CN108663986A - 一种基于bs的闸群远程调度系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于bs的闸群远程调度系统及其控制方法 Download PDF

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方增
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Abstract

本发明公开一种基于BS的闸群远程调度系统及其控制方法，它包括现地控制单元、远端上位机和移动端钉钉微应用，现地控制单元根据上下游水位信号、流量信号、闸门开度信号以及闸位信号来实现对闸门启闭机的就地控制，同时与远端上位机通讯，实现闸门的远程控制；远端上位机与移动端钉钉微应用通讯，实现闸群调度的申请和审批，实现闸群调度流程闭环化，记录存储审批流程和操作流程。本发明实现了利用先进的物联网技术手段，结合软件、硬件、控制系统、网络等实时监控闸群的现地设备状况及水情信息，并可结合调度模型进行计算，得出调度方案，经审批后通过系统自动把方案下发至终端，终端根据指令进行闸门的开闭，来调节流域的水情。

Description

一种基于BS的闸群远程调度系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于BS的闸群远程调度系统及其控制方法。
背景技术
水闸是灌区、水库、河道等水利工程中重要的水工建筑物，目前的水闸调度多数还是依赖于人工作业，缺少专业的、成体系的调度系统支持，影响调度效率，同时在操作过程中对闸门工况判断较为困难，容易出现一些状况比如压弯螺杆等，而且在出现紧急情况的时候，如果办公地点距闸门现场较远，操作人员赶过去要花费一定的时间，延误最佳动作闸门的时间。此外片区内缺少全面的信息监测点，未能充分采集和利用水文数据。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于BS的闸群远程调度系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于BS的闸群远程调度系统，它包括现地控制单元、远端上位机和移动端钉钉微应用，现地控制单元根据上下游水位信号、流量信号、闸门开度信号以及闸位信号来实现对闸门启闭机的就地控制，同时与远端上位机通讯，实现闸门的远程控制；远端上位机与移动端钉钉微应用通讯，实现闸群调度的申请和审批，实现闸群调度流程闭环化，记录存储审批流程和操作流程。
进一步地，现地控制单元包括PLC，通过对上下游水位信号、流量信号、闸门开度信号以及闸位信号进行比较分析，来控制闸门启闭机的升降；
闸门开度仪，与PLC相连；闸门开度仪采集闸门开度信号并传输至PLC；
闸位传感器，与PLC相连；闸位传感器采集闸门上限和下限信号，为PLC提供闸门上升或下降到极限值的报警信号；
水位传感器和流量传感器，均与PLC相连；水位传感器和流量传感器分别采集上下游水位以及流量信号并传输至PLC；
触摸屏，与PLC相连；通过触摸屏在就地控制柜查看现场设备的运行状态，并通过触摸屏上的组态画面控制现场设备运行；
闸门启闭机，与PLC相连；通过闸门启闭机的正反转控制闸门的上升和下降；
控制柜操作按钮，与PLC相连；通过控制柜操作按钮在紧急状态下直接操作闸门运行或及时断电；
视频球机，通过光纤收发器与远端上位机相连；视频球机采集闸门附近的视频画面发送给远端上位机。
进一步地，远端上位机通过光纤收发器与PLC相连；通过远端上位机实时监控和操作现场设备。
进一步地，远端上位机包括水位实时监测系统，对水位传感器采集的监测点的水位数据情况进行在线实时24小时连续采集和记录，并实时显示和存储采集的水位数据；通过设定各监测点的水位报警限值，当监测点数据异常时自动发出报警信号；
远程控制系统，将现场传感器的数位模拟量和闸门的开关量数据通过远程数据采集终端完成采集，并将采集的数据通过网络主动传输至集控中心，集控中心计算机监测水闸现场的实时情况，根据预设值、实时监测数据和指令要求，确定闸门操作方案，发送给钉钉微应用；系统带有安全限位功能，当启闭机过载或闸门开度仪超过限制值时自动关闭，保护启闭机、螺杆和启闭平台；
视频监控系统，通过视频球机上传的现场画面，对闸站现场情况进行实时监控；视频球机采用最新视频监控技术，能实现多路视频的实时预览、即时抓拍、云台控制等功能。
报警系统，接收闸门操作、非法闯闸、设备异常以及水位异常的报警信号后，自动报警，并通知相关工作人员；报警方式包括：现场语音报警、管理平台报警、手机短信报警。
进一步地，远端上位机测定在初始时刻水闸前后两座闸门的过闸流量分别是Q1、Q2、Q3、……，t时刻后的过闸流量为Q11、Q21、Q31、……，则t时刻内流量变量ΔQ＝(Q11+Q21)-(Q1+Q2)-(v2-v1)/t，其中V1为初始时刻的库容，V2为t时刻的库容。
一种基于BS的闸群远程调度系统的控制方法，它包括以下步骤：
步骤一，现场传感器采集上游水位数据、下游水位数据、流量数据、闸门开度数据、闸位数据以及闸门起闭机的电压电流数据，并将采集的数据送入PLC，由PLC负责与远端上位机及触摸屏的通讯，实现就地控制和远端控制；
步骤二，远端上位机发送预设开度值到PLC相应的寄存器中，在寄存器中用脉冲信号触发控制命令，一旦闸门开到相应的位置切断相应的脉冲信号，控制结束；同时PLC根据远端上位机的请求上传控制后的开度值；在远端控制过程中，一旦闸门处于上限、下限或故障指示状态，则PLC切断控制回路，阻止闸门继续运动；
步骤三，触摸屏采用组态的方式动态模拟闸门的运动情况，并实时显示出闸门开度变化的状况；同时触摸屏显示出闸门运行过程中的包括故障、限位的所有参数，实时监测闸门运行过程中的各种变化；
步骤四，远端上位机根据预设值、实时监测数据和指令要求，确定闸门操作方案，经移动端钉钉微应用审批后，远端上位机自动对闸群进行批量操作，实现闸门智能调度。
有益效果：
1.本系统整体采用WCF技术框架进行分布式架构，采用B/S模式实现闸站自动化控制，实现了利用先进的物联网技术手段，结合软件、硬件、控制系统、网络等实时监控闸群的现地设备状况及水情信息，并可结合调度模型进行计算，得出调度方案，经审批后通过系统自动把方案下发至终端，终端根据指令进行闸门的开闭，来调节流域的水情。
2.智能调度：a、根据检测各闸门流量变化数据，自动提出闸门调度方案，经审批后自动操作闸门；b、根据人工指定闸群中某个闸门的流量调度指令，系统自动给出相应闸门操作方案，经审批后自动操作闸门；c、工作人员一键启用预案并报送审批，审批通过后系统自动批量操作闸门。
3.采用荷重传感器与金属接近开关相配合的保护模式，双重保护螺杆和启闭平台；
4.增加现场遥控器控制，在100米范围内可用遥控器操作闸门。
附图说明
图1是本发明一实施例的系统结构功能图；
图2是本发明一实施例的闸门控制电气回路图；
图3是本发明一实施例的远端上位机总体设计图；
图中：1-现地控制单元、11-PLC、12-闸门开度仪、13-闸位传感器、14-水位传感器、15-流量传感器、16-触摸屏、17-闸门启闭机、18-控制柜操作按钮、19-视频球机、110-光纤收发器、2-远端上位机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
流域内闸群比较分散，且都处于偏远地区，出现状况人工难以第一时间到达现场，为了提高水管部门的工作效率并在第一时间解决突发情况，本实施例提出一种基于BS的闸群远程调度系统及其控制方法，本系统集合了数据采集技术、自动控制技术、通讯技术和互联网Web技术，将传统的闸门控制调度与现代互联网紧密的结合在一起，实现了通过Web浏览对闸门的监控、调度以及周边情况的管理。本系统可以划分为前端数据采集控制、网络传输和远端上位机2三部分，如图1所示。
1.前端数据采集控制
主要实现对现场信号的数据采集、控制、上传通讯和现场显示。
(1)数据采集主要包括上游水位数据、下游水位数据、闸门开度数据、金属接近开关数据以及起闭机的电压、电流数据。水位的采集通过超声波水位计，超声波水位计安装在启闭平台，且探出平台2米，上下游各一个，测量水位计到河底的距离，用此距离减去超声波反射距离就是实际水深，所采集的信号送入PLC 11，由PLC 11负责与远端上位机2和现场触摸屏16的通讯。闸门开度通过安装在启闭螺杆上的角度编码器获得，闸门上下运动的过程中带动角度编码器旋转，角度编码器的齿轮齿距与螺杆螺距相等，两者紧密连接无相对滑动，这样通过角度编码器可以获得闸门的运动信号。角度编码器输出的脉冲信号送入闸门开度仪12，闸门开度仪12的单片机处理器接收脉冲信号后计算出开度数值，计算后的数值在开度仪的液晶屏上显示出来，同时把数据上传给PLC 11，由PLC 11上传给触摸屏16和远端上位机2。金属接近开关与载荷传感器相配合，金属接近开关数据为开关量此信号在闸门关到底，起闭机金属罩顶起的时候触发，此时金属接近开关感应到距离改变，说明闸门已经卡住或者关到底，要马上停止闸门起闭机17工作，否则会压弯螺杆，此信号通过中间继电器触点串入如图2所示的闸门控制电气回路，当此信号触发时马上切断闸门控制电气回路，保护闸门安全。闸门起闭机17的电压、电流数据通过电流互感器采集，所采集的信号送入多功能表显示，并由多功能表送入PLC 11至触摸屏16与远端上位机2。
(2)闸门控制电气回路如图2所示，控制分就地和远程两种方式，远程控制包括了远端上位机2控制和现场遥控器控制，其信号均由图2中的J13和J14两路中间继电器输入，就地信号由图2中的SA1和SA3两路点动按钮输入。在开闭闸门回路中分别串入了J1、J2、J3、J4四路继电器触点，其中J1、J2为限位触点，其信号由仪表输出，可通过开度仪设置，J3、J4为极限位触点，其信号由限位开关触发。由图2可知，其中有一个触点断开，相应电路就被切断，起到对螺杆和远端上位机2的保护作用。图2中的KM为交流接触器，KM1与KM2触点互相串联起到电气互锁的作用，保障同一时刻电机正反转回路不能同时接通，防止电机烧坏事故发生。图2中的SA1与SA2为相应的状态指示灯，当相应回路动作时指示灯亮。图2中的SA11为急停按钮，当接触器故障的情况下，按此按钮切断电源，电机立刻停止工作，起到急停保护的作用。
(3)上传通讯主要是指与远端上位机2的通讯，主要上传的数据量包括闸门状态量、三项电压电流、开度、开度上限等参数，同时远端上位机2下发数据实现对闸门的控制。远端控制的具体方式是首先远端上位机2发送预设开度值到PLC 11相应的寄存器中，紧接着在控制寄存器中用脉冲信号触发控制命令，一旦闸门开到相应的位置切断相应的脉冲信号，控制结束，同时PLC 11根据远端上位机2的请求上传控制后的开度值。上述闸门状态量主要包括上限、下限、故障指示等状态。在远端控制过程中，一旦闸门所处位置在上述的任一位置，则PLC 11切断闸门控制电气回路，阻止闸门继续运动。
(4)现场显示采用触摸屏16的方式集中显示，触摸屏16与PLC11之间采用485接口进行通讯，采用组态的方式动态模拟闸门的运动情况，并且实时显示出闸门开度变化的状况。同时触摸屏16可以显示出闸门运行过程中的所有参数，包括故障参数、限位参数等，可以实时监测闸门运行过程中的各种变化。
(5)过闸流量计算公式
其中，Y-闸门类型，e-开度，n-闸控数，b-闸门宽度，H-水深，δ为淹没系数(闸前水深h1/闸后水深h2)，为流速系数，ε＝e/H。ε、δ、的取值分别见下表1、2、3。
表1ε取值表
表2δ取值表
表3取值表
2.网络传输
网络传输主要功能是实现将现场数据传送到远端上位机2，因传输距离较远，自己架设网络成本较高，因此采用租用电信VPN网络的方式实现。
3.远端上位机
远端上位机2设计的总体思路是统一规划，分步实施；整合现有资源，搭建统一的调度管理平台；调度管理平台既要满足当前需要又具有兼容性、开放性和可扩展性等；通过通信网络远程控制闸站，提高防洪排涝应急能力，为防洪调度与水系管理决策提供科学的依据，远端上位机2的总体设计见图3。
智能调度：远端上位机2通过监测闸群中各闸门上下游水位、闸门开度，计算闸群上游水体容量、各闸门的下泄流量等变化值，按照预定各闸门的预定流量，系统自动拟定水闸的启闭方案。测定在初始时刻水闸前后两座闸门的过闸流量分别是Q1、Q2、Q3、……,t时刻后的过闸流量为Q11、Q21、Q31、……，则t时刻内流量变量ΔQ＝(Q11+Q21)-(Q1+Q2)-(v2-v1)/t，其中V1为初始时刻的库容，V2为t时刻的库容。系统可以通过设定固定流量变化量ΔQ1与|ΔQ|进行比较来判定是否动作闸门，如果|ΔQ|大于ΔQ1则动作闸门。然后对ΔQ进行判断，如果ΔQ大于0则在系统中把开度加1，然后从新计算ΔQ,如果ΔQ仍然大于0则继续把开度加1，直到|ΔQ|小于等于ΔQ1，如果ΔQ小于0则在系统中把开度减1，然后从新计算ΔQ，同样直到|ΔQ|小于等于ΔQ 1，把此刻计算出的开度下发至现场控制设备，水闸最终按照此开度动作，如此则完成一次水闸调度过程。可以有很多的计算方案，上述只是一种情况。
远端上位机2主要实现如下功能：
(a)支持基于天地图的GIS地理信息系统，能精确直观显示各监测点位置；
(b)实时监测水位数据，并把数据上传保存至数据中心，生成各种报表进行查询、导出或打印；
(c)根据现场水位数据和视频信息等相关硬件仪表采集的信息，对闸泵进行远程精确实时控制；
(d)具有视频监控功能，能实时观察闸门及周边现场情况；
(e)在闸门操作前，通过网络高音喇叭发出警告，提醒周边人员注意安全；
(f)有人闯入闸站时，自动远程抓拍上传并保存相关日志；
(g)实时监测设备情况，发现设备异常及时发出报警信号；
(h)水位出现异常时，系统及时发出报警信号，通过短信等多种方式向相关工作人员进行报警提示；
(i)根据操作者的级别和角色不同，授予的操作权限不同；
(j)通过监测数据及基础数据，自动计算各闸门流量；
(k)通过实时监测数据和水利调度模型，并结合实际情况系统自动提出闸群操作方案，经审批后自动对闸群进行批量调度；
(l)通过移动端钉钉微应用审批闸门控制请求，规范闸门操作流程，系统实现操作流程、操作记录的留痕，便于事故追溯；
(m)实现各种实时数据的处理、筛选、汇总、分析，统计历史数据、报警信息、系统日志、操作记录，生成各种历史数据图表、曲线。
本系统主要实现如下功能：
(a)利用物联网技术，把软硬件结合，通过控制系统与网络实现流域内的闸群无人值守；
(b)通过WCF服务与OPC实时交互监控闸群的现地设备状况及水情信息，把数据上传至云数据中心；
(c)数据中心结合水动力学调度模型进行计算，得出调度预案，再把预案通过指令下发终端，经审批后，终端根据指令立刻进行闸门的批量操作，调节流域的水情；
(d)利用钉钉微应用，可以在移动端发送闸门开闭的请求，审批请求。
(e)调度预案分蓝色、黄色和红色三种，蓝色预案系统自动对闸群进行无人值守自动开闭；黄色或红色预案，把预案发送给不同级别的负责人进行审批，审批后闸群进行动作；红色预案没有及时审批，紧急信息发送给所有的干系包括系统开发方相应人员，人工能急时介入干预处理紧急情况。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于BS的闸群远程调度系统，它包括现地控制单元(1)、远端上位机(2)和移动端钉钉微应用，其特征在于：所述现地控制单元根据上下游水位信号、流量信号、闸门开度信号以及闸位信号来实现对闸门启闭机(17)的就地控制，同时与所述远端上位机(2)通讯，实现闸门的远程控制；所述远端上位机(2)与所述移动端钉钉微应用通讯，实现闸群调度的申请和审批，实现闸群调度流程闭环化，记录存储审批流程和操作流程。
2.根据权利要求1所述的基于BS的闸群远程调度系统，其特征在于：所述现地控制单元(1)包括PLC(11)，通过对上下游水位信号、流量信号、闸门开度信号以及闸位信号进行比较分析，来控制所述闸门启闭机(17)的升降；
闸门开度仪(12)，与所述PLC(11)相连；所述闸门开度仪(12)采集闸门开度信号并传输至所述PLC(11)；
闸位传感器(13)，与所述PLC(11)相连；所述闸位传感器(13)采集闸门上限和下限信号，为所述PLC(11)提供闸门上升或下降到极限值的报警信号；
水位传感器(14)和流量传感器(15)，均与所述PLC(11)相连；所述水位传感器(14)和所述流量传感器(15)分别采集上下游水位以及流量信号并传输至所述PLC(11)；
触摸屏(16)，与所述PLC(11)相连；通过所述触摸屏(16)在就地控制柜查看现场设备的运行状态，并通过所述触摸屏(16)上的组态画面控制现场设备运行；
闸门启闭机(17)，与所述PLC(11)相连；通过所述闸门启闭机(17)的正反转控制闸门的上升和下降；
控制柜操作按钮(18)，与所述PLC(11)相连；通过所述控制柜操作按钮(18)在紧急状态下直接操作闸门运行或及时断电；
视频球机(19)，通过光纤收发器(110)与所述远端上位机(2)相连；所述视频球机(19)采集闸门附近的视频画面发送给所述远端上位机(2)。
3.根据权利要求2所述的基于BS的闸群远程调度系统，其特征在于：所述远端上位机(2)通过光纤收发器(110)与所述PLC(11)相连；通过所述远端上位机(2)实时监控和操作现场设备。
4.根据权利要求3所述的基于BS的闸群远程调度系统，其特征在于：所述远端上位机(2)包括水位实时监测系统，对所述水位传感器(14)采集的监测点的水位数据情况进行在线实时24小时连续采集和记录，并实时显示和存储采集的水位数据；通过设定各监测点的水位报警限值，当监测点数据异常时自动发出报警信号；
远程控制系统，将现场传感器的数位模拟量和闸门的开关量数据通过远程数据采集终端完成采集，并将采集的数据通过网络主动传输至集控中心，集控中心计算机监测水闸现场的实时情况，根据预设值、实时监测数据和指令要求，确定闸门操作方案，发送给所述钉钉微应用；
视频监控系统，通过所述视频球机(19)上传的现场画面，对闸站现场情况进行实时监控；
报警系统，接收闸门操作、非法闯闸、设备异常以及水位异常的报警信号后，自动报警。
5.根据权利要求4所述的基于BS的闸群远程调度系统，其特征在于：所述远端上位机(2)测定在初始时刻水闸前后两座闸门的过闸流量分别是Q1、Q2、Q3、……，t时刻后的过闸流量为Q11、Q21、Q31、……，则t时刻内流量变量ΔQ＝(Q11+Q21)-(Q1+Q2)-(v2-v1)/t，其中V1为初始时刻的库容，V2为t时刻的库容。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于BS的闸群远程调度系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一，现场传感器采集上游水位数据、下游水位数据、流量数据、闸门开度数据、闸位数据以及闸门起闭机的电压电流数据，并将采集的数据送入PLC(11)，由PLC(11)负责与远端上位机(2)及触摸屏(16)的通讯，实现就地控制和远端控制；
步骤二，远端上位机(2)发送预设开度值到PLC(11)相应的寄存器中，在寄存器中用脉冲信号触发控制命令，一旦闸门开到相应的位置切断相应的脉冲信号，控制结束；同时PLC(11)根据远端上位机(2)的请求上传控制后的开度值；在远端控制过程中，一旦闸门处于上限、下限或故障指示状态，则PLC(11)切断控制回路，阻止闸门继续运动；
步骤三，触摸屏(16)采用组态的方式动态模拟闸门的运动情况，并实时显示出闸门开度变化的状况；同时触摸屏(16)显示出闸门运行过程中的包括故障、限位的所有参数，实时监测闸门运行过程中的各种变化；
步骤四，远端上位机(2)根据预设值、实时监测数据和指令要求，确定闸门操作方案，经移动端钉钉微应用审批后，远端上位机(2)自动对闸群进行批量操作，实现闸门智能调度。
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