9.3.2 控制系统集成
测控一体化控制系统由闸位控制器、流量计、控制软件、通信网络集成。
(1)闸位控制器。闸位控制器通过电机控制闸门的提升和降落,同时具有远程通信功能,控制软件能够获取闸位反馈和设定闸位。交流电供电,现有闸门具有电动控制功能,能实现本地提升、降落、停止闸门,改造后实现闸门数据远传,远程控制闸门动作,配合下游流量计实现恒流量调节。太阳能供电,在无市电供电条件下,已有启闭机为手动操作,改造或新建闸门,实现闸门数据远传和恒流量调节。
1)供电系统。市电供电系统为220V/380V/AC 50 Hz电源,应用于节制闸、分水闸及大型取水口,闸门质量超过1t,市电为启闭机电机动力电源,交流电引入控制箱,通过开关电源转换提供24V/DC供给通信模块和控制仪表,见图9.15。太阳能供电系统包括太阳能板、太阳能控制器、蓄电池等,应用于小型取水口,闸门质量小于1t。蓄电池为启闭机动力电源,同时也是控制仪表及通信模块的电源,见图9.16。
2)电气控制。控制仪表通过24V/DC控制中间继电器,通过中间继电器再控制接触器吸合,实现对电机的正反转控制,接触器辅助触点提供电机运行状态信号,控制箱内有延时控制器及过流保护器防止卡闸造成烧毁电机或损伤启闭机,机械限位开关能解开接触器机械互锁,防止闸门运行超限。对太阳能供电系统,控制仪表自带通信功能,通过正反向给定驱动板电压,驱动板驱动直流电机正反转,从而控制启闭机提闸、落闸。
图9.15 市电供电系统组成示意图
图9.16 太阳能供电系统组成示意图
3)数据传输。DTU(通信模块)能主动与信息中心通过4G网络建立TCP连接,信息中心通过识别DTU标识,和数据库比对录入设备信息,标记通信通道和设备的联系,在多孔闸门的情况下DTU和闸门之间通过RS485总线连接,通过设置不同站号区分每孔闸门,控制仪表为MODBUS协议从机模式,响应信息中心控制软件的指令。
(2)流量计。流量计由水位计、流速计、计算仪表和通信模块组成,控制软件能够获取当前瞬时流量和下游水位。
图9.17 明渠电磁流量系统组成结构示意图
图9.18 雷达流量计结构示意图
1)流量计功能。流量计按工作原理可分为电磁流量计和雷达流量计。电磁流速计(见图9.17)以流速-水位运算法为基础,根据渠道宽度和测量精度要求,采用一线一点法或多线一点法明渠测流的数学模型。流量显示仪中微处理器根据实测的水位值、流速值和已置入的渠道几何尺寸、边坡系数、渠道精度、水力坡度、流速垂直平面修正系数,按照预定的数学模型计算出渠道的流量。雷达流量计(见图9.18)通过测量水流表面流速和水深,结合数学公式可计算出过水断面流量。不间断的测量方式可实现天然河流、明渠以及地下排污井动态流量的非接触式在线监测。雷达流量计设备不接触水体,减小了设备的维护成本；不破坏水的流态,保证了测量的准确性。
2)流量计性能。流量计性能见表9.7和表9.8。
表9.7 电磁流量计主要参数表
表9.8 雷达流量计主要参数表
3)设备结构。流量计设备结构示意图见图9.19。
4)供电系统。太阳能供电系统保证设备在放水期持续工作。
5)数据传输。DTU(通信模块)能主动与信息中心通过4G网络建立TCP连接,信息中心通过识别DTU标识,和数据库比对录入设备信息,标记通信通道和设备的联系,DTU和计算仪表之间通过RS485总线连接,计算仪表为MODBUS协议从机模式,响应信息中心控制软件的指令。
图9.19 流量计设备结构示意图
(3)控制软件。通过获取闸位执行器的闸位反馈值和流量计的流量及水深,通过设定值和当前值对比,推算预期闸位,将预期闸位设定至闸位执行器,并提供数据接口,对接应用软件。软件的主要功能包括：在线地图显示,实时数据查询,历史数据查询,水位-流量趋势曲线显示,水量年、月、阶段报表生成,闸位、水位、流量遥控等。软件同时设置了设备管理、用户管理、操作日志以及网页服务接口等通用功能。
各功能软件在适合计算机系统本身操作系统的前提下进行设计,不要求更改操作系统。软件高度模块化,修改时不对其他部分产生影响,测试、调整、维修程序简化。在应用程序、操作系统和数据库之间具有简明的接口。程序之间数据实现共享。
提供的操作系统能为中央理器的时间、存储和I/O设备提供有序的和有效的分配。该系统为实用多任务系统,具有中断/事件驱动,进行多用户编程和专门开发实时程序的能力。操作系统满足下列要求：为计算机设备支持的实时操作系统；操作系统在所提供的硬件构造中具有实用成功的经验；满足计算机监控系统的要求,不需重新开发；具有优先权为基础的任务调度执行、资源管理分配以及任务间通信和控制的手段,优先级至少32级；能有效地执行高级语言程序；能将数据从一种格式转换到另一种格式；执行诊断检查,自动切除故障和自动重新启动；对系统的启动、终止、监视、组态和其他联机活动具有交互式语言,命令程序支持；通过任务名称、数据名称和操作标号来实现软件的连接；为系统生成提供服务；提供文件控制的功能,包括文件的打开、关闭、读出和记录的基本存取方法；具有错误检测和校正的标准程序。
软件组成见图9.20,包括主控窗口、闸门控制、数据处理、系统管理、报警管理、通信管理6个模块。
图9.20 应用软件功能模块结构图
软件在满足数据通信和显示功能的基础上,具备以下控制功能：闸门的远程升降停按钮控制,软件控制界面应具备闸门升降停按钮,可以在现场通信正常、获得授权后高亮显示,在用户权限允许的情况下,按下按钮后发出控制命令给闸控现场PLC；远程定闸位控制,具备必要的权限(通信、软件权限、用户权限)情况下,在定闸位控制界面的闸位输入窗口输入需要的闸位值并确认,闸位值发送给现场,现场控制柜负责将闸门启闭到此指定开度,然后复位此命令；可以根据实时流量调节闸门开度,从而调节闸后流量到需要的数值；可以根据实时的闸前、闸后水位调节闸门开度,从而调节闸前、闸后水位到需要的数值；数据记录、数据查询、曲线生成、报表生成等。
(4)通信网络。闸位执行器、流量计通过4G网络与信息中心控制软件建立数据连接,收发指令。信息中心发布应用到公网地址,用户通过Internet访问信息中心,远程操作测控一体系统,见图9.21。
图9.21 通信网络体系结构示意图
通信系统具有以下功能：
1)IP网络互联功能,实现灌区内信息中心与信息分中心计算机网络互联,实现信息中心与水利站计算机网络互联。
2)广域网接入功能,信息中心、信息分中心、信息节点、现场监测站与Internet网络互联。
3)广域网IP地址申请功能,信息中心申请1组广域网固定IP地址。
4)组建虚拟网络功能,灌区内的计算机网络根据需要可以划分为若干个虚拟网络。
5)可为各应用软件系统提供网络运行平台。
6)信息中心对灌区网络集中管理功能。
7)网络安全防范功能。
(5)安全体系。灌区管理信息系统安全防护规划设计按照三级标准进行设计,总体原则为“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”,以保证监控系统和信息化数据网络的安全。所有系统都必须置于相应的安全区内,纳入统一的安全防护。分别建立公共数据区,内网公共数据分布于生产管理信息服务器。网络配置网络防病毒系统。在各安全区部署基于网络的入侵防御系统,网络入侵防御系统是专门针对黑客攻击行为而研制的网络安全设备,它通过对计算机网络或计算机系统中若干关键点收集信息并对其进行分析,从中发现网络或系统中是否有违反安全策略的行为和被攻击的迹象,可以实施对网络攻击及违规行为的监测与响应策略。