淺析灌區(qū)水利信息自動化
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摘要對灌區(qū)水利信息自動化進行介紹，包括灌區(qū)各級水利調(diào)度中心、現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)、各類水情水文的采集、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和無線及有線通信系統(tǒng)5方面內(nèi)容，以期為灌區(qū)水利自動化發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞灌區(qū)；水利信息自動化；陜西渭南
近年來，在中央“關(guān)于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”的號召下，各級政府機構(gòu)對農(nóng)業(yè)水利的投入不斷加大。各農(nóng)業(yè)灌區(qū)正在根據(jù)預定計劃，穩(wěn)步扎實地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利信息自動化的續(xù)建配套改造計劃。水利信息自動化是將計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)以及自動控制有機整合后，用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)的日常運行中，從而實現(xiàn)對水雨情、渠道泥沙厚度、渠道水位、流量、流速的實時監(jiān)測和調(diào)控。通過對各級泵站、閘門的自動控制，完成對整個灌區(qū)的水利調(diào)度[1-2]。灌區(qū)水利信息自動化大體由以下幾部分組成：①灌區(qū)各級水利調(diào)度中心；②現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)；③各類水情、水文的采集；④視頻監(jiān)控系統(tǒng)；⑤無線及有線通信系統(tǒng)。
1灌區(qū)各級水利調(diào)度中心
灌區(qū)各級水利調(diào)度中心設(shè)置于灌區(qū)管理局以及下屬的各調(diào)度總站。水利信息自動化建成后，替代了以往傳統(tǒng)的水利調(diào)度手段，實現(xiàn)了水利調(diào)度的“有人值班，無人值守”[3]。通過設(shè)置在調(diào)度中心的水費計收系統(tǒng)、水情采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫備份系統(tǒng)，完成以下操作：①面向灌區(qū)用水用戶的水費計收；②對渠道水位，流量以及渠道污泥厚度等的實時監(jiān)測并顯示；③閘門的實時控制；④對重要部位的視頻監(jiān)控；⑤對各類重要數(shù)據(jù)的周期備份[4]。
2現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)
可編程控制器PLC以其邏輯運算復雜、運行可靠、易學易用、抗干擾性強、擴展容易、通信能力強等優(yōu)點廣泛應用于各行業(yè)。灌區(qū)現(xiàn)地控制系統(tǒng)采用以西門子S7-200PLC為核心的現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)。通過與上位機的通訊以及編寫PLC控制程序，完成對閘門的遠程控制，將該系統(tǒng)固定安裝于各支、斗渠的閘房內(nèi)。使存有控制程序的PLC與啟閉機電氣控制柜有效連接，通過設(shè)置在調(diào)度中心的閘門控制軟件對各級閘門進行遠程操作。灌區(qū)的閘門控制系統(tǒng)是基于各支、斗渠閘前閘后水位差異來實現(xiàn)對閘門開度的調(diào)節(jié)，中心值班人員通過上位閘門控制軟件發(fā)送目標水位，進而操作閘門動作，從而實現(xiàn)對各支、斗渠的水量配送，完成水利調(diào)度。水利調(diào)度人員也可以通過設(shè)置在各閘房內(nèi)的遠程現(xiàn)地轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換遠程操作和現(xiàn)場控制，從而確保閘門控制的靈活性，并且可以對特殊情況進行緊急處理[5]。
3各類水情、水文的采集
通過對各類水情、水文的采集，完成對水位、渠道流速等的實時監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)應用于其他方面。選用適合灌區(qū)的壓阻式水位傳感器、超聲波流速儀、超聲波污泥厚度儀安裝于渠道測井、測流橋等需要監(jiān)測的部位，完成對水位、水速等的采集，從而為閘門自動控制、流量計算、水費計收等做好準備。在需要采集水位信息用于閘門控制的部位，將水位傳感器放置于干、支、斗渠開挖的測井中的測量筒中，并根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)水位傳感器零點，從而實現(xiàn)對各渠系水位的精確測量。水位傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號傳回PLC后，經(jīng)架設(shè)的通訊光纜傳回調(diào)度中心實時顯示。在只需讀取各種測量數(shù)據(jù)時，也可通過數(shù)傳電臺或基于GPRS的無線通訊設(shè)備進行數(shù)據(jù)上傳，完成監(jiān)測要求。由于灌區(qū)水質(zhì)復雜，選用超聲波流速儀以及超聲波污泥厚度儀，可以比較準確地測量和計算渠道流量，并且為渠道清淤工作提前預警[6]。
4視頻監(jiān)控系統(tǒng)
實時視頻圖像監(jiān)視是當今最新多媒體技術(shù)的一個典型應用，集電視技術(shù)、傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)為一體，它采用模塊化和總線結(jié)構(gòu)，利用計算機網(wǎng)絡有效地組合成功能完備、智能化程度高、綜合性強的多媒體視頻管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了計算機的功能，使操作簡便靈活。
在條件許可的情況下，在灌區(qū)重要部位設(shè)置了視頻監(jiān)控點。由于農(nóng)業(yè)灌溉在灌溉期間需要連續(xù)24 h監(jiān)視，因而采用紅外一體網(wǎng)絡攝像機。該攝像機性能優(yōu)越，可實現(xiàn)對重要部位的全天候360°監(jiān)視，實時視頻圖像監(jiān)視，完成所在安裝環(huán)境周圍的各種活動、監(jiān)視對象的各種變化情況的圖像信息采集。通過實時圖像信息，增加控制中心運行管理人員操作、判斷的依據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和圖像數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡共享，是灌區(qū)水量自動遠程調(diào)度的重要組成部分。將前端攝像機采集的模擬信號通過編解碼器數(shù)字化處理后，以數(shù)字信號的方式通過架設(shè)的專用光纜傳回調(diào)度中心。由調(diào)度中心的視頻監(jiān)控軟件選用實時錄像功能，從而將歷史現(xiàn)場圖像記錄下來，為事故分析提供最祥實的第一手材料。
5無線及有線通信系統(tǒng)
由于農(nóng)業(yè)灌溉渠系分布廣、部分地區(qū)人員稀少的特殊性，灌區(qū)根據(jù)實際情況，采用有線通信和無線傳輸并存的通信方式。灌區(qū)通過水位差來調(diào)節(jié)閘門開度，最終達到水量調(diào)度。經(jīng)合理設(shè)計后，在這些地方架設(shè)光纖進行有線專網(wǎng)傳輸；在僅需要實時顯示各測量數(shù)據(jù)或自然條件惡劣的地方，采取通過數(shù)傳電臺或基于GPRS通信技術(shù)的RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)。通過對數(shù)傳電臺或RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)的時間間隔、信號類型的設(shè)置，可以同時上傳各類不同數(shù)據(jù)，達到經(jīng)濟適用的目的。
6結(jié)語
在灌區(qū)的實際工作中，水利信息自動化的實現(xiàn)遵循開放兼容、技術(shù)先進、實時有效、穩(wěn)定可靠、簡單易操作、易擴展和使用成本低的原則，保證系統(tǒng)很好地完成農(nóng)業(yè)灌溉實時數(shù)據(jù)采集和遠程控制閘門的任務，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利的現(xiàn)代化。
7參考文獻
[1] 李軍社.實時水情信息傳輸途徑[J].陜西氣象，2007（6）：43-44.
[2] 李笠，孫永飛.實時水情信息傳輸與共享網(wǎng)絡的研究和設(shè)計[J].水利水文自動化，2000（3）：8-10.
[3]邊黨偉.水工閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2007.
[4] 錢曉峰，秦霆鎬，陳一民.水閘泵站計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)[J].上海建設(shè)科技，2005（5）：61-63.
[5] 尚蔚.基于Java的多形式WEB視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：東華大學，2010.
[6] 牛峰霞.集水井水位自動控制的改進[J].河北水利水電技術(shù)，2002（5）：20.
關(guān)鍵詞灌區(qū)；水利信息自動化；陜西渭南
近年來，在中央“關(guān)于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”的號召下，各級政府機構(gòu)對農(nóng)業(yè)水利的投入不斷加大。各農(nóng)業(yè)灌區(qū)正在根據(jù)預定計劃，穩(wěn)步扎實地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利信息自動化的續(xù)建配套改造計劃。水利信息自動化是將計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)以及自動控制有機整合后，用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)的日常運行中，從而實現(xiàn)對水雨情、渠道泥沙厚度、渠道水位、流量、流速的實時監(jiān)測和調(diào)控。通過對各級泵站、閘門的自動控制，完成對整個灌區(qū)的水利調(diào)度[1-2]。灌區(qū)水利信息自動化大體由以下幾部分組成：①灌區(qū)各級水利調(diào)度中心；②現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)；③各類水情、水文的采集；④視頻監(jiān)控系統(tǒng)；⑤無線及有線通信系統(tǒng)。
1灌區(qū)各級水利調(diào)度中心
灌區(qū)各級水利調(diào)度中心設(shè)置于灌區(qū)管理局以及下屬的各調(diào)度總站。水利信息自動化建成后，替代了以往傳統(tǒng)的水利調(diào)度手段，實現(xiàn)了水利調(diào)度的“有人值班，無人值守”[3]。通過設(shè)置在調(diào)度中心的水費計收系統(tǒng)、水情采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫備份系統(tǒng)，完成以下操作：①面向灌區(qū)用水用戶的水費計收；②對渠道水位，流量以及渠道污泥厚度等的實時監(jiān)測并顯示；③閘門的實時控制；④對重要部位的視頻監(jiān)控；⑤對各類重要數(shù)據(jù)的周期備份[4]。
2現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)
可編程控制器PLC以其邏輯運算復雜、運行可靠、易學易用、抗干擾性強、擴展容易、通信能力強等優(yōu)點廣泛應用于各行業(yè)。灌區(qū)現(xiàn)地控制系統(tǒng)采用以西門子S7-200PLC為核心的現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)。通過與上位機的通訊以及編寫PLC控制程序，完成對閘門的遠程控制，將該系統(tǒng)固定安裝于各支、斗渠的閘房內(nèi)。使存有控制程序的PLC與啟閉機電氣控制柜有效連接，通過設(shè)置在調(diào)度中心的閘門控制軟件對各級閘門進行遠程操作。灌區(qū)的閘門控制系統(tǒng)是基于各支、斗渠閘前閘后水位差異來實現(xiàn)對閘門開度的調(diào)節(jié)，中心值班人員通過上位閘門控制軟件發(fā)送目標水位，進而操作閘門動作，從而實現(xiàn)對各支、斗渠的水量配送，完成水利調(diào)度。水利調(diào)度人員也可以通過設(shè)置在各閘房內(nèi)的遠程現(xiàn)地轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換遠程操作和現(xiàn)場控制，從而確保閘門控制的靈活性，并且可以對特殊情況進行緊急處理[5]。
3各類水情、水文的采集
通過對各類水情、水文的采集，完成對水位、渠道流速等的實時監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)應用于其他方面。選用適合灌區(qū)的壓阻式水位傳感器、超聲波流速儀、超聲波污泥厚度儀安裝于渠道測井、測流橋等需要監(jiān)測的部位，完成對水位、水速等的采集，從而為閘門自動控制、流量計算、水費計收等做好準備。在需要采集水位信息用于閘門控制的部位，將水位傳感器放置于干、支、斗渠開挖的測井中的測量筒中，并根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)水位傳感器零點，從而實現(xiàn)對各渠系水位的精確測量。水位傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號傳回PLC后，經(jīng)架設(shè)的通訊光纜傳回調(diào)度中心實時顯示。在只需讀取各種測量數(shù)據(jù)時，也可通過數(shù)傳電臺或基于GPRS的無線通訊設(shè)備進行數(shù)據(jù)上傳，完成監(jiān)測要求。由于灌區(qū)水質(zhì)復雜，選用超聲波流速儀以及超聲波污泥厚度儀，可以比較準確地測量和計算渠道流量，并且為渠道清淤工作提前預警[6]。
4視頻監(jiān)控系統(tǒng)
實時視頻圖像監(jiān)視是當今最新多媒體技術(shù)的一個典型應用，集電視技術(shù)、傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)為一體，它采用模塊化和總線結(jié)構(gòu)，利用計算機網(wǎng)絡有效地組合成功能完備、智能化程度高、綜合性強的多媒體視頻管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了計算機的功能，使操作簡便靈活。
在條件許可的情況下，在灌區(qū)重要部位設(shè)置了視頻監(jiān)控點。由于農(nóng)業(yè)灌溉在灌溉期間需要連續(xù)24 h監(jiān)視，因而采用紅外一體網(wǎng)絡攝像機。該攝像機性能優(yōu)越，可實現(xiàn)對重要部位的全天候360°監(jiān)視，實時視頻圖像監(jiān)視，完成所在安裝環(huán)境周圍的各種活動、監(jiān)視對象的各種變化情況的圖像信息采集。通過實時圖像信息，增加控制中心運行管理人員操作、判斷的依據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和圖像數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡共享，是灌區(qū)水量自動遠程調(diào)度的重要組成部分。將前端攝像機采集的模擬信號通過編解碼器數(shù)字化處理后，以數(shù)字信號的方式通過架設(shè)的專用光纜傳回調(diào)度中心。由調(diào)度中心的視頻監(jiān)控軟件選用實時錄像功能，從而將歷史現(xiàn)場圖像記錄下來，為事故分析提供最祥實的第一手材料。
5無線及有線通信系統(tǒng)
由于農(nóng)業(yè)灌溉渠系分布廣、部分地區(qū)人員稀少的特殊性，灌區(qū)根據(jù)實際情況，采用有線通信和無線傳輸并存的通信方式。灌區(qū)通過水位差來調(diào)節(jié)閘門開度，最終達到水量調(diào)度。經(jīng)合理設(shè)計后，在這些地方架設(shè)光纖進行有線專網(wǎng)傳輸；在僅需要實時顯示各測量數(shù)據(jù)或自然條件惡劣的地方，采取通過數(shù)傳電臺或基于GPRS通信技術(shù)的RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)。通過對數(shù)傳電臺或RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)的時間間隔、信號類型的設(shè)置，可以同時上傳各類不同數(shù)據(jù)，達到經(jīng)濟適用的目的。
6結(jié)語
在灌區(qū)的實際工作中，水利信息自動化的實現(xiàn)遵循開放兼容、技術(shù)先進、實時有效、穩(wěn)定可靠、簡單易操作、易擴展和使用成本低的原則，保證系統(tǒng)很好地完成農(nóng)業(yè)灌溉實時數(shù)據(jù)采集和遠程控制閘門的任務，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利的現(xiàn)代化。
7參考文獻
[1] 李軍社.實時水情信息傳輸途徑[J].陜西氣象，2007（6）：43-44.
[2] 李笠，孫永飛.實時水情信息傳輸與共享網(wǎng)絡的研究和設(shè)計[J].水利水文自動化，2000（3）：8-10.
[3]邊黨偉.水工閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2007.
[4] 錢曉峰，秦霆鎬，陳一民.水閘泵站計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)[J].上海建設(shè)科技，2005（5）：61-63.
[5] 尚蔚.基于Java的多形式WEB視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：東華大學，2010.
[6] 牛峰霞.集水井水位自動控制的改進[J].河北水利水電技術(shù)，2002（5）：20.