水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案
一、前言
水利行業(yè)是一個(gè)歷史十分悠久的行業(yè)，也是信息十分密集的行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)已進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí) 代。采用新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)水利工程項(xiàng)目的設(shè)備與管理進(jìn)行現(xiàn)代化改造和智能化建設(shè)是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)社會(huì)主義建設(shè)和水利行業(yè)的發(fā)展前景有著深遠(yuǎn)的意 義。水利現(xiàn)代化和智能化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)資源共享，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的需要。信息化系統(tǒng)建成后，消除了信息孤島，減少了數(shù)據(jù)冗余，提高了信息的可靠性和科學(xué) 性。信息快速方便的信息傳遞為上級(jí)部門正確決策提供了保證，同時(shí)也提高了水庫現(xiàn)代化管理水平，提高了水庫的工作效率。同時(shí)也為水利信息化建設(shè)打下了基礎(chǔ)。 水庫，一般建在比較偏僻的山區(qū)，盡管現(xiàn)在交通發(fā)達(dá)，但對(duì)水庫運(yùn)行管理來說仍然不便。一方面因?yàn)槁吠具b遠(yuǎn)，工作人員每天在往返的路上浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力； 另一方面道路崎嶇，多是山路，行車危險(xiǎn)，特別是雨季，道路泥濘，這給水庫的管理工作帶來很大的不便。特別是在汛期暴雨期間，可能造成山體滑坡，電線中斷等 事故，工作人員無法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。此時(shí)更是防洪的關(guān)鍵時(shí)期，必須保證閘門的合理控制，才能有效的控制洪水，保證人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)的安全。隨著現(xiàn)代通訊事業(yè)的 不斷發(fā)展，無線技術(shù)應(yīng)用在控制領(lǐng)域中越來越成熟。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的通訊，從而達(dá)到用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)水庫閘門遠(yuǎn)程控制的目的。
二、 項(xiàng)目分析
2．1,閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成
2．1．1 終端閘門控制系統(tǒng)
采集閘門狀態(tài)信息，如閘門開度、水庫水位等，和執(zhí)行各項(xiàng)中心發(fā)出的指令。
2．1．2 無線傳輸設(shè)備
鑒于終端閘門控制系統(tǒng)的接口和設(shè)備的工作環(huán)境等多種情況的要求，我們選擇廈門四信通訊有限公司的F2103 IP MODEM (DTU)。 采用RS-232/485接口、金屬外殼設(shè)計(jì)，它具有體積小、功耗低、配置使用簡單、即插即用。支持主備數(shù)據(jù)通道、并行多數(shù)據(jù)通道，支持實(shí)時(shí)在線和按需在 線多種工作方式，如定時(shí)上下線和設(shè)備喚醒，并且支持APN網(wǎng)絡(luò)接入等功能不僅可以保障數(shù)據(jù)安全可靠還能讓客戶根據(jù)需傳輸節(jié)省資費(fèi)。
2．1．3 數(shù)據(jù)控制中心
源始數(shù)據(jù)處理與管理中心，負(fù)責(zé)對(duì)終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，對(duì)分析結(jié)果做出判斷，并下達(dá)各種控制指令。
2．2 系統(tǒng)總架構(gòu)
終端閘門控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過RS232/485通訊接口與F2103串口連接，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以使用APN專線或普通ADSL等作為網(wǎng)絡(luò)接入。
通訊設(shè)備F2103通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主機(jī)，建立透明數(shù)據(jù)通道。這樣采集終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)只要送到串 口，F(xiàn)2103就會(huì)把收到的數(shù)據(jù)不做任何處地發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主機(jī)。服務(wù)器主機(jī)收到終端上傳上來的各項(xiàng)源始數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和各種判斷，并向 終端設(shè)備發(fā)出控制指令，服務(wù)器主機(jī)發(fā)出的控制指令通過通道傳輸?shù)紽2103后，F(xiàn)2103通過串口送到采集終端，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。
2．3．1 中心控制室
中心控制室是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，主要由工控機(jī)和上位機(jī)軟件等構(gòu)成。工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)實(shí)時(shí)采集來的閘門開度、水庫水位進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理入庫等操作。通過水庫水位（H1）、閘門開度（H2）和實(shí)際H1 H2～Q、H～M、H～V曲線，計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)比計(jì)算出放水流量、水庫庫容、庫面面積等?？梢噪S時(shí)觀察水庫水位和蓄水量等參數(shù)的變化情況。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn) 軟硬件接口，可以與水情自動(dòng)遙測(cè)、大壩自動(dòng)觀測(cè)等系統(tǒng)共同組成水庫運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。作為系統(tǒng)工作安全的要求，對(duì)閘門的操作有嚴(yán)格的使用權(quán)限，設(shè)有軟硬件隔 離，操作指令保護(hù)措施。閘門開度、操作時(shí)間、操作者姓名及時(shí)入庫保存，只有高級(jí)管理員才可以修改。這樣可以保證閘門操作的安全。
2．3．2 現(xiàn)地控室
現(xiàn)場(chǎng)地控室距離閘門現(xiàn)場(chǎng)比較近，主要有控制柜，工控機(jī)、GPRS IP MODEM(GPRS DTU)、不間斷電源、分控軟件、以及轉(zhuǎn)換模塊組成。工控機(jī)作為下位機(jī)功能基本與上位機(jī)相同，但操作級(jí)別比上位機(jī)低。下位機(jī)也有工控機(jī)主要是為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，即使上位機(jī)出現(xiàn)了故障，不致影響對(duì)閘門的操作。
2．3．3 現(xiàn)場(chǎng)控制屏
現(xiàn)場(chǎng)控制屏相當(dāng)于閘門操作按鈕。它直接對(duì)閘門的上升、下降、停止進(jìn)行控制。也是閘門開度的采集部分，負(fù)責(zé)將閘門開度值傳到下位機(jī)中。將開度儀傳來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成RS-485信號(hào)傳到下位機(jī)中，完成開度的采集傳輸工作。
2．3．4 閘門開度儀
閘門開度儀采用彈拉式開度儀，它是將測(cè)量柔絲的線位移轉(zhuǎn)換成碼盤的角位移，以達(dá)到用編碼器來測(cè)量線位移的目的。同時(shí)將閘門的開度轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳到現(xiàn)場(chǎng)控制屏里，完成測(cè)量工作。
三、項(xiàng)目架構(gòu)實(shí)施方案
3．1 無線通訊設(shè)備F2103與終端采集設(shè)備連接
F2103支持RS232/485接口，可以通過RS232/485接口與終端連接。接口定義如下：
3．2．1專線接入
中心采用APN專線， 所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。
為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。
用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過程中可能的泄漏。
雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。
此種方案無論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
3．2．2 ADSL撥號(hào)連接（動(dòng)態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝?與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由 DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù) 商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3．2．3 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INT ERNET運(yùn)營商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。 運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
3．2．4 數(shù)據(jù)中心軟件平臺(tái)構(gòu)建
中心端軟件的構(gòu)建有多種方式，對(duì)于傳入數(shù)據(jù)的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實(shí)現(xiàn)中心端的數(shù)據(jù)接收和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理。
目前四信提供三種方式的中心接口：
四、方案特點(diǎn)
1、傳輸模塊采用無線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，目前GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋到全國各地甚至偏遠(yuǎn)山區(qū)也有覆蓋，因此水庫監(jiān)測(cè)站可以在不受地理位置影響的情況下正常接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)傳輸通信通道。
2、傳輸模塊具有可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，智能防掉線，支持在線檢測(cè)，在線維護(hù)，掉線自動(dòng)重拔，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，確保通信通道正常，為數(shù)據(jù)中心提供準(zhǔn)備、實(shí)時(shí)的偵測(cè)數(shù)據(jù)。
3、維護(hù)和管理人員可以任意可以上網(wǎng)的地點(diǎn),經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證和身份認(rèn)證后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)和數(shù)據(jù)監(jiān)控。傳輸模塊經(jīng)過簡單配置即可使用；體積小方便安裝。支持遠(yuǎn)程參數(shù)的配置修改、控制，可以不必到現(xiàn)場(chǎng)修改設(shè)備工作數(shù)，為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作節(jié)省了大量的人力物力。
4、傳輸模塊采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V);工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC;儲(chǔ)存溫度 -40~+85ºC;相對(duì)濕度 95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)。
5、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數(shù)據(jù)等；終端設(shè)備故障或異常時(shí)，自動(dòng)發(fā)短信報(bào)警信息給維護(hù)人員。
6、傳輸模塊采用主備份中心和自動(dòng)回復(fù)主中心功能,并同時(shí)支持多中心并發(fā)功能(最多5個(gè))，數(shù)據(jù)中心支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式,如APN、固定IP、動(dòng)態(tài)IP、動(dòng)態(tài)域名等。
7、四信可為客戶提供二次開發(fā)包和多語言版本數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件以便客戶的需要進(jìn)行二次開發(fā)；同時(shí)針對(duì)客戶的需求，提供多種技術(shù)支持，包括產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)人員技術(shù)培訓(xùn)、軟件開發(fā)全程技術(shù)配合、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試技術(shù)支持等服務(wù)。
五、方案總結(jié)
此系統(tǒng)在GRPS無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)無線通訊，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程水庫閘門的控制。經(jīng)過長期運(yùn)行證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，給水庫的管理工作帶來了方便，對(duì)水庫的防洪調(diào)度起到了積極的作用。
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