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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行實時自動監(jiān)測、監(jiān)控，實時采集水情數(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)化調度與調控水閘泵站運行，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)實意義。工程包括太浦河等四條河道沿線共36個泵閘的本地自動控制以及相應的遠程控制。

    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，還承擔遠程監(jiān)控的任務。同時考慮到將來還需要進一步自動測記潮汐、雨量以及水質等信息參數(shù)，為建立流域水動力模型及智能化調度決策作準備。

    本文采用了美國Lonworks現(xiàn)場總線，實現(xiàn)現(xiàn)場閘門的就地自動控制和遠程監(jiān)控，整體結構參見系統(tǒng)結構圖。Lonworks技術是美國Echelon公司九十年代中期推出的一種用于自動控制領域的網絡技術，是用于工業(yè)設備控制開放的數(shù)據(jù)網絡。

    閘站監(jiān)控點采用Lonworks總線的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：
    （1） 布線簡單：現(xiàn)場設備信號直接通過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撲的方式連接到監(jiān)測主機，布線極其簡單、可靠。不僅實現(xiàn)控制信號的監(jiān)測，同時可以監(jiān)測故障信號，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的遠程診斷。
    （2） 與遠程管理系統(tǒng)的無縫聯(lián)接：現(xiàn)場監(jiān)測主機采用i,Lon 100 internet服務器，該服務器既可以作為現(xiàn)場控制器，也可以連接Lonworks網絡到企業(yè)IP網絡或者Internet。由于內置了Web Server，因此允許通過Web的方式訪問其內置的時序調度、報警處理和數(shù)據(jù)記錄應用程序。此外，它還提供一個用作和監(jiān)控中心相互集成的SOAP/XML Web Services接口，通過該接口可以實現(xiàn)在當前最流行的Microsoft.Net架構下實現(xiàn)組態(tài)和監(jiān)控功能，而該架構是一個全開放的軟件平臺，真正做到底層設備的扁平化、互操作性和全開放性。
    （3） 技術成熟、節(jié)點開發(fā)周期短：作為遠程測控終端（RTU），閘站監(jiān)測點控制器以神經元芯片(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，只在應用層上需要開發(fā)，從而實現(xiàn)真正的分布式控制。
    （4） 擴展性強：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，網絡協(xié)議是開放的，其核心之一是利用“網絡變量”來綁定監(jiān)測點I/O信息的邏輯關系，擴展性強。

2、系統(tǒng)架構

    本系統(tǒng)的硬件架構為三層架構：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, 使用串行網關將數(shù)據(jù)轉換成LonWorks網絡數(shù)據(jù)。其上一層為78Kbit/s雙絞線自由拓撲結構的LonWorks網絡, 這層網絡負責將各閘站的串行網關連接起來, 或者僅僅作為中間接口提供給上層網絡, 這層網絡的中心管理單元為i.Lon 100以太網服務器（每個閘站用一個）；最上層是以太網或者電話撥號網絡, 將全市或更大范圍內的閘站連接起來, 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)結構如圖1所示。

表1. LonWorks 自由拓撲結構性能指標

3、監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

    水閘泵站SCADA系統(tǒng)設計包括：本地閘站串行網關的開發(fā)、監(jiān)控軟件設計以及組網設計。
    （1）串行網關的開發(fā)
    串行網關為一個標準的LonWorks網絡設備, 負責將現(xiàn)場水位儀、開度儀等傳感器的信息轉換為Lonworks通信協(xié)議，并根據(jù)一定的邏輯實現(xiàn)對閘門的自動控制。可以采用現(xiàn)有廠商的產品,或者立足于自行開發(fā), 兩者的硬件設備內容基本一致. 無論是自行開發(fā)還是外購, 神經元芯片內部的協(xié)議轉換程序都必須自行開發(fā), 以滿足不同協(xié)議轉換的需要。
       
    如圖2所示，對一個串行網關設備, 印制板大體包含如下內容:
    ● 智能收發(fā)器. 內含神經元芯片. 是所有LonWorks設備的核心.
    ● 電平轉換單元  負責整合RS-232信號不同的電平
    ● 外圍電路. 包含一些LonWorks設備獨有的簡單電路, 如Service Pin電路, 復位電路
    ● 隔離變壓器. 保護和耦合LonWorks設備到網絡上
    ● 電源
    所有這些設備都可以在一個很小的印制電路扳上實現(xiàn)。

    此次太湖流域（上海部分）水閘泵站SCADA系統(tǒng)采用美國BroadWin公司的網際組態(tài)軟件WebAccess。WebAccess實現(xiàn)了將傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術與標準的Web技術完美結合，突破了傳統(tǒng)組態(tài)軟件在網絡應用上的技術瓶頸，實現(xiàn)了遠程工程維護、遠程與現(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用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴展性和跨平臺性的要求，整個系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結構。如圖4所示。

    依據(jù)分中心功能需求和應用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴展性和跨平臺性的要求，整個系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結構。如圖4所示。

    I類閘站的通訊方式：6個I類閘站現(xiàn)場的應用軟件利用SOAP/XML通訊協(xié)議，從各現(xiàn)場的 iLON100服務器中直接采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和運行狀態(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用軟件利用相同原理直接讀取其負責監(jiān)控的各現(xiàn)場的iLON100服務器的實時數(shù)據(jù)，傳送運行參數(shù)至iLON100服務器，實現(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)傳遞是經由1類閘站再送至分中心實現(xiàn)。例如：太浦河分中心的部分實時數(shù)據(jù)是經由I類閘站取得，而并非直接從現(xiàn)場的iLON100中讀取。

    總中心應用軟件的數(shù)據(jù)來源，是經由各分中心應用軟件傳送上來的實時數(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)庫服務器中。

    市調度中心與太湖流域子系統(tǒng)的通訊方式：位于子系統(tǒng)總中心的應用軟件將建立Web Server網站發(fā)布站點，利用B/S架構向市調度中心提供標準的HTTP訪問接口。市調度中心的操作人員使用標準的瀏覽器登錄子系統(tǒng)總中心的Web Server，可以直接實現(xiàn)對整個太湖流域子系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

    水閘泵站監(jiān)控界面效果如圖5所示：

4、結束語

    利用Lonworks現(xiàn)場總線以及WebService技術，不僅可以建立水閘泵站SCADA系統(tǒng)，還可以為建立河網分片、分系統(tǒng)水動力學模型提供極大便利。因為該模型中除了流量、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、降雨產流模型和水質模型等相關參數(shù)的采集。監(jiān)測點這些參數(shù)信號的后續(xù)接入只需要直接掛在Lonworks總線上即可；同時對于附近水域的關聯(lián)信號可以利用“網絡變量”這種簡單的形式實現(xiàn)水力信息的綜合處理，從而節(jié)省了設備的投入成本，提高了節(jié)點通信的標準性和可靠性。借助于WEB Service，可以將子系統(tǒng)監(jiān)測信息遠程接入上級監(jiān)控中心，實現(xiàn)城市水域的管理信息化。