水量监控调度信息化系统设计

边玉国

(兰州工业学院，甘肃兰州 730050)

1 引言

近几年来，随着水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。在经济迅速发展的同时，我国淡水资源的匮乏问题日益突出，节约水资源已是势在必行。农业灌溉是用水大户，其用水量占全国总水量的70%，而农业灌溉水的利用率只有40%。因此，为了改变过去不合理的灌溉方式，节约水资源，本文从甘肃省张掖市某灌区的早期信息化系统的现状出发，设计了一套水量监控调度信息化系统，以现代农田灌溉用水管理理论为理论基础，以计算机技术、信息处理为依托，对农田灌溉水资源进行实时优化配置、调度，以远程控制及自动化技术、通信技术为手段，对灌区的灌溉工程设施进行远程控制操作，实时监测各相关工程设施的运行状况，保证了整个系统的实时性和可靠性，取得了良好的效果。

2 工程概况

张掖市某灌区位于河西走廊中部，环绕张掖市城区四周，海拔1410～1600m。灌区总的地势是东南高西北低，东西长17.4～33km。灌区管理机构是张掖市某灌区水利管理处，隶属张掖市水务局，下设2个水管所。张掖市某灌区直接引用黑河地表水灌溉，为甘肃省水利系统所属大型灌区之一，承担着为张掖市20.1万hm2农田的输水和配水任务。整个灌区从黑河干渠分支调水引水，干支渠85km，其中干渠总长度25.2km，现有主要干分支6个，沿主干呈直线树性分布。

3 信息化现状

该灌区早在2000年就开始兴建信息化系统，已按初步的水量监测调度自动化管理的设想建成了一套信息化系统。但由于众多方面的因素，该套系统没有达到预期的目的和任务，甚至建设之初系统没有真正投入使用，浪费了巨大的投资。

原有系统在灌区管理所建成了水量监测调度中心，采用了一点多址的超短波数据通信，形成了监控中心和现地检测控制两级体系结构，水管所及其各测量闸控站点全部建设了相关的信息化设施，完成了16个分水渠的水位监测和28孔闸门的闸门控制和启闭设施的建设。

水量调度中心设在灌区管理所，距张掖市区约9km，面积约有100多m2，配置有两台兼容机，一台用于闸门遥控和水量遥测，一台用于灌区信息管理，配有投影机设备和投影幕布，安装有无线收发信装置、控制主机、电源等配套设备。中心配置有公用电话，目前没有接入互联网。室外安装有20m的天线铁塔，配有天线、避雷针和馈线设施。

现地水量监测站配置压阻式水位传感器、水量监测通信装置，信号均接入闸房，传感器数据和闸控信息通过超短波天线和调度中心进行无线通信，水位测量设施陈旧不规范，闸控设备安装在闸房内，闸控设备已多年没有使用，闸门启闭电机和手动控制回路工作正常。

实际运行已充分证明:灌区管理所水量自动化调度系统、信息化软件系统经多次编制依然存在无法满足灌区管理实际、设备通用性差、技术落后、水位传感器安装不符合规范、检修维护及其困难、售后服务和技术支持严重匮乏等问题，根据现场实际勘察和管理使用人员的反映，原建系统完全瘫痪，已多年没有使用，原有系统没有任何技术资料，已无法进行恢复，致使系统暂停运行、闲置，建议完全重新建设。

4 系统结构

根据灌区的现行实际，提供一套完整的信息化系统设计方案。灌区水量监控调度信息化系统项目是一个综合性、多学科和多技术交叉的系统工程，其综合应用了信息自动采集、远程控制、无线超短波通信、数据存储与处理等技术，为实现水量自动采集、水工闸门控制提供了一个现代化、可视化、智能化的技术支持平台。

根据系统建设的目标任务和功能要求，系统分为两个层次:现地监控站和中心调度站。现地监控站分为遥测站和遥控站两类。现地监控站将采集到的现场数据信息通过光纤通信网络传送至中心调度站，中心调度站根据权限设置发布闸门启闭控制命令，对现地监控站进行控制。同时，现地监控站从安全可靠冗余的角度，设计提供现地手动、现地自动和远程控制三种操作模式。

整个灌区水量监控调度信息化系统结构如图1所示。

图1 水量监控调度信息化系统结构图

5 系统设计

灌区水量监控调度信息化系统是一个两级分布式数据采集及控制系统，由水量监控调度中心、16个水量遥测站、7个4孔闸门的28孔闸门站组成。

根据现地水工实际，每2个水量计量点遥测站距离较近，可共用一套测量和通信设备，设备可安装在闸房内。

下面，将分以下几个部分分别予以设计。

5.1 监控调度中心

监控调度中心作为整个信息化系统的核心，配置监控工作站、管理工作站、服务器，配置网络交换机，组建10M/100M快速Ethernet网络。水管所现有办公室进行网络布线，配置20个信息点，所有已有计算机可在局域网内交换数据，共享信息，通过灌区信息管理软件开展相应的业务。

调度中心配置一台高性能服务器，一台监控工作站，一台管理工作站。服务器实现水量历史数据、灌区管理信息系统数据的存储。

中心监控软件是实现水量测量和闸门监控的操作软件，利用其实时画面和实时数据库，实时监控各测点水位、流量和闸门开度等水利信息，提供闸门远程遥控的模拟操作界面和水位模拟画面，直观地反映闸门操作的过程和水位变化趋势。中心监控软件采用目前成熟的组态软件平台开发，系统稳定、可靠，功能强大，易于维护和扩展。

5.2 组网方式

现地控制站要把采集的数据准确地传送到中心站，通信系统是一个关键。由于灌区各测站大部分都处于无人区域，移动通信网络信号不能全部覆盖这些站点，卫星通道虽能解决通信问题，但运行费用昂贵;调度中心和各个现地测量点、闸门控制点地域分布较广，考虑到其他通信方式要么一次投资较大、要么运行管理成本较高等特点，本设计方案系统采用16个水位测量点、7个现地监控站与中心调度站采用超短波窄带通信方式，既可满足目前水量采集和闸门控制的要求，又考虑已有设施的重新再利用。

超短波通信以其技术成熟、设备简单易于配套、数据传递速度快，实时性好、独立性能强，运行费用低以及完全独立的专业通信网络等特点，完全符合灌区水量监控调度信息化系统数据传输对通信系统的要求，也是目前分布式数据采集传输网络的主要选择。

另外，超短波通信设备信道配置误码率低于0.0001，多个观测站发送数据的碰撞概率能够满足《水文自动测报系统规范》所要求的90%畅通率的要求，此外，通过数据格式的检错纠错功能设计，确保提高数据传输过程中的抗干扰能力。

采用基于223～235MHz频段的超短波通信设备，不需要事先向相关部门申请，通信速率可达到19200bps，设备自身功耗非常低，适合低速数据采集中使用。系统配置一点多址的通信模式，可以实现定时数据传送、中心召测和中心指令下达等测控任务。

在调度中心配置高性能数传电台ND889A，发射功率达到25W，采用QT－230全向高增益天线，直线视距通信距离达到30km，能够满足灌区调度中心接收水情数据和发送闸门控制指令的通信需求。

在现地遥测站和现地遥控站配置高性能数传电台ND889A，发射功率达到25W，采用DT－230－7定向高增益天线，直线视距通信距离达到30km，能够满足灌区现地遥测站水量发送水情数据和现地遥控站发送闸门信息和接收控制指令的通信需求。

5.3 现地遥测站

现地遥测站主要完成渠口水位的测量，向调度中心定时或召唤发送水位数据的功能。调度中心在获取该渠的水位后，利用事先定期率定的水位—流量关系表，可取得流经该渠的流速数据，进而算出该渠口的放水量，达到遥测水量的目的。

现地遥测站系统由现地水位传感器、智能水位采集通信控制仪、数传电台、天线等设备组成，其中智能水位采集通信控制仪为现地遥测站的核心。

水位传感器采用浮子式水位传感器，传感器输出4～20mA信号，通过信号线避雷器传输接到PLC控制器的模拟量输入接口，进行各渠口水位测量。

利用水工建筑物测水机理，在现地水位观测处，修建辅助测水井，利用虹吸管原理，使测井内测水管和渠内水位一致，确保水位测量的准确，这是目前使用最为成熟、最为经济，也最为普遍的测水方式。

现地遥测站系统结构如图2所示。

5.4 现地遥控站

现地遥控站主要完成闸门的现地自动控制，向中心发送闸门开度信息，同时可接收调度中心控制指令，启闭闸门，实现远程遥控闸门的目的。

现地遥控站系统由现地水位传感器、闸门开度传感器、PLC可编程控制器、闸门启闭电气设施等组成，其中PLC可编程控制器为现地控制站的核心。

水位传感器采用浮子式水位传感器，传感器输出4～20mA信号，通过信号线避雷器传输接到PLC控制器的模拟量输入接口，进行各渠口水位测量。

闸门开度仪均采用编码式变送器，经变送器信号变换后直接输出4～20mA信号，通过信号线避雷器传输接到PLC控制器的模拟量输入接口，进行闸门开度测量。

闸门上下限位开关采用行程开关，开关信号输入闸门控制器的开关量输入/输出模块 (DI/DO)，用于探测闸门上下限位置，实现闸门电机停止和上下限报警、保护闸门的功能。

每个现地监控站设备都安装在一台GGD金属柜中。控制柜安装有PLC控制器、变送器、安全栅、操作面板、操作按钮、电源开关、状态指示灯等。

由于现地手动完全良好，工作部分全部采用原有设施，增加的自动系统仅作改造。

控制柜工作电源经电源浪涌保护器输入控制柜，给整个控制系统供电。

现地遥控站系统结构如图3所示。

图3 现地遥控站系统结构图

闸门控制柜安装在各个现地监控站管理房内，采用国标GGD的金属屏柜，其特点如下:

(1)现地监控站必须适合水利工程特点，其电磁屏蔽特性能保证本系统能正常工作，放于现场的配电柜有屏蔽、防尘和通风设施。

(2)控制柜由钢架和光滑钢板构成。结构牢固，有适当刚度，自支持，前后开门，易于维修和更换内部元器件。

(3)控制柜尺寸采用国标GGD，各闸门柜型一致，柜门加同一型号门锁，便于管理。

(4)控制柜为全封闭型，防护等级为IP44。柜底留有进出敲落孔，电缆安装完毕后进行封堵。

(5)配电柜内提供照明装置和电源插座，插座为220VAC、10A单相三极插座。

(6)考虑到柜内的温度和湿度，柜内安装温湿度传感器设备和手动自动加热驱潮设备，由控制器负责监测温湿度并控制相应设备工作。

(7)所有控制柜均有电源接口、数据和控制接口、通信接口、人机显示界面及电缆端子、安全栅等设备。

渠口闸门控制方式设计为以下三类:

(1)调度中心计算机自动控制。调度中心监控工作站按照闸门操作规程或管理人员的调度指令或配水运行调度计划控制闸门的运行。

(2)现地自动控制。在现地，运行管理人员在现场通过现地控制单元控制闸门。

(3)现地手动控制。为保证闸门运行的高度可靠性，在自控系统、现地系统失效的情况下仍然可以利用手动控制装置控制闸门的运行。手动装置为相对独立的控制系统，建立自动化系统应不影响手动控制系统的运行。

6 防雷接地设计

考虑到水位现地采集和闸门监控系统的设备均为高精密的电子设备，监测和控制设备均处于野外全天候运行，因此必须考虑其防雷接地保护，避免雷击造成设备损坏，影响系统运行。

针对上述考虑，在现地遥控站系统配置了电压浪涌保护器，并对外部连接控制器的传感器信号采用了信号避雷器。现地遥测站系统配置信号避雷器，避免外部传感器的雷击引入到设备。同时，超短波通信天线利用已建的避雷针设施，天线馈线配置同轴避雷器，确保设备的安全可靠运行。

另外，监控中心站和现地站系统必须考虑良好的接地，通过安装接地金属极棒，达到接地电阻不大于1Ω，满足野外电子设备接地要求。

7 供电设计

监控中心供电取自电网电源，配置具稳压功能的UPS电源系统，容量为3000VA，延时2h，确保服务器、监控工作站、超短波通信的不间断运行。

现地遥测站配置交流电和蓄电池自动切换的双电源运行模式，确保水量测量设备在断电时也能长期不间断运行。

现地遥控站采用交流电供电，既提供驱动闸门启闭电机的工作电源，又提供现地监控站的工作电源。

8 结语

当今，国家大力提倡节水灌溉，发展高效节水灌溉农业是我国农业持续性发展的首要条件。水量监控调度信息化系统投入运行以来，操作和维护方便、性能稳定、节水效果显著，深受用户好评。

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