探索水利信息化中的自动化监控
zjg728
zjg728 Lv.9
2007年08月01日 14:30:05
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摘要:工程自动化监控是水利信息管理系统的重要组成部分,是水利工程实时数据采集和实现远程遥控的唯一途径。本文从系统总体结构、通信网络、中央监控软件、现场控制器、水雨情监测、水工安全监测和图像信息采集几个方面,探讨如何建设完善的工程自动化监控系统,更好地为现代水利信息化服务。引言水利是一个信息密集型行业,一方面水利部门要向各级政府和相关行业及时提供大量的水利信息,包括水文水资源、水环境和水工程的信息,洪涝干旱的灾情信息,防灾减灾的预测和对策信息等,为国民经济和社会发展服务。另一方面,水利建设也离不开相关行业的信息支持,包括流域区域社会经济状况、生态环境、天文气象、地球物理、地质灾害等信息。同时,汛情的瞬息万变,要使领导能把握全局、科学决策,更需要全面、实时和准确的信息。在2002年初水利信息化座谈会上,水利部就已经明确了信息化工作任务,制定了《金水工程“十五”计划及到2010年规划纲要》,各级水利部门也充分行动起来,制定了相关措施。在工程自动化监控方面,广东省提出了“把工程自动化监控等信息管理系统建设作为水利工程建设的组成部分,与新建、改建和扩建工程同步规划、同步审查、同步实施的”三同步“制度”,广州市提出要“建立符合广州特点的工程监控系统”。


摘要:工程自动化监控是水利信息管理系统的重要组成部分,是水利工程实时数据采集和实现远程遥控的唯一途径。本文从系统总体结构、通信网络、中央监控软件、现场控制器、水雨情监测、水工安全监测和图像信息采集几个方面,探讨如何建设完善的工程自动化监控系统,更好地为现代水利信息化服务。

引言

水利是一个信息密集型行业,一方面水利部门要向各级政府和相关行业及时提供大量的水利信息,包括水文水资源、水环境和水工程的信息,洪涝干旱的灾情信息,防灾减灾的预测和对策信息等,为国民经济和社会发展服务。另一方面,水利建设也离不开相关行业的信息支持,包括流域区域社会经济状况、生态环境、天文气象、地球物理、地质灾害等信息。同时,汛情的瞬息万变,要使领导能把握全局、科学决策,更需要全面、实时和准确的信息。在2002年初水利信息化座谈会上,水利部就已经明确了信息化工作任务,制定了《金水工程“十五”计划及到2010年规划纲要》,各级水利部门也充分行动起来,制定了相关措施。在工程自动化监控方面,广东省提出了“把工程自动化监控等信息管理系统建设作为水利工程建设的组成部分,与新建、改建和扩建工程同步规划、同步审查、同步实施的”三同步“制度”,广州市提出要“建立符合广州特点的工程监控系统”。

工程自动化监控是水利工程信息系统的重要组成部分,是水利工程实时数据获取的唯一手段,在数据安全的保证下实现远程遥控也是自动化监控的主要内容之一。自动化监控将防汛指挥远程调度提高到秒级,可以及时地获得工程的实时运行工况、实时安全信息和实时图像信息,也可以实时远程调度;这一切归功于科技和信息化的迅猛发展,以及先进的工业控制技术在水利行业的成功应用。

但是水利行业自动化监控目前无明确的设计技术规范,且涉及自动控制、计算机技术、电子技术、通信技术、图像处理技术、水利等多专业,设计人员一般按照自己的理解进行设计,很多问题在设计阶段不明确,给系统实施后的运行带来了很多问题。近年来,在实际工作中遇到了各种各样的技术难点,本文就以下几个方面,分析设计中应注意的问题。

1、系统总体结构

1.1开放性的系统

系统硬件软件都应是现时相当开放、流行和先进的,代表现时技术的潮流和未来的技术发展趋向;可以随时用合理的价格,从市场或第三方供应商处,采购所需的零配件;系统对外连接的兼容性好,可以读取存储在其它数据库中的数据,可以与外部程序进行通讯,相互传递参数等;同时系统应配有接口与便携式检测仪表连接,方便便携式仪表将现场补充采集的监控数据传入监控系统。

系统一般应采用分层分布式设计,遵从开放系统原则,包括操作系统、开放式体系、数据库系统、用户接口、网络通信标准。采用模块化结构,组成模块可分期选择,可扩充。对不同类型的数据建立不同的库,实行程序和数据的严格分离,利于整个软件系统的可靠运行。这类系统彻底克服了集中式的不足,即使中央监控中心和总线发生故障,各级子站仍自动进行监控;具有高可靠性、工作速度快、设计开发维护简便、扩充性强、能适应多种类型的传感器等特点。

1.2极高的可靠性

硬件软件都必须具备可靠性高基本特点,避免因某一组件的故障使系统瘫痪或造成某些危害,影响整个系统的正常运行。系统应实时监视设备运行工况,设备故障时能及时报警,并在人机界面中显示故障部位及类型,方便维修。还要考虑水利行业防汛的特殊需要,充分考虑系统的抗干扰及防雷能力,并长期稳定可靠;而一次仪器选择应能适应长年处在湿度大、温差大、电磁干扰大等极恶劣的环境。

1.3完善的系统功能

系统基本功能包括:采集功能——机电设备的运行状态、水位、流速、流量、雨量、水质、水工安全监测以及图像信息等其他监测数据由就近各子站自动采集,并传送中央监控中心;控制功能——由监控中心向各子站发出命令远程遥控机电设备,也可由本地子站流程要求自动控制,或本地人工操作;通信功能——可利用电气总线、光纤、无线或公用电话网的方式来实现子站与监控中心数据的双向通信功能。

在应用过程中可以满足用户的需求及解决操作工序中的各种难题。诸如:根据监测进行控制运行,适时调整原因量以控制效应量,充分发挥工程效益;通过安全监测发现异常现象,及时预测未来性态和发展趋势,防止灾害的发生;监测资料可反馈和验证设计的正确性,求得设计的合理、完善和创新;从监测结果可评价采用的施工技术其适用性和优越性以及改进的途径等。

1.4人机对话的兼容性

具备图像界面组态能力,画面生成支持按对象链接,提供良好的人机界面,监控软件可显示监控系统的总貌、各子站概貌、监控布置图、过程曲线、报警状态等。

1.5上位管理信息系统的兼容性

具备与上位管理信息系统连接和通信的能力,保证采集数据,可按设定时间直接、自动地向上传送。实现机电设备监控、水雨情、水工安全监测和水质监测的离线分析、报表制作、图文资料及数据库管理。通过智能决策支持系统,向决策部门提出调度参考方案。

1.6保持系统的简单性

系统设计应做到目的明确,针对性强,突出重点,兼顾全局;监测项目宜简化,测点少而精,布置经济合理,施工安装方便;在配置与组态上最大限度地简化控制性能,方便操作人员生产操作,而维护人员在简单培训后,即可完成正常维护。

1.7系统扩充的可行性

系统升级或扩充极为简便,且费用合理,技术更改较少。

1.8使用成本低廉

整个系统在现场安装、使用和维护上都应充分考虑其经济性,这也是用户首要考虑的因素。

2、现场通信网络

一个典型网络信息集成系统可分成三层结构:现场控制网、办公内部网和全球信息互联网,而现场控制网一般也采用三层结构,分别为监控层、控制层和执行层,所讨论的水利自动化监控系统正是一个完整的现场控制网。

现在的现场控制产品各厂家制定的通信协议千差万别,兼容性差,国际上也无统一的标准,给系统的开放性、分散性和可互操作性造成局限,给用户使用带来不便的影响。但在设备控制层一般还是应用实时性好、可靠性高、抗干扰能力强的各种现场控制总线协议,如:Profibus、Modbus、Devicenet、Fipway等,选择时应考虑同一厂家(或不同厂家)不同通信协议产品间的通信,且所选通信协议是否有利于将来,因此要考虑影响面大、有发展的、功能完备、接近通用的通信协议。

在现场控制网的监控层,越来越广泛应用工业以太网,其发展给自动化监控系统注入了新的生命力。它具有与现场控制总线协议迥异的特点:相当高的数据传输速率,能提供足够的带宽;相同的通信协议Ethernet和TCP/IP;能在同一总线上运行不同的传输协议;在整个网络中运用了交互式和开放的数据存取技术;沿用多年,已为众多技术人员熟悉,市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具;允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构等。

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zjg728
2007年08月01日 14:30:21
2楼
3、中央监控软件

组态软件在控制领域已有相当广泛的应用,它们允许用户在图形界面下对控制系统的各种数据采集点、输出控制点、设备、控制回路、文件报警、生产报表、控制策略、网络设备和工艺画面进行定义与组态。还提供与网络、Internet、数据库访问接口等的连接功能,使监控系统能相对方便地和信息管理系统加以集成。

组态软件中更具通用性的是专业软件开发商开发的适合大多数PLC产品的监控系统,如:InTouch、iFIX、组态王等,它们抛开PLC产品,注重在图像、动画、声音、网络、数据等方面的优势,给二次开发的人员提供了较宽松的开发条件。以下三方面是工程技术人员应主要考虑的因素。

①通用性:可用于自动化监控领域中所有的控制和监控任务,可将生产过程中的状态以图像、文字、棒图、曲线或报警形式清楚地表达出来;它同时能将所发生的事件、过程数据记录下来,供历史数据查询使用,并能极为方便地组态所需的报表格式,按时间或事件触发打印。

②开放性:在Windows环境下,通过OLE和ODBC很容易将其他控件集成到应用软件中;也可通过DDE方式与其他应用程序进行通信。软件中应嵌套一个标准c语言,使用户可根据实际需要自行编程来完成特殊任务;软件应具有开放的通信协议,支持多种PLC系统。

③功能随意组合:标准软件提供了一个强有力的标准功能库,用户可通过调用这些功能块来实现控制功能,在通常情况下已可以满足需要。在特殊应用需要时,应有特殊功能包供用户选择(如:冗余软件包、服务器软件包、批处理软件包等)。

4、现场控制器

可编程控制器PLC以其逻辑运算复杂、运行可靠、易学易用、抗干扰性强、扩展容易、通信能力强等的功能特点,在水利自动化监控得到广泛应用。如何综合考虑系统规模、控制设备数量、设备特性、控制难易程度、经济性和可靠性等因素,组成一个最优化的PLC控制系统,使其能够适应水利行业恶劣的运行环境(诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽等)并稳定可靠地运行,是工程人员应重视的问题。

选择PLC前,应对控制对象有关参数及特殊要求进行分类统计:①开关量输入输出点数按参数等级(电压、电流、功率、通信速度等)分别统计,②模拟量输入输出点数及参数类别(电压、电流、热电阻、热电偶等),③特殊功能模块要求,④PLC与被控设备之间的距离,⑤控制器响应速度要求等。然后选择比控制点数多10~30%的PLC,且应保证可以弥补设计过程中遗漏的点,或替代运行过程中个别故障点,和适当增加点数的需要。还应根据设备分布情况考虑集中控制还是分散控制,是否采用远程I/O,是否组成PLC控制网络等。而且产品应是当时比较新型的、应用比较广泛的产品,产品寿命尽可能保证使用年限;当某型号或模块被淘汰后,生产厂家是否能够保证有足够的备品备件;或产品升级时是否保证向下兼容。

5、水雨情监测

水利部根据国家和流域防汛抗旱管理需要已建设统一的水雨情遥测遥报信息网络。而在区域自动化监控系统基础上,根据本地区集雨面积、地形特点和其他水资源调度需要,增加建设水雨情监测站或利用现有水雨情监测数据,将水雨情信息纳入系统,利用自动化监控网络将数据传送到中央处理中心。定时启动水情预报模型进行水情实时预报作业,根据监测到的水情和水情预报,实行防洪安全监控;在安全监控基础上,兼顾防灾与兴利效益,对水资源的调度运用提供决策支持。

6、水工安全监测

水工建筑工情信息包括两大类:基本工情(水库、闸坝、堤防工程运行状况)和险情(防洪工程发生裂缝、渗漏、管涌、滑坡和决堤等情形)。水工安全自动化监测主要包括浸润线监测、渗流量监测、变形位移监测、结构缝张合度监测、坝基扬压力监测、监测数据采集处理和工情数据库。水工安全监测是社会公共安全事业,监测系统必须在线不间断监测,确保及时发现随机出现的结构异常及报警,确保及时发现、处理和维护维修硬件设备故障;同时水工管理人员将自动监测系统与现场巡视检查结合,在异常情况出现时能快速有效地处理。

水工安全自动化监测一般都选用分布式数据采集网络系统,目前国内外生产厂家都有各自一整套不对外开放的分布式系统,导致水工安全自动化监测系统从采集、网络到数据分析自成一体,不能很好地利用其他自动化系统的资源。如何将此格局改变是急需解决的问题,使用户可以择优选择各传感器、数据采集单元和测量控制、数据处理软件,自行组建系统,将极大地方便维护、维修、更换和升级。其中传感器技术选型应注重其测量原理是否合理、技术标准、生产工艺质量、使用环境要求,且其激励、输出是否标准化,以便现场测量和定期计量标定。

7、实时视频图像监视

实时视频图像监视是当今最新多媒体技术的一个典型应用,集电视技术、传感技术、自动控制技术、多媒体网络技术、通信技术为一体,它采用模块化和总线结构,利用计算机网络有效地组合成功能完备、智能化程度高、综合性强的多媒体视频管理系统,充分发挥了计算机的功能使操作简便灵活。

作为水利自动化监控的辅助部分,实时视频图像监视完成所在安装环境周围的各种活动、监视对象的各种变化情况的图像信息采集,通过实时图像信息增加控制中心运行管理人员操作、判断的依据,实现远程监视和图像数据信息网络共享,是防汛指挥的自动远程调度的重要组成部分。特别在闸门泵站远程遥控操作,要求实时图像辅助信息,以保证操作安全可靠,另一方面用于监测水库大坝、河道堤防、泵站、闸门险情,以其直观特点可作为数据采集系统的重要补充,满足险情突发性和位置不确定性、实时性,要求灵活方便、简单有效的信息采集方式。

8、其他监控内容

在已建设的自动化监控系统基础上,根据需要将水资源实时计量和水质监测纳入系统,既可以利用现有资源,又可以提高水资源信息的综合管理水平。如在水库、河道主要引水口、排污口配套建设计量和水质监测,实现实时监测,利用自动化监控网络将数据传送到中央处理中心。建立水资源数据库,完成水资源信息的处理、查询和预报等任务,实时、客观、科学地发布水资源应用和水质信息。

9、结束语

在实际工作中,水利工程自动化监控系统因控制对象的不同而不同,但都应遵循开放兼容、技术先进、实时有效、稳定可靠、简单易操作、易扩展和使用成本低的原则,保证系统很好地完成工程实时数据采集和防汛指挥的远程调度任务。



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