灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)
前言:
閘門調(diào)節(jié)是灌區(qū)工程中經(jīng)常采用的手段，閘門控制的研究對(duì)于節(jié)約能源、確保水利工程的正常運(yùn)行、提高水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)大部分灌區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T，但是在根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制方面成熟的經(jīng)驗(yàn)非常少。隨著現(xiàn)代通訊事業(yè)的不斷發(fā)展，無(wú)線技術(shù)應(yīng)用在控制領(lǐng)域中越來(lái)越成熟。利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙方的通訊，從而達(dá)到用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅省某水利工程中投入使用，運(yùn)行效果良好。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，分一個(gè)主站和若干個(gè)子站，通過(guò)帶有GPRS功能的RTU-2600構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多個(gè)斷面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理和控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。下位機(jī)中的傳感器把引水渠中的水位值和各閘門的開(kāi)度值經(jīng)轉(zhuǎn)換后送給編碼器，編碼器對(duì)水位及閘門開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行編碼，在通過(guò)避雷器將編碼信號(hào)傳給數(shù)采儀，數(shù)采儀將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步加工和處理后由無(wú)線調(diào)制解調(diào)器傳給上位機(jī)，上位機(jī)即系統(tǒng)主站，可分別與不同的子站建立聯(lián)系，查詢各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照用戶的要求對(duì)各閘門進(jìn)行控制，下位機(jī)中的控制箱接收到此信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)出控制信號(hào)自動(dòng)控制閘門到一定的開(kāi)度，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。
圖1 閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制結(jié)構(gòu)圖
二、系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)
上位機(jī)與下位機(jī)都采用工控機(jī)，性能穩(wěn)定、工作可靠。處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，便于以后的擴(kuò)展。上位機(jī)與下位機(jī)利用GPRS RTU通訊，采用國(guó)家水利行業(yè)規(guī)定的專用頻段。上位機(jī)將閘門操作指令（上升、下降、停止）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由無(wú)線GPRS RTU發(fā)給下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的無(wú)線通訊。
上位機(jī)與下位機(jī)的距離一般比較遠(yuǎn)，一般大于2 公里，這樣采用RS485（有線）無(wú)法通訊?？梢圆捎秒娫拏鬏敗⒐饫|傳輸或無(wú)線傳輸方式通訊。利用有線方式傳輸需要架設(shè)通訊線路，一般在多山地帶，架設(shè)困難，也不完全符合防汛要求。在這種情況下可以采用無(wú)線通訊方式。直接由工控機(jī)組成上位機(jī)和下位機(jī)RTU系統(tǒng)，配合現(xiàn)場(chǎng)控制屏組網(wǎng)工作。上位機(jī)與下位機(jī)之間以GPRS無(wú)線方式通訊，下位機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)控制屏之間以RS-485方式通訊。這樣上位機(jī)與下位機(jī)可以分別通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制屏的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的近距離和遠(yuǎn)距離的控制。
三、中心控制室
中心控制室是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，主要由工控機(jī)、GPRS RTU、調(diào)制解調(diào)器和上位機(jī)軟件等構(gòu)成。工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)實(shí)時(shí)采集來(lái)的閘門開(kāi)度、水庫(kù)水位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理入庫(kù)等操作。通過(guò)水庫(kù)水位（H1）、閘門開(kāi)度（H2）和實(shí)際H1 H2～Q、H～M、H～V曲線，計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)比計(jì)算出放水流量、水庫(kù)庫(kù)容、庫(kù)面面積等?？梢噪S時(shí)觀察水庫(kù)水位和蓄水量等參數(shù)的變化情況。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口，可以與水情自動(dòng)遙測(cè)、大壩自動(dòng)觀測(cè)等系統(tǒng)共同組成水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。
作為系統(tǒng)工作安全的要求，對(duì)閘門的操作有嚴(yán)格的使用權(quán)限，設(shè)有軟硬件隔離，操作指令保護(hù)措施。閘門開(kāi)度、操作時(shí)間、操作者姓名及時(shí)入庫(kù)保存，只有高級(jí)管理員才可以修改。這樣可以保證閘門操作的安全。
四、設(shè)備介紹
4.1 無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU-2600介紹
RTU-2600 系列可編程遠(yuǎn)程測(cè)控終端將采集、控制、通訊三種功能合為一體，特有的嵌入式設(shè)計(jì)可大大節(jié)省安裝面板空間；集成強(qiáng)大的通訊能力可通過(guò)衛(wèi)星、GSM/GPRS/CDMA1x、無(wú)線基站、電話線等方式使數(shù)據(jù)傳輸更加便捷；特殊的編碼器、脈沖捕捉、高速記數(shù)、PWM輸出等功能可以為您提供更高一級(jí)的控制支持；高速達(dá)40M的CPU，提供了方便的二次開(kāi)發(fā)C語(yǔ)言平臺(tái)，您可以開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜的算法并且可與組態(tài)軟件的無(wú)縫連接。
4.2 現(xiàn)場(chǎng)顯示裝置HMI-3800介紹
現(xiàn)場(chǎng)采用HMI-3800系列顯示屏作為顯示設(shè)備，采用鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)，鍵盤提供切換鍵、時(shí)間設(shè)置鍵、控制鍵三個(gè)按鍵，通過(guò)三個(gè)按鍵顯示水位、流量、閘門開(kāi)度、日期和時(shí)間。切換鍵實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)功能的轉(zhuǎn)換，時(shí)間設(shè)置鍵用于修改日期和時(shí)間，控制鍵用于對(duì)電機(jī)啟停進(jìn)行控制。
4.3 閘門開(kāi)度儀
閘門開(kāi)度儀采用彈拉式開(kāi)度儀，它是將測(cè)量柔絲的線位移轉(zhuǎn)換成碼盤的角位移，以達(dá)到用編碼器來(lái)測(cè)量線位移的目的。同時(shí)將閘門的開(kāi)度轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳到現(xiàn)場(chǎng)控制屏里，完成測(cè)量工作。
結(jié)語(yǔ)：
本文以甘肅省某灌區(qū)為例，全面分析了灌區(qū)閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)，對(duì)其軟件開(kāi)發(fā)和硬件選擇作了全面闡述，并總結(jié)了提高自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的經(jīng)驗(yàn)，為提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平提供了有利的工具，具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
閘門調(diào)節(jié)是灌區(qū)工程中經(jīng)常采用的手段，閘門控制的研究對(duì)于節(jié)約能源、確保水利工程的正常運(yùn)行、提高水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)大部分灌區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T，但是在根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制方面成熟的經(jīng)驗(yàn)非常少。隨著現(xiàn)代通訊事業(yè)的不斷發(fā)展，無(wú)線技術(shù)應(yīng)用在控制領(lǐng)域中越來(lái)越成熟。利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙方的通訊，從而達(dá)到用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅省某水利工程中投入使用，運(yùn)行效果良好。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，分一個(gè)主站和若干個(gè)子站，通過(guò)帶有GPRS功能的RTU-2600構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多個(gè)斷面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理和控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。下位機(jī)中的傳感器把引水渠中的水位值和各閘門的開(kāi)度值經(jīng)轉(zhuǎn)換后送給編碼器，編碼器對(duì)水位及閘門開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行編碼，在通過(guò)避雷器將編碼信號(hào)傳給數(shù)采儀，數(shù)采儀將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步加工和處理后由無(wú)線調(diào)制解調(diào)器傳給上位機(jī)，上位機(jī)即系統(tǒng)主站，可分別與不同的子站建立聯(lián)系，查詢各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照用戶的要求對(duì)各閘門進(jìn)行控制，下位機(jī)中的控制箱接收到此信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)出控制信號(hào)自動(dòng)控制閘門到一定的開(kāi)度，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。
圖1 閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制結(jié)構(gòu)圖
二、系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)
上位機(jī)與下位機(jī)都采用工控機(jī)，性能穩(wěn)定、工作可靠。處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，便于以后的擴(kuò)展。上位機(jī)與下位機(jī)利用GPRS RTU通訊，采用國(guó)家水利行業(yè)規(guī)定的專用頻段。上位機(jī)將閘門操作指令（上升、下降、停止）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由無(wú)線GPRS RTU發(fā)給下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的無(wú)線通訊。
上位機(jī)與下位機(jī)的距離一般比較遠(yuǎn)，一般大于2 公里，這樣采用RS485（有線）無(wú)法通訊?？梢圆捎秒娫拏鬏敗⒐饫|傳輸或無(wú)線傳輸方式通訊。利用有線方式傳輸需要架設(shè)通訊線路，一般在多山地帶，架設(shè)困難，也不完全符合防汛要求。在這種情況下可以采用無(wú)線通訊方式。直接由工控機(jī)組成上位機(jī)和下位機(jī)RTU系統(tǒng)，配合現(xiàn)場(chǎng)控制屏組網(wǎng)工作。上位機(jī)與下位機(jī)之間以GPRS無(wú)線方式通訊，下位機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)控制屏之間以RS-485方式通訊。這樣上位機(jī)與下位機(jī)可以分別通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制屏的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的近距離和遠(yuǎn)距離的控制。
三、中心控制室
中心控制室是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，主要由工控機(jī)、GPRS RTU、調(diào)制解調(diào)器和上位機(jī)軟件等構(gòu)成。工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)實(shí)時(shí)采集來(lái)的閘門開(kāi)度、水庫(kù)水位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理入庫(kù)等操作。通過(guò)水庫(kù)水位（H1）、閘門開(kāi)度（H2）和實(shí)際H1 H2～Q、H～M、H～V曲線，計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)比計(jì)算出放水流量、水庫(kù)庫(kù)容、庫(kù)面面積等?？梢噪S時(shí)觀察水庫(kù)水位和蓄水量等參數(shù)的變化情況。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口，可以與水情自動(dòng)遙測(cè)、大壩自動(dòng)觀測(cè)等系統(tǒng)共同組成水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。
作為系統(tǒng)工作安全的要求，對(duì)閘門的操作有嚴(yán)格的使用權(quán)限，設(shè)有軟硬件隔離，操作指令保護(hù)措施。閘門開(kāi)度、操作時(shí)間、操作者姓名及時(shí)入庫(kù)保存，只有高級(jí)管理員才可以修改。這樣可以保證閘門操作的安全。
四、設(shè)備介紹
4.1 無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU-2600介紹
RTU-2600 系列可編程遠(yuǎn)程測(cè)控終端將采集、控制、通訊三種功能合為一體，特有的嵌入式設(shè)計(jì)可大大節(jié)省安裝面板空間；集成強(qiáng)大的通訊能力可通過(guò)衛(wèi)星、GSM/GPRS/CDMA1x、無(wú)線基站、電話線等方式使數(shù)據(jù)傳輸更加便捷；特殊的編碼器、脈沖捕捉、高速記數(shù)、PWM輸出等功能可以為您提供更高一級(jí)的控制支持；高速達(dá)40M的CPU，提供了方便的二次開(kāi)發(fā)C語(yǔ)言平臺(tái)，您可以開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜的算法并且可與組態(tài)軟件的無(wú)縫連接。
4.2 現(xiàn)場(chǎng)顯示裝置HMI-3800介紹
現(xiàn)場(chǎng)采用HMI-3800系列顯示屏作為顯示設(shè)備，采用鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)，鍵盤提供切換鍵、時(shí)間設(shè)置鍵、控制鍵三個(gè)按鍵，通過(guò)三個(gè)按鍵顯示水位、流量、閘門開(kāi)度、日期和時(shí)間。切換鍵實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)功能的轉(zhuǎn)換，時(shí)間設(shè)置鍵用于修改日期和時(shí)間，控制鍵用于對(duì)電機(jī)啟停進(jìn)行控制。
4.3 閘門開(kāi)度儀
閘門開(kāi)度儀采用彈拉式開(kāi)度儀，它是將測(cè)量柔絲的線位移轉(zhuǎn)換成碼盤的角位移，以達(dá)到用編碼器來(lái)測(cè)量線位移的目的。同時(shí)將閘門的開(kāi)度轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳到現(xiàn)場(chǎng)控制屏里，完成測(cè)量工作。
結(jié)語(yǔ)：
本文以甘肅省某灌區(qū)為例，全面分析了灌區(qū)閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)，對(duì)其軟件開(kāi)發(fā)和硬件選擇作了全面闡述，并總結(jié)了提高自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的經(jīng)驗(yàn)，為提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平提供了有利的工具，具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
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