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1、概述

    在太湖流域（上海部分）建立水閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)，對黃浦江上游河道的水情和工情進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測、監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集水情數(shù)據(jù)、通過信息傳輸與處理，在決策系統(tǒng)支持下，作出優(yōu)化調(diào)度與調(diào)控水閘泵站運(yùn)行，這對于“洪水走廊”功能的有效發(fā)揮，對于確保上海市城市防洪安全和充分發(fā)揮清水資源的合理利用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。工程包括太浦河等四條河道沿線共36個(gè)泵閘的本地自動(dòng)控制以及相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制。

    現(xiàn)場閘站作為最終執(zhí)行者，不僅要完成現(xiàn)場水情、工情采集的功能，還承擔(dān)遠(yuǎn)程監(jiān)控的任務(wù)。同時(shí)考慮到將來還需要進(jìn)一步自動(dòng)測記潮汐、雨量以及水質(zhì)等信息參數(shù)，為建立流域水動(dòng)力模型及智能化調(diào)度決策作準(zhǔn)備。

    本文采用了美國Lonworks現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場閘門的就地自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，整體結(jié)構(gòu)參見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。Lonworks技術(shù)是美國Echelon公司九十年代中期推出的一種用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是用于工業(yè)設(shè)備控制開放的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

    閘站監(jiān)控點(diǎn)采用Lonworks總線的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
    （1） 布線簡單：現(xiàn)場設(shè)備信號(hào)直接通過Lonworks通用采集控制模塊掛在總線上，并通過一根雙絞線采用自由拓?fù)涞姆绞竭B接到監(jiān)測主機(jī)，布線極其簡單、可靠。不僅實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的監(jiān)測，同時(shí)可以監(jiān)測故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷。
    （2） 與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的無縫聯(lián)接：現(xiàn)場監(jiān)測主機(jī)采用i,Lon 100 internet服務(wù)器，該服務(wù)器既可以作為現(xiàn)場控制器，也可以連接Lonworks網(wǎng)絡(luò)到企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)或者Internet。由于內(nèi)置了Web Server，因此允許通過Web的方式訪問其內(nèi)置的時(shí)序調(diào)度、報(bào)警處理和數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序。此外，它還提供一個(gè)用作和監(jiān)控中心相互集成的SOAP/XML Web Services接口，通過該接口可以實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前最流行的Microsoft.Net架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)組態(tài)和監(jiān)控功能，而該架構(gòu)是一個(gè)全開放的軟件平臺(tái)，真正做到底層設(shè)備的扁平化、互操作性和全開放性。
    （3） 技術(shù)成熟、節(jié)點(diǎn)開發(fā)周期短：作為遠(yuǎn)程測控終端（RTU），閘站監(jiān)測點(diǎn)控制器以神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)為核心,采用與ＯＳＩ（開放系統(tǒng)互連）七層參考模型兼容的Lontalk協(xié)議，只在應(yīng)用層上需要開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。
    （4） 擴(kuò)展性強(qiáng)：Lonworks是世界上唯一支持OSI全部七層協(xié)議的現(xiàn)場總線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是開放的，其核心之一是利用“網(wǎng)絡(luò)變量”來綁定監(jiān)測點(diǎn)I/O信息的邏輯關(guān)系，擴(kuò)展性強(qiáng)。

2、系統(tǒng)架構(gòu)

    本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)為三層架構(gòu)：最底層為水位儀、開度儀等工情水情傳感器，通訊為RS-232串口通信, 使用串行網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LonWorks網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。其上一層為78Kbit/s雙絞線自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LonWorks網(wǎng)絡(luò), 這層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將各閘站的串行網(wǎng)關(guān)連接起來, 或者僅僅作為中間接口提供給上層網(wǎng)絡(luò), 這層網(wǎng)絡(luò)的中心管理單元為i.Lon 100以太網(wǎng)服務(wù)器（每個(gè)閘站用一個(gè)）；最上層是以太網(wǎng)或者電話撥號(hào)網(wǎng)絡(luò), 將全市或更大范圍內(nèi)的閘站連接起來, 最終集中到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心為第三層的中心管理單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1. LonWorks 自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

3、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    水閘泵站SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：本地閘站串行網(wǎng)關(guān)的開發(fā)、監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)以及組網(wǎng)設(shè)計(jì)。
    （1）串行網(wǎng)關(guān)的開發(fā)
    串行網(wǎng)關(guān)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 負(fù)責(zé)將現(xiàn)場水位儀、開度儀等傳感器的信息轉(zhuǎn)換為Lonworks通信協(xié)議，并根據(jù)一定的邏輯實(shí)現(xiàn)對閘門的自動(dòng)控制。可以采用現(xiàn)有廠商的產(chǎn)品,或者立足于自行開發(fā), 兩者的硬件設(shè)備內(nèi)容基本一致. 無論是自行開發(fā)還是外購, 神經(jīng)元芯片內(nèi)部的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序都必須自行開發(fā), 以滿足不同協(xié)議轉(zhuǎn)換的需要。
       
    如圖2所示，對一個(gè)串行網(wǎng)關(guān)設(shè)備, 印制板大體包含如下內(nèi)容:
    ● 智能收發(fā)器. 內(nèi)含神經(jīng)元芯片. 是所有LonWorks設(shè)備的核心.
    ● 電平轉(zhuǎn)換單元  負(fù)責(zé)整合RS-232信號(hào)不同的電平
    ● 外圍電路. 包含一些LonWorks設(shè)備獨(dú)有的簡單電路, 如Service Pin電路, 復(fù)位電路
    ● 隔離變壓器. 保護(hù)和耦合LonWorks設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)上
    ● 電源
    所有這些設(shè)備都可以在一個(gè)很小的印制電路扳上實(shí)現(xiàn)。

    此次太湖流域（上海部分）水閘泵站SCADA系統(tǒng)采用美國BroadWin公司的網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess。WebAccess實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的Web技術(shù)完美結(jié)合，突破了傳統(tǒng)組態(tài)軟件在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程工程維護(hù)、遠(yuǎn)程與現(xiàn)場零距離的監(jiān)控能力等功能。

    依據(jù)分中心功能需求和應(yīng)用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性的要求，整個(gè)系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

    依據(jù)分中心功能需求和應(yīng)用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性的要求，整個(gè)系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

    I類閘站的通訊方式：6個(gè)I類閘站現(xiàn)場的應(yīng)用軟件利用SOAP/XML通訊協(xié)議，從各現(xiàn)場的 iLON100服務(wù)器中直接采集現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

    總中心、分中心、匯聚站間的通訊方式：分中心和匯聚站的應(yīng)用軟件利用相同原理直接讀取其負(fù)責(zé)監(jiān)控的各現(xiàn)場的iLON100服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳送運(yùn)行參數(shù)至iLON100服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)控制原理。如果某分中心下已有I類閘站的情況，則I類閘站下的數(shù)據(jù)傳遞是經(jīng)由1類閘站再送至分中心實(shí)現(xiàn)。例如：太浦河分中心的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是經(jīng)由I類閘站取得，而并非直接從現(xiàn)場的iLON100中讀取。

    總中心應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)來源，是經(jīng)由各分中心應(yīng)用軟件傳送上來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過ODBC接口將全部歷史數(shù)據(jù)寫入ORACLE數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

    市調(diào)度中心與太湖流域子系統(tǒng)的通訊方式：位于子系統(tǒng)總中心的應(yīng)用軟件將建立Web Server網(wǎng)站發(fā)布站點(diǎn)，利用B/S架構(gòu)向市調(diào)度中心提供標(biāo)準(zhǔn)的HTTP訪問接口。市調(diào)度中心的操作人員使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器登錄子系統(tǒng)總中心的Web Server，可以直接實(shí)現(xiàn)對整個(gè)太湖流域子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    水閘泵站監(jiān)控界面效果如圖5所示：

4、結(jié)束語

    利用Lonworks現(xiàn)場總線以及WebService技術(shù)，不僅可以建立水閘泵站SCADA系統(tǒng)，還可以為建立河網(wǎng)分片、分系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)模型提供極大便利。因?yàn)樵撃Ｐ椭谐肆髁?、閘位以及水位等參數(shù)以外，還需要考慮河道上下游邊界條件、降雨產(chǎn)流模型和水質(zhì)模型等相關(guān)參數(shù)的采集。監(jiān)測點(diǎn)這些參數(shù)信號(hào)的后續(xù)接入只需要直接掛在Lonworks總線上即可；同時(shí)對于附近水域的關(guān)聯(lián)信號(hào)可以利用“網(wǎng)絡(luò)變量”這種簡單的形式實(shí)現(xiàn)水力信息的綜合處理，從而節(jié)省了設(shè)備的投入成本，提高了節(jié)點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)性和可靠性。借助于WEB Service，可以將子系統(tǒng)監(jiān)測信息遠(yuǎn)程接入上級監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)城市水域的管理信息化。