程。见图2.1。这4个工作过程是接受控制来完成各自

3、工作的。(1)采集：是把现地站的各种与控制有关的信号和图像信号采集下来，转换成为数字和电图像信号传输到调度中心去。(2)传输和处理：每个现地站采集到的各种数据和图像信号需要传输到远端调度中心去处理和显示。这是一个要求透明的、信号无失真的传输过程，对于图像信号传输来说，由于对于较大距离传输模拟图像信号会造成图像质量恶化的。通常先将模拟图像信号处理成为数字图像信号后，以数字图像信号的方式接入到线路上去进行传输，然后在调度中心再将这个数字图像信号处理和还原成为模拟的图像信号后显示到视频监视器上。通常采用TCP/IP协议的以太网传输方式进行传输。(3)显示和控制：通常传输到终端的数据和图像信号，都要求

4、进行处理和显示，再根据要求对于远端现地站的设备进行控制。所以在上述的采集、传输、处理和显示的过程中，都是通过接收控制单元的操作来完成的。主要完成对排灌工程的控制和管理。3  系统总体结构整个自动监控系统采用分层分布式系统结构，分调度中心层、闸站级控制层、现地控制单元（LCU）层和设备层。主要由调度中心计算机监控和图像监视系统及闸门和泵站现地计算机监控和图像监视系统，系统总体结构如图2.1所示。2.1系统总体结构图自动监控系统从总体结构上是一个四层结构：包括调度中心层、站级控制层、现地控制单元（LCU）层和设备层。(1)调度中心层:调度中心层负责对整个系统的监控管理，包括电机和泵运行控

5、制、闸门启闭控制、用户管理、用户权限管理、控制优先级管理、视频服务管理、网络配置管理、设备配置管理等管理功能。系统采用集中管理的管理模式，由调度中心负责。(2)闸站级控制层:闸站级控制层负责对整个工程的监控管理，包括闸门启闭控制、泵运行控制等功能。系统由各闸、泵站的现地控制单元层负责。(3)现地控制单元层:现地控制单元层主要由闸门和泵站现地可编程控制器PLC、云台解码器等构成。PLC连接的现场设备包括闸位计、水位计、电机和继电器等现场监测和控制设备，完成对电机、水泵、闸位、水位、泵站环境参数的采集，并根据远程控制命令实现对整个工程和照明设备等的控制。通过云台解码器控制摄像机云台、镜头变焦和雨刷

6、等。(4)设备层:设备层负责完成信息的采集，并根据控制指令控制闸门启闭、水泵运行及摄像机的控制。现场设备包括闸门主设备、泵组主设备、闸位计、水位计、行程开关、指示灯、传感器、云台、摄像机、以及照明设施等。4  自动控制过程本自动控制系统有两种控制方式，一种是闭环操作，一种是开环操作。闭环操作是现地控制单元（LCU）采集设备层的电机、水泵、闸位、水位、泵站环境参数，通过网络一方面送到闸站级控制层的监控终端，供闸站级控制层监视用，另一方面送到调度中心的主机，调度中心根据同一水系各排灌工程的联合调度控制程序，直接向现地控制单元（LCU）的PLC下达执行控制指令，PLC接收执行指令，进行合法

7、性判别，确认设备层无误后自动完成此控制指令的执行，并把执行结果通过网络上报给闸站级控制层和调度中心的监控终端；开环操作是现地控制单元（LCU）采集设备层的电机、水泵、闸位、水位、泵站环境参数和图象，通过网络送到闸站级控制层的监控终端，由监控终端把信息处理后送到调度中心的主机，调度中心根据同一水系各排灌工程的联合调度控制程序，向闸站级监控终端发布监控指令，闸站级监控终端接受指令后，根据图象监视情况，进行确认，确认无误后，闸站级监控终端向现地控制单元（LCU）的PLC下达执行控制指令，PLC接收执行指令，进行合法性判别，同时确认设备层无误后，PLC自动完成此控制指令的功能，并把执行结果，上报给闸站

8、级控制层的监控终端。闸站级控制层的监控终端再把指令执行结果，通过网络上传给调度中心的监控终端。5  系统主要功能系统是对排灌工程进行自动控制和管理，根据运行管理的实际需要，本系统具有如下主要功能：（1）计算机监控功能现地控制单元(LCU)核心是可编程控制器（PLC），PLC实时采集堤围闸门和泵站的电机和水泵状态、闸前闸后水位及闸门闸位（即开启高度）等信息；调度中心按照预定调度方案计算出内外江控制水位，确定泵组启停情况，通过PLC自动实现控制操作，一种方法是闭环操作：根据计算结果，自动完成控制操作；另一种方法是开环操作：运行人员根据屏幕上显示的结果，确认无误后，通过人机接口向现地控制单

9、元发布控制命令，PLC自动完成控制和闸门的启闭操作；系统具有严格的闭锁措施，只有当高一级的控制权释放时，次一级控制层才具有控制权限。现地手动层控制权限最高，现地控制层次之，集中控制层最低；日常控制操作以集中控制为主，工作站运行组态软件，实现整个系统监视和控制。（2）图像监视功能调度中心、通过网络能够对排灌工程的闸门、闸前、闸后、闸室和泵站的泵组、泵房、进出口水池等的情况进行实时图像远程监视， （3）网络通讯功能： PLC通过TCP/IP和现场工作站及调度中心连接，实现与闸站级控制层和远程调度中心的数据通信。整个网络采用自愈环型网络设计，保证系统各个设备之间的数据和控制指令的可靠送达。6

10、0; 结束语排灌工程按照“无人值班、少人值守”的目标进行设计，实现对闸门和泵站进行控制和管理，系统能实时采集堤围闸门和泵站的电机和水泵状态、闸前、闸后水位及闸门闸位（即开启高度）等信息；实现闸门和泵站现地自动监控和调度中心实时远程监控功能。堤围闸门和泵站，能根据调度中心和现地控制单元的命令对水泵进行自动控制和闸门的启闭操作；在充分考虑安全性和可靠性的前提下，实现机组信息的实时采集及相关环境及泵站管理情况的实时监控。参考文献1 蒋本雨.压力传感器参数确定.   传感器世界.  1999.122 夏德黔.自动控制理论. 机械工业出版社. 1989 3 徐薇莉、曹柱中、田作华. 自动控制理论与设计.上海交大出版社. 19984 胡寿松主编.自动控制理论.国防工业出版社.19945 卢伯英、于海英译.现代控制工程.电子工业出版社.20006 Richard.c.Dorf 等.Modern Control Sy