常州市水利局闸站监控系统设计方案

常州市水利局闸站监控系统设计方案河海大学常州校区二00二年四月1第一章概述1．1工程概况常州市水利局闸站监控系统是常州市水利信息化的重要组成部分，其主要功能是通过水利大楼（中心站）可以实现远程了解闸站水泵的状态，并可以通过数字式视频摄像机监视内河水位，便于集中指挥调度。整个系统主要包括闸站控制系统和闸站监视系统两部分，其中包括风凰泵站、浏塘浜站、龙游河站、东市河泵站、后塘河站、西水关泵站、西市河泵站、殷家桥站、西园村闸、龙游河闸、锁桥闸、人防闸。1．2系统设计原则系统的设计以达到“可靠、先进、实用、经济”为原则，具有国内同类系统先进水平。确保系统长期、可靠、安全、稳定运行。其总体技术要求满足：1、可靠性：主要设备及元器件（包括组态软件）采用国内外著名公司产品。2、先进性：采用先进的图像监控和工业自动化控制技术，在同类项目中,要求达到国内先进水平。3、经济性：系统的建设以适用为主,性能价格比高，实用性强。4、开放性和可扩充性：系统硬件和软件均采用模块化、结构化、标准化,便于系统功能的扩充和系统的互联。主要系统设备满足可拆卸重组要求。5、易操作性、可维护性：系统的操作要简单,维护管理方便。6、监控系统具有有效的抗雷电、抗强电、抗电磁干扰措施：能在潮湿、振动、灰尘等恶劣环境下正常运行。对系统的信号传输采用可靠的保护措施,以防工业干扰和雷电的影响，减少数据出错和元器件的损环。系统配置在线式不间断电源（UPS）。1．3闸站监控系统总体结构常州市水利局闸站监控系统主要包括闸站控制系统和闸站监视系统两部分，其中闸站控制系统包括水泵、闸门控制。其核心由澳大利亚ACTION公司生产的RTU来实现控制，负责与现地控制单元（LCU）、闸门状态检测装置、内河水位检测装置以现场串口485方式通信，并通过光纤网把数据传送到中心站（水利大楼）。闸站监视系统主要采用摄像机通过视频服务器，借助光纤网，把图像信息传送到中心站（水利大楼），从而实现远程监控闸站及内河水位。系统总体结构如图1所示。2光纤网络网络交换机视频监控终端液晶投影仪大屏幕DEC311闸泵站设备监控终端RTU控制器泵闸电压电流485总线云台解码器视频信号频串行控制信号频网络信号频水位电磁阀闸位图例网络交换机图1闸泵站监控系统结构图31．4技术方案特点根据系统总体设计原则，在常州市水利局闸站自动监控系统设计上，着重考虑以下几点，供业主参考。1．4．1可靠性设计1、硬件可靠性设计（1）使系统不易发生故障的设计充分考虑采用成熟先进的技术设备。从每一个元器件的选择开始，充分考虑各种因素的变化，降低元器件的使用定额。全面进行系统的防雷设计、安装设计、低功耗设计、耐环境设计等。（2）发生故障后对系统影响最小的设计A安全性：即使发生故障，仍能使系统保持预定的稳定状态。采用故障局部化和实时检测，采取各种保护回路。即使CPU发生故障，确保系统的输入输出保持在安全状态。B故障弱化：即使发生故障，系统仍可完成预定的部分重要任务。采用备用设计。包括自动备用，手动备用。2、软件可靠性设计软件设计有它本身的特殊性。软件是一种逻辑系统部件，而不是物理系统部件。软件运行过程中不会因为使用时间过长而用“坏”。其错误是开发时期引入的，而测试阶段又未能发现。它也无法象硬件那样通过更换部件的方法来解决。因此，软件开发和维护是一个极端复杂的问题。它不仅涉及到技术和方法问题，也涉及到管理问题。只有把握好软件开发和软件测试这一关，才能保证软件系统的可靠性。如何解决这一问题，必须采用“软件工程”的设计方法。将工程项目所积累的行之有效的原理，概念，技术和方法应用于软件开发实践，使软件开发成为组织良好，管理严密，各类人员协同配合，共同完成的工程项目。具体要做好以下几个方面的工作。（1）问题定义通过需求分析，由用户和软件分析员共同讨论分析并提出软件系统的目标和范围的说明书。必要时还需邀请有关专家进行讨论决定。（2）可行性研究对问题定义阶段提出的问题是否有行得通的解决办法。就这些办法，结合目前软件发展水平，包括操作系统，数据库软件，软件开发平台等提出可行性论证报告。（3）需求分析确定用户对软件系统（主要是系统功能）的全部要求，以需求规格说明书的形式表达出来。（4）总体设计建立软件系统的总体结构。提出软件结构图或层次图。包括各功能模块，模块与模块之间的联系。最大限度地减少各功能模块之间的耦合，确保模块的相对独立性。（5）详细设计4对每一个功能模块确定其内部过程结构。包括变量的类型、数量、范围，全局性还是局部性等。（6）编程按选定的程序设计语言，将各功能模块内部过程描述翻译成源程序。特别要指出的是：为确保软件系统的可靠性，必须保证其在投入现场运行前已进入成熟阶段。因此，最好选用描述性程序设计语言以及面向对象的设计语言（如VisualBasic，VisualC++，Delphi等）（7）测试严格把握测试这一关，认真发现和排除上述各阶段可能产生的各种错误。1.4.2可维护性设计在不停止系统运行的情况下进行维护（在线维护）。采用诊断技术，自动恢复技术。通过维护性信息输出，运行状态画面显示，预防性维护信息提示等，实现系统故障的快速排除，达到在线维护的目的。1.4.3可扩展性设计通过系统集成，在硬、软件上均采用分布式，模块化积木式结构。构造成一个层次分明，结构合理，独立性强，易扩展，开放式系统。1.4.4实用性设计实用是系统设计成败的重要因素之一。实用不等于不先进，在一定意义上，实用应该是先进系统的更高层次。系统设计应充分意识到现场运行的需要，包括现场运行条件，现场运行人员素质。保证运行管理、运行操作、运行维护源于常规而又高于常规。具体体现在：1、友好的人机界面，方便的操作方式；2、完善的信息提示，可靠的操作保障；3、动态的操作流程，实时的操作进程；4、标准的数据库结构，高度自动化的信息管理；5、方便快捷的操作指导，多重可靠的操作权限。1.4.5经济性设计高性能价格比是系统设计人员刻求的目标。合理的系统结构，优化的系统配置，通用化的设备选型，标准化的设备制造都是降低系统成本的重要因素。只要有效地把握系统设计、选型、制造、施工等各个环节，可大大降低工程费用。51.4.6防雷设计计算机控制系统均属于弱电工程，耐压值很低。工程应用中必须优先考虑保护人和设备不受电、火灾和雷灾的侵害。根据近百年来人们对雷电现象研究得出的结论，认为雷电电压入侵电器设备的途径有两种：直接雷和感应雷。雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直接雷；由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压和过电流形成的雷击成为感应雷。由于水工建筑物本身有较完善的防雷设施，包括避雷网（带），避雷针或混合组成的接闪器，立柱基础的钢筋网、闸门闸体的钢筋网、钢屋架与屋面板钢筋等形成一个整体，避雷网通过全部立柱基础的钢筋网作为接地体，将强大的雷电流引入大地。计算机系统安置在闸站等建筑物内，受建筑物防雷系统保护。故直接击中计算机网络系统的可能性非常小，计算机设备抗直接雷击的能力很低，防护设备非常昂贵，通常不必安装防护直接雷的设备。所以计算机系统主要必须防止感应雷。感应雷入侵计算机系统的雷过电压、过电流主要有以下三个途径：1、交流电220VAC电源供电线路入侵；2、由计算机网络通信线路入侵；3、地电压反击电压通过接地体入侵。根据以上分析，拟采取下列防雷措施：1、均衡系统电位各个设备建立良好的等电位接地体，即交流工作接地、保护接地、直流工作接地、防雷接地公共一组接地装置的联合接地方式。2、逐级分别泄流在雷电经过的线路上逐级安装避雷设备，将雷电流、感应过电压逐级泄放。主控级设备选用带雷电保护的UPS电源；通信线路选用光缆，切断各个设备之间的电气连接，绝对的防雷击和电磁干扰；现场控制设备的电源输入端采用高性能的隔离变压器，RTU工作电源选用防雷电电源模块。3、加强屏蔽在线路信道上建立屏蔽层，屏蔽层与闸站联合接地系统良好连接，预防感应雷干扰和破坏线路及设备。电缆敷设在金属桥架或金属管线内，金属桥架或金属管线与大坝联合接地系统良好连接，充当导线的屏蔽层。强、弱电导线不能共享一组金属桥架或金属管线，强电金属桥架或金属管线与弱电金属桥架或金属管线并行敷设时，净距离不小于20cm。6第二章闸站控制系统设计方案2．1总体结构闸站自动化远程控制系统是集数据采集处理、数据通信及控制技术于一体的综合应用系统，其结构分为现场采集部分、通信部分和控制三部分组成。现场控制单元部分：现场采集主要利用相应传感器通过RTU实现对内河水位数据采集、水泵控制、水泵电流电压的测量、闸的开启状态测量、通过液压泵站或电动机控制闸门的开启。水泵及电动式闸门控制系统状态量序号名称内容点数说明1控制方式远方/现地2水泵电机状态及运行参数测量运行起动/停止（交流接触器）1过流热继电器1短路自动空气开关1电流量电流传感器（数字量输出）1电压量电压传感器（数字量输出）1闸门状态位置状态全开/全关（闸位计）34水位内河水位12位格雷码（浮子式水位计）液压闸门控制系统序号名称内容点数说明1油泵电机起动/停止22液压系统电磁阀升/降（YV3，YV4）3电磁溢流阀YV1，YV22状态指示压力/油位/油温3闸门系统运行指示升/降状态指示全开/全关4故障故障指示故障指示灯报警电铃7通信部分：利用Moxa公司的串行/以太网转换器DEC311，以比较低的成本，利用光纤，实现控制中心与现地控制单元的全双工通信，有效的避免了重复布线。主机系统部分：系统控制部分主要是实现远程对现场水泵、闸门控制等功能，并对数据进行处理、显示、形成各种报表。其总体结构框图如图2所示。闸门操作控制采用性能优良、技术先进、工作可靠的澳大利亚ACTION公司RTU。其功能如下：（1）自动检测各扇闸门的启闭状态、内河水位，分辨率为1cm；（2）提供直观的操作界面，操作员可方便地实施各扇闸门的启、闭操作；（3）具有手动控制与自动控制，近地控制与远方控制的选择；2.2现地控制单元（LCU）LCU由控制部分和动力部分两部分组成。控制屏控制部分主要有澳大利亚ACTION公司生产的RTU、现地手动控制按钮、状态指示灯、故障指示灯、转换开关、闸门状态指示仪、中间继电器等组成；动力部分主要有自动空气开关、交流接触器、热继电器、电压、电流指示仪表等组成。传感器测量模块RTU闸门状态计水位计动力屏#1水泵电机#2水泵电机动力屏交换机交换机光纤网闸门液压控制系统图2闸门监控系统框图MoxaDEC3118系统能实现计算机远方控制，也能进行就地手动控制，二者相互独立，互为闭锁。本系统现地控制单元LCU可通过“选择开关”来选择就地控制和远方控制工作方式。为适应运行工况的要求，现地控制单元系统控制电源均采用双路电源供电，通过双电源控制器实现控制电源的自动切换。保证一路电源发生故障或一台电机故障的情况下，受故障影响的闸门仍能正常启闭操作。对于闸门液压启闭系统，一套液压泵站配备1台油泵电机。系统控制主要是对油泵电机实现起/停控制，并按照相应的启闭控制流程实现对升/降电磁阀，换向阀（电磁溢流阀）的控制。本系统LCU通过控制油缸，来控制闸门，故每个LCU需控制1个升/降电磁阀，1个换向阀（电磁溢流阀）。以及液压系统状态监测输入点（压力、油位、滤油器堵塞等）。系统监测主要有闸门状态（全开位置，全关位置），液压泵站运行参数（通常主要有系统过压、欠压，油缸上腔过压，油缸下腔过压，油箱油位过高、低、过低，油箱油温高、低，以及滤油器堵塞等）。本系统只有油路系统过压。系统主要控制功能、保护方式主要有：（1）油泵电机（包括备用电机）启动与停止控制；（2）闸门提升与下降控制；（3）闸门下滑自动复位控制；（4）闸门开度实时检测与显示；（5）状态指示、故障指示与故障报警；（6）油路过压和电机过载保护；（7）油箱油位过高，过低，及滤油器堵塞保护等。对于闸门电动启闭系统以及水泵控制系统，均采用通过控制交流接触器来实现其启动、停止，电机的电压、电流需通过传感器采集传送到中心站。通过浮子式水位传感器采集水位，闸位传感器采集闸位状态，并把数据以总线方式传送到