1、概述

    在太湖流域（上海部分）建立水闸泵站监控系统，对黄浦江上游河道的水情和工情进行实时自动监测、监控，实时采集水情数据、通过信息传输与处理，在决策系统支持下，作出优化调度与调控水闸泵站运行，这对于“洪水走廊”功能的有效发挥，对于确保上海市城市防洪安全和充分发挥清水资源的合理利用，具有重大的现实意义。工程包括太浦河等四条河道沿线共36个泵闸的本地自动控制以及相应的远程控制。

    现场闸站作为最终执行者，不仅要完成现场水情、工情采集的功能，还承担远程监控的任务。同时考虑到将来还需要进一步自动测记潮汐、雨量以及水质等信息参数，为建立流域水动力模型及智能化调度决策作准备。

    本文采用了美国Lonworks现场总线，实现现场闸门的就地自动控制和远程监控，整体结构参见系统结构图。Lonworks技术是美国Echelon公司九十年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术，是用于工业设备控制开放的数据网络。

    闸站监控点采用Lonworks总线的优点主要体现在：
    （1） 布线简单：现场设备信号直接通过Lonworks通用采集控制模块挂在总线上，并通过一根双绞线采用自由拓扑的方式连接到监测主机，布线极其简单、可靠。不仅实现控制信号的监测，同时可以监测故障信号，实现现场设备的远程诊断。
    （2） 与远程管理系统的无缝联接：现场监测主机采用i,Lon 100 internet服务器，该服务器既可以作为现场控制器，也可以连接Lonworks网络到企业IP网络或者Internet。由于内置了Web Server，因此允许通过Web的方式访问其内置的时序调度、报警处理和数据记录应用程序。此外，它还提供一个用作和监控中心相互集成的SOAP/XML Web Services接口，通过该接口可以实现在当前最流行的Microsoft.Net架构下实现组态和监控功能，而该架构是一个全开放的软件平台，真正做到底层设备的扁平化、互操作性和全开放性。
    （3） 技术成熟、节点开发周期短：作为远程测控终端（RTU），闸站监测点控制器以神经元芯片(Neuron Chip)为核心,采用与ＯＳＩ（开放系统互连）七层参考模型兼容的Lontalk协议，只在应用层上需要开发，从而实现真正的分布式控制。
    （4） 扩展性强：Lonworks是世界上唯一支持OSI全部七层协议的现场总线技术，网络协议是开放的，其核心之一是利用“网络变量”来绑定监测点I/O信息的逻辑关系，扩展性强。

2、系统架构

    本系统的硬件架构为三层架构：最底层为水位仪、开度仪等工情水情传感器，通讯为RS-232串口通信, 使用串行网关将数据转换成LonWorks网络数据。其上一层为78Kbit/s双绞线自由拓扑结构的LonWorks网络, 这层网络负责将各闸站的串行网关连接起来, 或者仅仅作为中间接口提供给上层网络, 这层网络的中心管理单元为i.Lon 100以太网服务器（每个闸站用一个）；最上层是以太网或者电话拨号网络, 将全市或更大范围内的闸站连接起来, 最终集中到监控中心。监控中心为第三层的中心管理单元。系统结构如图1所示。

表1. LonWorks 自由拓扑结构性能指标

3、监控系统设计与实现

    水闸泵站SCADA系统设计包括：本地闸站串行网关的开发、监控软件设计以及组网设计。
    （1）串行网关的开发
    串行网关为一个标准的LonWorks网络设备, 负责将现场水位仪、开度仪等传感器的信息转换为Lonworks通信协议，并根据一定的逻辑实现对闸门的自动控制。可以采用现有厂商的产品,或者立足于自行开发, 两者的硬件设备内容基本一致. 无论是自行开发还是外购, 神经元芯片内部的协议转换程序都必须自行开发, 以满足不同协议转换的需要。
       
    如图2所示，对一个串行网关设备, 印制板大体包含如下内容:
    ● 智能收发器. 内含神经元芯片. 是所有LonWorks设备的核心.
    ● 电平转换单元  负责整合RS-232信号不同的电平
    ● 外围电路. 包含一些LonWorks设备独有的简单电路, 如Service Pin电路, 复位电路
    ● 隔离变压器. 保护和耦合LonWorks设备到网络上
    ● 电源
    所有这些设备都可以在一个很小的印制电路扳上实现。

    此次太湖流域（上海部分）水闸泵站SCADA系统采用美国BroadWin公司的网际组态软件WebAccess。WebAccess实现了将传统的工业控制技术与标准的Web技术完美结合，突破了传统组态软件在网络应用上的技术瓶颈，实现了远程工程维护、远程与现场零距离的监控能力等功能。

    依据分中心功能需求和应用软件系统的兼容性、扩展性和跨平台性的要求，整个系统采用基于SOAP/XML等多种协方式并存的软件结构。如图4所示。

    依据分中心功能需求和应用软件系统的兼容性、扩展性和跨平台性的要求，整个系统采用基于SOAP/XML等多种协方式并存的软件结构。如图4所示。

    I类闸站的通讯方式：6个I类闸站现场的应用软件利用SOAP/XML通讯协议，从各现场的 iLON100服务器中直接采集现场实时数据和运行状态参数。

    总中心、分中心、汇聚站间的通讯方式：分中心和汇聚站的应用软件利用相同原理直接读取其负责监控的各现场的iLON100服务器的实时数据，传送运行参数至iLON100服务器，实现控制原理。如果某分中心下已有I类闸站的情况，则I类闸站下的数据传递是经由1类闸站再送至分中心实现。例如：太浦河分中心的部分实时数据是经由I类闸站取得，而并非直接从现场的iLON100中读取。

    总中心应用软件的数据来源，是经由各分中心应用软件传送上来的实时数据，并通过ODBC接口将全部历史数据写入ORACLE数据库服务器中。

    市调度中心与太湖流域子系统的通讯方式：位于子系统总中心的应用软件将建立Web Server网站发布站点，利用B/S架构向市调度中心提供标准的HTTP访问接口。市调度中心的操作人员使用标准的浏览器登录子系统总中心的Web Server，可以直接实现对整个太湖流域子系统的远程监控。

    水闸泵站监控界面效果如图5所示：

4、结束语

    利用Lonworks现场总线以及WebService技术，不仅可以建立水闸泵站SCADA系统，还可以为建立河网分片、分系统水动力学模型提供极大便利。因为该模型中除了流量、闸位以及水位等参数以外，还需要考虑河道上下游边界条件、降雨产流模型和水质模型等相关参数的采集。监测点这些参数信号的后续接入只需要直接挂在Lonworks总线上即可；同时对于附近水域的关联信号可以利用“网络变量”这种简单的形式实现水力信息的综合处理，从而节省了设备的投入成本，提高了节点通信的标准性和可靠性。借助于WEB Service，可以将子系统监测信息远程接入上级监控中心，实现城市水域的管理信息化。