力控智慧灌区,水泵闸门监控运维与防汛防旱预警系统

1. 行业背景

1.1．现状

某灌区位于滦河以南，沙河以东，北靠京山铁路，南临渤海。包括唐海县东西灌区，滦南县群众灌区，乐亭县滦乐灌区，丰南县南部及军垦农场。灌区管理处则承担着整个灌区的供水任务，供水任务非常艰巨，但意义重大。其管辖的输水总干渠总长110千米，沿渠分布着113座闸门及105台水泵，年平均引水量7亿立方米,其经济和社会效益十分显著。

由于自动化水平的滞后，灌区的科学化调度困难重重，配水和用水之间的矛盾经常发生，并时常造成人力、财力的浪费，贻误灌溉良机。为提高区域有限灌溉水资源的抗旱能力和取得最大的灌溉效益，分析区域间水源关系，在各灌溉区域内部建立多水源联合优化调度模型，实行多水源联合优化调配，以提高灌溉保证率和灌溉效率。因此从节水节能及现代化管理要求出发，必须建立灌区自动化调度系统。

1.2．需求分析

在这种背景下，灌区的信息化建设更是至关重要，灌区信息化就是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用灌区管理的信息资源，包括信息的采集、传输、存储和处理等，大大提高信息采集和加工的准确性以及传输的时效性，做出及时、准确的反馈和预测，为灌区管理部门提供科学的决策依据和提高管理效率、降低管理成本，提高灌区管理的效率和水平，以促进灌区实现科学管理和高效管理。

2. 灌区数字化综合管理系统方案设计

2.1．方案设计简介

灌区信息化系统由两级网络组成，其中调度中心站、泵站遥控站通过开通专用光纤信道组成水利专网，传输遥控数据、视频流等测控信息；各遥测站与中心站通过超短波组成无线通讯网络，传输实施水情工情数据等信息。移动状态用户可以利用GSM网进行手机查询和定制。在此基础上，按照灌区管理实际需要，选择配置成熟的应用软件，形成以信息采集系统、灌区综合数据库及信息处理系统、灌区调度管理决策支持系统、灌区自动化监控系统、灌区办公自动化系统、财务管理及水费计收系统、水务公开系统等为主的灌区管理应用系统。

2.2灌区数字化综合管理系统建设目标

立足现有工程设施，紧密结合泵站灌区特点，有效利用计算机自动控制技术、网络技术、遥测传感技术、通信技术、多媒体技术等现代信息技术，在做好信息化规划的基础上,因地制宜、分步实施，充分吸收和借鉴各种成功的灌区信息化建设模式，形成一套科学合理、运作高效的管理调度决策支持系统，进一步优化整合系统资源，拓展完善供水服务体系，从而保障灌溉供水的安全性、可靠性和经济性，全面提高灌区的管理水平和经济效益。

2.3系统网拓扑图

灌区数字化综合管理系统根据功能分为数据采集现场监测站、灌区信息化调度中心和各泵站3个层次（如图示）。

1）各遥测站

对沿线引水闸、节制闸、上下游水位、闸门开启高度，设备运行状态以及其他监测站点的水位、雨量等参数进行适时监测、自动传输、处理备份。

2）配水站

各配水站直接控制各级泵站的开停机和各级节制闸、进水闸、分水闸的启闭高度。同时监控系统监测各级渠道的流量，并反馈给调度中心，形成闭环控制系统。

3）智能化调度中心

按给定的运行条件（如灌溉制度、给定流量、开度、时间等指令），根据采集的信息数据进行决策，优化选择并运行灌区既定的水量调度方案，发送闸门自动调控指令和泵站得取水指令，并进行自动记录打印，实现调度决策智能化。同时对防汛、水量、水费等特殊因素，由信息管理人员通过计算机网络运行特殊的调度方案。

3. 遥测站

遥测站通过各种传感器检测水情、工情、雨情、墒情、地理数据、用户数据、沿线引水闸、节制闸、上下游水位、闸门开启高度、设备运行状态等参数，通过无线网络GPRS将现场采集的数据传回控制中心的实时数据库，实现整个灌区的数据共享。

由于整个灌区地域广，建设有线网络比较困难，很多数据需要通过无线网络进行传输，而大多数软件采用的是虚拟串口的连接方式非并发处理，效率低下不稳定。力控软件采用独立的CommBridge组件，数据为并发处理、完全透明的解决方案，从而消除了一般软件将GPRS网络绑定虚拟串口的查询访问方式造成数据传输不稳定的隐患。

4. 配水站

各配水站直接控制各级泵站的开停机和各级节制闸、进水闸、分水闸的启闭高度。同时监控系统监测各级渠道的流量，并反馈给调度中心，形成闭环控制系统。

泵站、变电站、节制闸现场测控网是由各泵站、变电站、水管站现场工作站及与之连接的各个现地监控单元组成，以现场总线方式连接，站控系统软件采用力控FCPower电力电气监控组态软件实现。

力控电力电气监控组态软件FCPower结合了通用组态软件和电力专业技术，是使用先进的计算机软件编程技术开发的专业电力系统自动化的组态软件，适用于变电站综合自动化、电厂电气监控（ECS）、企业供配电自动化、水电站综合自动化及楼宇配电自动化等后台监控系统。

4.1主要功能简介

根据泵站设备工作操控流程设计为监控界面系统(主控界面、配电系统界面 、单机组界面、综合参量界面)，操控流程（配电系统、机组系统、综合监控），日志系统、报警系统、保护系统、数据存贮系统、数据网络发布系统，逻辑参量修正系统、控制输出系统，查询系统，安全维护系统，报表系统。

4.1.1 监控界面系统

监控界面系统为人机交互的主界面环境，它以WINDOWS窗口为主体划分为系统菜单栏、工具栏、主监控显示区、系统状态栏。

4.1.2 系统菜单栏

系统菜单栏包括：系统设置、界面切换、参量设置、日志管理、报表、设备操控、数据管理、网络管理。

系统菜单栏包涵全系统的功能管理，如图所示。

4.1.3 主监控显示区

主监控显示区以泵站电气线路连接图为背景标示各参量数据，点击各动态组件可查看动态细节图，示意图如下：

4.1.4 系统状态栏

显示系统当前的工作状态，如时间、发送速率、模块信息、采样等。

4.1.5 窗口环境

用户接口应支持同时在屏幕上进行重叠或平铺的多窗口显示。这些窗口可由用户选择，并能够移动和缩放，以满足用户不断变化的需要。

每个窗口在其外边都有一个边界或窗口框，并提供下列元素：

☆标题区域，用以识别窗口内的显示内容；

☆最大化按钮，用以将窗口增大至覆盖整个显示屏；

☆最小化按钮，用以将窗口减小至一个图标；

☆再生尺寸功能，用以改变窗口的初始大小；

☆窗口菜单按钮，用以显示该窗口支持的一系列控制操作；

每个操作台上的一个窗口应作为活动窗口，允许用户通过它与系统进行交互操作，而其它所有窗口仍应继续显示并刷新，通过点击另一个窗口边界内的任意区域，可激活该窗口，窗口的边界应改变颜色，以表明该窗口为活动窗口，活动窗口应显示在其它重叠窗口的顶部。

窗口接口至少包括以下特性：

☆菜单栏，位于显示窗口的顶端，紧靠标题栏的下部，它包含进入下拉菜单的按钮；

☆工具栏，位于菜单栏下部，包含一些经常使用功能的便捷键；

☆弹出菜单，包含一组从可控显示元件（如：断路器、水泵、进水闸门）进入的控制按钮；

☆控制按钮，按钮上带有文字或图形标签，以指示选择该按钮时所执行的何种操作；

☆水平或垂直滚动条；

计算机系统通过各种类型的TFT显示画面来支持用户对系统功能进行交互操作，这些画面不仅应包括全局显示，还包括图形、表格以及棒图显示。

FCPower提供了三种报表工具：FCPower内置报表组件、专业电力报表、基于Excel的报表工具，可方便用户制作任意复杂的报表系统。

组态软件操控流程分为系统流程、初始化流程、配送电流程、故障保护机制、相关参量测控流程、查询流程、数据存贮与发布流程。

组态软件软件系统在主构架驱动下分层次、按模块，完全根据系统消息状态自动进行有关流程处理。

所有控制操作都应通过选择系统图表或图形显示上的目标或从相关的弹出菜单（对话框）上选择有关控制命令来执行。

通过软功能键或通过调度员特殊功能键盘，都可实现计算机系统的任意或所有操作，如报警确认、生成报表、发出控制命令、插入意见、提供标签、送出信息、要求趋势显示、交互执行应用程序功能以及重新配置计算机系统等。

人机接口可在屏幕上提供不同的颜色、符号和指示（如闪动的颜色），以表示正常和非正常情况。所采用的颜色、符号以及指示信号至少应能区别输水线路上不同的元件和设备。表示系统各元件的颜色、符号、指示信号均能够自动设定。用户既能够对一个独立的调度员记录进行诸如进入、存储、恢复、修改、删除等操作，也同样能够对计算机系统所附的自由格式的记录进行相同的操作。

不论是通过键盘还是鼠标执行的多步骤操作，都有时间限制。如果系统或用户在预先规定的时间内没有对下一个逻辑步骤作出反应，该过程应被复位，并且应对这种超时情况产生一个报警。如果调度员没有紧跟下一步骤，工作站的屏幕显示器应出现一个指导信息，这时如果用户开始执行另一个不相关的指令，前一个已完成部分步骤的操作将被自动取消。

各现场工作站是各泵站、变电站、节制闸现场监测控制的主体，各自相互独立，主要承担对所辖范围内所有机电设备、工程设施运行状况的监测、控制，实时将各设备、设施运行参量上传至监控调度中心工作站，无条件执行灌区监控调度中心的各项工作指令。紧急情况下，各现场工作站也可脱开监控调度中心完成对所辖范围设备、设施监测控制，并可支持办公自动化系统、水务公开系统、财务管理及水费计收管理系统等应用系统的功能实现。各泵站、变电站、节制闸工作站之间可通过通信以太网与管理局局域网及其它站闸完成语音数据通信、信息交换和查询。各现地控制单元主要完成对本单元测控对象各类运行参数的实时检测和上传，执行各现场工作站下达的各项工作指令，在紧急情况下现场工作人员也可对测控对象实施手动控制操作，且手动操作具有优先级。

5. 智能化调度中心

智能调度中心是整个灌区信息化的核心，该调度中心安装力控实时数据库软件pSpace，在环保中心力控实时数据库pSpace负责汇集来自各现场监测站的实时数据，为客户端提供实时、可靠、安全的数据，并且给中心的关系数据库提供有效的数据。过程数据平台选择实时历史数据库pSpace，其优点是灌区管理中心和各分中心平台统一，采集接口丰富，可以适应不同数据源的采集；实时性高；可以存储大批量的过程历史数据；结合关系数据库可完成管理类数据库的构建。而单独采用关系数据库，对多种数据源（ACCESS、OPC、GPRS）的采集难以实现，基本不具备采集功能，对整体系统的兼容性和扩展性有影响，并且实时性较差，灌区管理中心和各分中心做不到无缝连接。

pSpace数据库运行于灌区管理处，用于建立水位、闸位等数据库，雨情数据库、水质数据库、工情数据库。负责整个灌区数据采集、存储、检索和大部分的管理数据平台建设，负责建设此设计概要下提出的五个子数据库中的工程资料数据库、监测监控数据库、分析评价数据库、方案建议数据库。方法库的部分功能应用则结合SQL 2000实现，为SQL 2000提供原始数据和部分方法模块。

智能调度中心的客户端软件采用力控eForceCon SD，力控eForceCon SD监控组态软件构成的控制系统可以构成先进的、分布式冗余、容错架构，该产品采用分布式组件设计，适应网络的多人协作与并行开发，保证了软件的可“伸缩性”非常强，适应了“e”时代的要求，结合. NET平台技术，集成了web service技术，轻松构建小区实时信息门户，开发过程采用了先进软件工程方法，使产品品质得到充分保证，该产品的设计避免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂就是功能过于简单的弊病。

强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能并增加声音、邮件和短信报警通知方式，全新的多线程IO调度程序，使通讯效率更高、速度更快。

支持脚本在线调试，支持变量智能搜索功能，变量构件模板保证快速生成网络工程，支持多语言切换，保证多语言版本稳定内核，海外扩展更方便，可以充当力控小区实时历史数据库pSpace 5.0的客户端，与pSpace系统无缝集成，可以和地理信息系统（GIS）、ERP系统等诸多第三方软件系统进行无缝连接与集成，支持PDA掌上终端和IE浏览器访问力控的WEB服务器。

5.1调度中心各功能模块简介

5.1.1灌区自动化监控

灌区自动化监控系统由灌区监控调度中心工作站、各泵站、水管站现场工作站及其现场测控单元组成。该系统依托灌区信息采集系统和综合数据库的信息支持，以各类图表、图形实时显示各系统流程图、实时状态图、接线图以及关键设施、设备的运行参数，从而实现对全灌区系统的全面监控；可准确执行灌区调度决策支持系统下达的各项工作指令，根据灌区调度需要，完成对各泵站机组、各支斗口闸门、各变电站开关的远动程序化操作控制，实现对泵站出水流量、闸门开度、水位高程的闭环调节调整，保证各类设施设备高效运行，基本实现各泵站、变电站、闸站“无人值班、少人值守”，从而大幅提高灌区运行效率，降低工人劳动强度；可及时了解掌握各设施设备的安全动态，自动判断设施设备的不正常工作状态，准确进行故障及事故的紧急处置，减少事故的范围及损失，提高灌区运行的可靠性和经济性。

5.1.2水务公开

由综合数据库服务器、信息传输系统、各泵站、水管站现场工作站及分布于灌区各典型收益村镇、各用水大户等处的电脑显示系统、电脑触摸屏查询系统等组成。该系统运用计算机语音仿真技术和网络通信技术，可使灌区所有水管职工和用水户及社会各界人士随时对自己及他人各类灌溉用水参数、水量及水费缴纳情况进行电话查询和电脑触摸屏查询，并能查询灌区管理机构、灌溉管理知识、水价优惠政策等相关信息，使灌区供用水情况及灌区管理情况完全置于广大用水户的公开监督之下，从而使灌溉管理透明化、公开化，彻底杜绝以水谋私等各类不正之风，更好服务于灌区用水户及区域经济发展。

5.1.3灌区调度管理决策支持

系统能根据信息采集系统所收集、检测的各类农作物需水情况、土壤墒情信息、水源水文资料、灌区区域气象信息、灌区内土地资源分布及农作物种植结构、用水统计资料等生成阶段性或灌季的生产供用水计划，合理确定灌区的开机时间、提引水量、不同区域的灌溉制度及各级渠系的配水调度方案，避免单纯依靠经验进行调配水可能造成的调度失误及由此造成的水量浪费，提高灌区运行的经济性；还可以根据已出现的各类越限、事故报警，自动生成紧急事件的处置预案，供调度及管理人员参考，从而保证全系统各类设施设备的安全、经济、高效运行。

5.1.4 与GIS系统的无缝集成

力控eForceCon监控组态软件具有丰富的组件接口，软件可通过GIS组件实现与GIS系统的无缝集成。GIS组件支持Mapinfo与ArcGIS的地图文件格式，支持组件方式集成GIS-GPS的功能，利用脚本和VBA调用可充分互动。利用力控eForceCon监控组态软件与GIS系统的无缝集成，能够把灌区灌溉、水利防汛抗旱业务中的各种信息与反映空间位置的图形信息有机地结合在一起，根据用户的需要对这些数据进行处理和分析，并提供决策支持。

5.1.5与视频系统的无缝集成

系统采用先进的数字处理技术，使得图像质量更高，更易于保存，通过网络设备可以将图像进行远程传输，实现图像的远程监视、远程控制等功能。

系统软件可以提供强大的图像处理功能，调节图像的亮度和对比度等，即使是在很低的照明度的情况下，也能得到高质量的被监控对像的图像，并且可以将图像保存为通用格式，在专业图像处理软件中进行进一步的处理。

结合当前先进的IT技术，基于SOA架构、结合. NET平台技术的力控eForceCon监控组态软件支持B/S和C/S混合模式，实现了与视频监控、多媒体无缝集成，数据和视频有机结合。

6. 总结

采用国内先进监控组态软件力控eForceCon SD、实时数据库产品力控pSpace激励数据平台，利用自动控制、网络通信、计算机以及GIS 等信息技术构建大型灌区信息化系统，建设能够掌握灌区雨情、工情、水情、墒情、灾情的信息基础平台和重点信息化应用系统，科学地制定水资源优化调度方案，为防汛抗旱、节水灌溉、水力发电、农业生产、环境保护等方面的决策提供科学依据，充分发挥已建工程设施的效能，实现资源共享和有效利用，促进灌区经济社会协调发展，建立节水型农业、节水型工业和构建社会主义和谐社会，实现灌区社会经济可持续发展。