淺析灌區(qū)水利信息自動(dòng)化
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摘要對(duì)灌區(qū)水利信息自動(dòng)化進(jìn)行介紹，包括灌區(qū)各級(jí)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(wú)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(dòng)化發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞灌區(qū)；水利信息自動(dòng)化；陜西渭南
近年來，在中央“關(guān)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”的號(hào)召下，各級(jí)政府機(jī)構(gòu)對(duì)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(yù)定計(jì)劃，穩(wěn)步扎實(shí)地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利信息自動(dòng)化的續(xù)建配套改造計(jì)劃。水利信息自動(dòng)化是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制有機(jī)整合后，用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)的日常運(yùn)行中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水雨情、渠道泥沙厚度、渠道水位、流量、流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。通過對(duì)各級(jí)泵站、閘門的自動(dòng)控制，完成對(duì)整個(gè)灌區(qū)的水利調(diào)度[1-2]。灌區(qū)水利信息自動(dòng)化大體由以下幾部分組成：①灌區(qū)各級(jí)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(wú)線及有線通信系統(tǒng)。
1灌區(qū)各級(jí)水利調(diào)度中心
灌區(qū)各級(jí)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(dòng)化建成后，替代了以往傳統(tǒng)的水利調(diào)度手段，實(shí)現(xiàn)了水利調(diào)度的“有人值班，無(wú)人值守”[3]。通過設(shè)置在調(diào)度中心的水費(fèi)計(jì)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(kù)備份系統(tǒng)，完成以下操作：①面向灌區(qū)用水用戶的水費(fèi)計(jì)收；②對(duì)渠道水位，流量以及渠道污泥厚度等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示；③閘門的實(shí)時(shí)控制；④對(duì)重要部位的視頻監(jiān)控；⑤對(duì)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(yùn)算復(fù)雜、運(yùn)行可靠、易學(xué)易用、抗干擾性強(qiáng)、擴(kuò)展容易、通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)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(jī)的通訊以及編寫PLC控制程序，完成對(duì)閘門的遠(yuǎn)程控制，將該系統(tǒng)固定安裝于各支、斗渠的閘房?jī)?nèi)。使存有控制程序的PLC與啟閉機(jī)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(duì)各級(jí)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)水位，進(jìn)而操作閘門動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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?jī)?nèi)的遠(yuǎn)程現(xiàn)地轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換遠(yuǎn)程操作和現(xiàn)場(chǎng)控制，從而確保閘門控制的靈活性，并且可以對(duì)特殊情況進(jìn)行緊急處理[5]。
3各類水情、水文的采集
通過對(duì)各類水情、水文的采集，完成對(duì)水位、渠道流速等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)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(cè)井、測(cè)流橋等需要監(jiān)測(cè)的部位，完成對(duì)水位、水速等的采集，從而為閘門自動(dòng)控制、流量計(jì)算、水費(fèi)計(jì)收等做好準(zhǔn)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(cè)井中的測(cè)量筒中，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)水位傳感器零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各渠系水位的精確測(cè)量。水位傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)傳回PLC后，經(jīng)架設(shè)的通訊光纜傳回調(diào)度中心實(shí)時(shí)顯示。在只需讀取各種測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，也可通過數(shù)傳電臺(tái)或基于GPRS的無(wú)線通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，完成監(jiān)測(cè)要求。由于灌區(qū)水質(zhì)復(fù)雜，選用超聲波流速儀以及超聲波污泥厚度儀，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算渠道流量，并且為渠道清淤工作提前預(yù)警[6]。
4視頻監(jiān)控系統(tǒng)
實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)視是當(dāng)今最新多媒體技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，集電視技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有效地組合成功能完備、智能化程度高、綜合性強(qiáng)的多媒體視頻管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的功能，使操作簡(jiǎn)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(diǎn)。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(luò)攝像機(jī)。該攝像機(jī)性能優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要部位的全天候360°監(jiān)視，實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)視，完成所在安裝環(huán)境周圍的各種活動(dòng)、監(jiān)視對(duì)象的各種變化情況的圖像信息采集。通過實(shí)時(shí)圖像信息，增加控制中心運(yùn)行管理人員操作、判斷的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和圖像數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)共享，是灌區(qū)水量自動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)度的重要組成部分。將前端攝像機(jī)采集的模擬信號(hào)通過編解碼器數(shù)字化處理后，以數(shù)字信號(hào)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(shí)時(shí)錄像功能，從而將歷史現(xiàn)場(chǎng)圖像記錄下來，為事故分析提供最祥實(shí)的第一手材料。
5無(wú)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(shí)際情況，采用有線通信和無(wú)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(dá)到水量調(diào)度。經(jīng)合理設(shè)計(jì)后，在這些地方架設(shè)光纖進(jìn)行有線專網(wǎng)傳輸；在僅需要實(shí)時(shí)顯示各測(cè)量數(shù)據(jù)或自然條件惡劣的地方，采取通過數(shù)傳電臺(tái)或基于GPRS通信技術(shù)的RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)傳電臺(tái)或RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、信號(hào)類型的設(shè)置，可以同時(shí)上傳各類不同數(shù)據(jù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的目的。
6結(jié)語(yǔ)
在灌區(qū)的實(shí)際工作中，水利信息自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)遵循開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、實(shí)時(shí)有效、穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易操作、易擴(kuò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制閘門的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利的現(xiàn)代化。
7參考文獻(xiàn)
[1] 李軍社.實(shí)時(shí)水情信息傳輸途徑[J].陜西氣象，2007（6）：43-44.
[2] 李笠，孫永飛.實(shí)時(shí)水情信息傳輸與共享網(wǎng)絡(luò)的研究和設(shè)計(jì)[J].水利水文自動(dòng)化，2000（3）：8-10.
[3]邊黨偉.水工閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007.
[4] 錢曉峰，秦霆鎬，陳一民.水閘泵站計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2010.
[6] 牛峰霞.集水井水位自動(dòng)控制的改進(jìn)[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(dòng)化；陜西渭南
近年來，在中央“關(guān)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”的號(hào)召下，各級(jí)政府機(jī)構(gòu)對(duì)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(yù)定計(jì)劃，穩(wěn)步扎實(shí)地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利信息自動(dòng)化的續(xù)建配套改造計(jì)劃。水利信息自動(dòng)化是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制有機(jī)整合后，用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)的日常運(yùn)行中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水雨情、渠道泥沙厚度、渠道水位、流量、流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。通過對(duì)各級(jí)泵站、閘門的自動(dòng)控制，完成對(duì)整個(gè)灌區(qū)的水利調(diào)度[1-2]。灌區(qū)水利信息自動(dòng)化大體由以下幾部分組成：①灌區(qū)各級(jí)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(wú)線及有線通信系統(tǒng)。
1灌區(qū)各級(jí)水利調(diào)度中心
灌區(qū)各級(jí)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(dòng)化建成后，替代了以往傳統(tǒng)的水利調(diào)度手段，實(shí)現(xiàn)了水利調(diào)度的“有人值班，無(wú)人值守”[3]。通過設(shè)置在調(diào)度中心的水費(fèi)計(jì)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(kù)備份系統(tǒng)，完成以下操作：①面向灌區(qū)用水用戶的水費(fèi)計(jì)收；②對(duì)渠道水位，流量以及渠道污泥厚度等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示；③閘門的實(shí)時(shí)控制；④對(duì)重要部位的視頻監(jiān)控；⑤對(duì)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(yùn)算復(fù)雜、運(yùn)行可靠、易學(xué)易用、抗干擾性強(qiáng)、擴(kuò)展容易、通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)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(jī)的通訊以及編寫PLC控制程序，完成對(duì)閘門的遠(yuǎn)程控制，將該系統(tǒng)固定安裝于各支、斗渠的閘房?jī)?nèi)。使存有控制程序的PLC與啟閉機(jī)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(duì)各級(jí)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)水位，進(jìn)而操作閘門動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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?jī)?nèi)的遠(yuǎn)程現(xiàn)地轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換遠(yuǎn)程操作和現(xiàn)場(chǎng)控制，從而確保閘門控制的靈活性，并且可以對(duì)特殊情況進(jìn)行緊急處理[5]。
3各類水情、水文的采集
通過對(duì)各類水情、水文的采集，完成對(duì)水位、渠道流速等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)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(cè)井、測(cè)流橋等需要監(jiān)測(cè)的部位，完成對(duì)水位、水速等的采集，從而為閘門自動(dòng)控制、流量計(jì)算、水費(fèi)計(jì)收等做好準(zhǔn)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(cè)井中的測(cè)量筒中，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)水位傳感器零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各渠系水位的精確測(cè)量。水位傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)傳回PLC后，經(jīng)架設(shè)的通訊光纜傳回調(diào)度中心實(shí)時(shí)顯示。在只需讀取各種測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，也可通過數(shù)傳電臺(tái)或基于GPRS的無(wú)線通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，完成監(jiān)測(cè)要求。由于灌區(qū)水質(zhì)復(fù)雜，選用超聲波流速儀以及超聲波污泥厚度儀，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算渠道流量，并且為渠道清淤工作提前預(yù)警[6]。
4視頻監(jiān)控系統(tǒng)
實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)視是當(dāng)今最新多媒體技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，集電視技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有效地組合成功能完備、智能化程度高、綜合性強(qiáng)的多媒體視頻管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的功能，使操作簡(jiǎn)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(diǎn)。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(luò)攝像機(jī)。該攝像機(jī)性能優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要部位的全天候360°監(jiān)視，實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)視，完成所在安裝環(huán)境周圍的各種活動(dòng)、監(jiān)視對(duì)象的各種變化情況的圖像信息采集。通過實(shí)時(shí)圖像信息，增加控制中心運(yùn)行管理人員操作、判斷的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和圖像數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)共享，是灌區(qū)水量自動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)度的重要組成部分。將前端攝像機(jī)采集的模擬信號(hào)通過編解碼器數(shù)字化處理后，以數(shù)字信號(hào)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(shí)時(shí)錄像功能，從而將歷史現(xiàn)場(chǎng)圖像記錄下來，為事故分析提供最祥實(shí)的第一手材料。
5無(wú)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(shí)際情況，采用有線通信和無(wú)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(dá)到水量調(diào)度。經(jīng)合理設(shè)計(jì)后，在這些地方架設(shè)光纖進(jìn)行有線專網(wǎng)傳輸；在僅需要實(shí)時(shí)顯示各測(cè)量數(shù)據(jù)或自然條件惡劣的地方，采取通過數(shù)傳電臺(tái)或基于GPRS通信技術(shù)的RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)傳電臺(tái)或RTU通信模塊上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、信號(hào)類型的設(shè)置，可以同時(shí)上傳各類不同數(shù)據(jù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的目的。
6結(jié)語(yǔ)
在灌區(qū)的實(shí)際工作中，水利信息自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)遵循開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、實(shí)時(shí)有效、穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易操作、易擴(kuò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制閘門的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利的現(xiàn)代化。
7參考文獻(xiàn)
[1] 李軍社.實(shí)時(shí)水情信息傳輸途徑[J].陜西氣象，2007（6）：43-44.
[2] 李笠，孫永飛.實(shí)時(shí)水情信息傳輸與共享網(wǎng)絡(luò)的研究和設(shè)計(jì)[J].水利水文自動(dòng)化，2000（3）：8-10.
[3]邊黨偉.水工閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007.
[4] 錢曉峰，秦霆鎬，陳一民.水閘泵站計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2010.
[6] 牛峰霞.集水井水位自動(dòng)控制的改進(jìn)[J].河北水利水電技術(shù)，2002（5）：20.