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案例详细
标题南京秦淮河水系远程集中监控系统设计
技术领域运动控制
行业包装
简介
内容



    符新峰：男，工程师，从事水利水电工程电气设计工作。

摘  要：将计算机及网络技术应用到秦淮河水系控制水工建筑物的自动化运行，不仅可以提高运行效率，降低运行成本，而且智能化的管理可以最大限度地保证该地区水环境质量。本文主要介绍秦淮河水系计算机集中监控系统的建设规模和目标、系统方案及系统组成等。

关键词：秦淮河水系；远程集中监控系统；PLC；网络；水质监测

Abstract: To use computer and networking technology on the automation operations of Qinhuai River water system hydraulic control building, not only can improve operational efficiency, reduce operating costs, and the intelligent management can ensure to the maximum in the area of water quality of the environment. The scale, object, scheme and component etc. of Remote Centeralized Monitoring & Control System for Nanjing Qinhuai River Water System are introduced.

Key words: Qinhuai River water; Remote Centeralized Monitoring & Control System, Programmable Logic Controller, Network; Water quality monitoring

中图分类号：TM
 
0 引言 

    秦淮河是长江下游南岸的一条历史名河，有溧水河、句容河两源。其干流长度34km，流域面积2631km2，流经两市九县区。秦淮河南京市区段分为两支：一支由东水关闸入城，习惯上称为内秦淮河，在铁窗棂、西水关处汇入秦淮河；另一支由七桥瓮进入南京主城区，经武定门节制闸至三汊河口入长江，习惯上称为外秦淮河。目前在秦淮河上，为了防洪和调节、控制秦淮河水位和流量，共修建了六个控制水工建筑物，分别为：三汊河口闸、秦淮新河水利枢纽、莲花闸、武定门闸、南河闸和天生桥套闸。

    为满足运行管理和保持秦淮河水系内河道的合理水位及良好水质的需要，并根据国际上管理城市水利的管理模式，吸取其先进管理经验，在秦淮河水系设置了远方集中监控系统。远方集中监控作为秦淮河水系的全局监控平台，可以提高秦淮河水系的运行管理水平，并对整个水系的水资源进行统一调度、统一管理。

1 建设规模和目标

    现代化管理系统的建设是秦淮河综合整治工程中的一项重要组成部分，系统建设的目标是通过广泛应用现代计算机技术、网络技术、通讯技术、视频监视及传输技术，建立起秦淮河水系的远方监测、监视及自动控制系统，为秦淮河综合治理工程的管理现代化及水环境自动化调度及控制提供一个坚实的平台。远程集中监控系统的建成，实现了集控中心即三汊河口闸控制中心对秦淮河水系各水工建筑物的数据采集，并将历史数据在集控中心数据服务器存储。在控制中心实时监测各控制建筑物现场的工作情况，各控制建筑物现地控制单元设计时留有远方控制接口，在必要时，可以实现全部远方控制。近期远程集控系统，秦淮新河水利枢纽、武定门闸、南河闸进行远方监视，其余三个水工建筑物进行远方监控。将来考虑全部实现远方监控。本远程集中监控系统留有通信接口，可与省市防汛中心通信。

    各控制水工建筑物位置规模和参数见表1。

    计算机远程集中监控系统实现了以下主要目标功能：

    1.1 数据采集

    集控系统可以采集秦淮河水系6个水工建筑物的各种测量和状态参数，主要包括：

    （1）各控制水工建筑物二侧的水位。

    （2）各控制水工建筑物有关设备如节制闸、套闸的开关状态，开启的开度，运行和故障状况等。

    （3）各控制水工建筑物水泵的正转、反转、停机、运行及故障状况等。

    （4）各控制水工建筑物所有维持闸门或水泵等设备正常运转的辅助系统的运行参数，故障情况等。

    （5）其他设备，如各控制建筑物中高低压开关柜或电动机的电压、电流等参数。
所有数据采集后存储到监控中心的计算机中，并建立完整的实时及历史数据库。

    1.2 远方监视和报警

    （1）以动画和表格的形式，在集控室的监视器中显示整个秦淮河水系的水位、水质和节制闸、套闸、贯流泵等的工作状态。

    表1  各控制水工建筑物的规模和主要参数表 

    （2）在整个秦淮河水系的图上，显示各个控制建筑物的位置、河道补水点等，并以不同的颜色和文字表现各自的状态，如绿色表示河道水质良好，黄色表示轻度污染，黑色表示重度污染等。对于整个闸门挡水设备也可用红色表示工作，绿色表示关停，黄色表示故障等等。

    （3）在水位、设备处于警戒状态时，集控系统应能灯光及语音报警，并能呼叫到主要值班人员的手机或电话。

    （4）可从集控中心调看现场的视频图像等信息。

    1.3水质在线监测

    实时监测秦淮河水质，在秦淮河沿线三汊河口（N1）、武定门(N2)、天生桥(N3)布置水质监测点，这些水质监测点可将测量数据经过附近控制水工建筑物的计算机监控网络系统实时上传到信息中心。（各控制水工建筑物及水质监测点具体分布见图1）



图1 秦淮河水系河口控制水工建筑物及水质实时监测站布置图

    各水质在线监测点监测的主要参数包括：

    常规五参数：T（温度）、PH（PH值）、DO（溶解氧）、EC（电导率）、TB（浊度）；TOC（总有机碳）；NH3-N（氨氮）。

    在水质超标或不满足设计要求时进行自动报警，及时提醒工作人员采取必要的防范处理措施。

    1.4 远方控制及智能水系调度

    秦淮河水系对各受控分站的闸门控制建筑物除能利用现地控制设备进行现地控制外，集中控制系统提供全面的远方控制功能。

    （1）远方开启和关闭各控制水工建筑物的挡水设备，如节制闸、套闸、涵闸等。

    （2）远方开启和关闭各控制水工建筑物的辅助设备，如电源，阀门等。

    （3）远方调节各控制水工建筑物的各类可控设备，如节制闸套闸开度等。

    秦淮新河水利枢纽、武定门闸和南河闸监测分站目前只考虑远方监视，将来根据需要实现远方控制。

    在远方集中监控系统平台上预期可以实现智能调水。即根据秦淮河水系河道水位、水质要达到的目标，利用计算机采集的各河道水质，水位的实时数据，对于各控制水工建筑物可控设备的控制方案进行优化组合，得出一个最佳方案，这个方案可以在实践中逐步探索，也可以建立数学模型经过复杂的算法获得。近期监控系统可以根据预存的调度程序提供各控制建筑物的操作建议，供值班人员使用。在情况许可时，可以直接进行远方的程序控制。

2 系统方案

    集控系统中，系统方案主要体现在组网的形式上，网络连接方式具有极重要的地位，它是远控的全部功能得以实现的基础。而网络技术的高速发展和日趋成熟，为我们提供很大的组网空间。

    目前网络连接方式有以下几种，①敷设专用网络；②租用电信网络；③无线电通信；④微波通信；⑤卫星通信等。这几种组网方式各有优缺点，但由于秦淮河流域6个控制水工建筑物，分布在约方圆50km的范围内，整体来讲覆盖区域较广，地理位置相对分散，信息流量不是特别大，如采用铺设有线或无线专用网络的方式将会增加系统的初期投资费用和建成后的运行维护费用，另外还要穿越主城区，存在着信道铺设困难和利用率不高的弊端；采用无线电通信需要申请无线电频段，带宽也受限制；微波通信和卫星通信适用于远距离传输；虽然租用电信网络接入，月租较贵，但初期投资比较低，不用自己对网络进行维护，而且目前现有公共数据网络已经非常发达，种类繁多，覆盖的区域广，故障率低，所以，我们采用现有公共数据网作为信息中心和各个控制水工建筑物之间通信的平台，系统通过在公共网络中建立专用的数据通信网络（VPN技术）实现可靠连接。目前，电信服务提供商提供的主要广域网连接方式有：祯中继（FRAME RELAY）、数字数据网（DDN）、非对称数字用户线（xDSL）、窄带综合业务数字网（ISDN）、SDH数字电路（SDH）、码分多址无线业务（CDMA）、通用分组无线业务（GPRS）等。

    2.1 DDN有线数字数据网络

    DDN网是利用数字信道传输数据信号的数据传输网，由数字传输电路和相应的数字交叉连接复用设备组成。

    DDN网是同步网，向用户提供永久性和半永久性的数字数据传输通道，沿途不进行复杂的软件处理，因此整个网络传输都是透明的，既保证了用户数据传输的安全性，又使得传输延时较短，避免了分组网中传输时延大且不固定的缺点。DDN网采用时分复用的技术，因此提供的基本专用电路是规定速率的点到点专用电路。用户可根据需要选择64K~2048K不等的速率。

    DDN业务主要应用于客户的局域网互联，浏览互联网业务。客户通过局域网互联专线传输数据、语言、图像等业务，实现各公司、部门间的资源交换和共享。专线上网的用户拥有固定的IP地址，客户可以根据需要建立自己的MAIL SERVER、WEBSERVER等服务器。

    2.2 SDH数字电路

    SDH(Synchronous Digital Hierarchy)是一种新的数字传输体制。它被称为电信传输体制的一次革命。 

    SDH数字电路是一种基于时分复用的同步数字技术。对于上层的各种网络，SDH相当于一个透明的物理通道，在这个透明的通道上，用户可以开展各种业务，如电话、数据、数字视频等。

    SDH技术与PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）技术相比，有如下明显优点：

    1、网络管理能力大大加强。

    2、提出了自愈网的新概念。用SDH设备组成的带有自愈保护能力的环网形式，可以在传输媒体主信号被切断时，自动通过自愈网恢复正常通信。

    3、统一的比特率，统一的接口标准，为不同厂家设备间的互联提供了可能。

    4、采用字节复接技术，使网络中上下支路信号变得十分简单。

    由于SDH具有上述显著优点，它成为实现信息高速公路的基础技术之一。

    根据本远程集控系统的功能要求和江苏省、南京市水利系统与当地电信局现有的业务关系，经过多方比较，本集控系统网络主通道最终选定采用2M带宽SDH数字电路。其组网运行费用较DDN要便宜，而带宽完全满足要求。

    由于在建设本集中监控系统以前，秦淮新河水利枢纽、武定门闸、南河闸已接入DDN电信网分别与省防汛办、市防汛办建立了网络连接，故可利用现有的DDN网络接入三汊河集控中心，不需再另外建设网络。三汊河口闸、莲花闸、天生桥套闸通过SDH接入IP城域网。

    2.3 CDMA码分多址无线网络

    CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支—扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

    CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势。

    CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，比较适合用于无线网络的组建。

    CDMA的平均速度约80K左右，最高可达150K左右，较GPRS快一倍，这与接入服务器负载和使用人数有关。在晚上或早上，速度快，白天人多，会慢一些。CDMA稳定性方面，相当于线路相当好的电话线，就是说比一般电话线更稳定。从实际使用的情况来看，一般几个小时都不会掉线。值得一提的是，CDMA的拨号速度比电话MODEM快很多，相当于ISDN，只要信号足够，基本上无需等待。另外，同其它联网方式比起来，CDMA无线联网的费用较低。

    SDH/DDN网络带宽较宽，抗干扰能力很强，但费用较高，CDMA带宽较窄，容易受外界气候、电磁波等干扰，但费用较低。另外考虑到SDH/DDN网络故障情况下保证网络的畅通，及有线、无线通信采用两种不同的物理介质，本远程集控系统选用CDMA为备份链路的方案，即正常情况下使用SDH/DDN，若SDH/DDN出现意外不通时，网络设备可以立即自动启动按需拨号激活CDMA备份链路，保证网络畅通。由于CDMA费用较低，在实际运行当中可以灵活切换，保证经济运行。

3 系统组成

    秦淮河远程集中监控系统由四个部分组成，它们是现地控制单元、水质监测单元、网络单元、集控单元，而且要求上述四部分均是以计算机技术为基础的，可联网的设备组成（见图2）。



图2 集中监控系统结构图

    3.1  现地控制单元

    集控系统的现地控制单元即秦淮河六个控制水工建筑物的单元控制系统。各水工控制建筑物的单个的控制系统配置如下：

    三汊河口闸：监控系统包括2台监控主机、1台服务器、4套工业交换机、5套PLC控制柜，1套视频监视系统包括1台视频监控主机、13点摄像头，1套广播系统等。节制闸内外河已配有超声波水位计共计4只。监控系统直接通过工业交换机与远程集中监控系统通信。

    秦淮新河水利枢纽：监控系统包括监控主机、PLC、交换机等，视频监视系统共有12只摄像机。现场上下游已配有水位计。本系统配置一台通信计算机通过DDN/CDMA与远程集中监控系统通信。

    莲花闸：监控系统包括监控计算机一台，PLC控制柜一面，视频主机一台，2只摄像机。监控计算机直接通过SDH/CDMA与远程集中监控系统通信。

    武定门闸：控制系统目前为手动控制，将来改造成计算机控制系统实现远方控制。本系统目前只对其进行远方监视，配置一台视频主机，6只摄像机。视频主机通过DDN/CDMA与远程集中监控系统通信。

    南河闸：控制系统目前为手动控制，将来改造成计算机控制系统实现远方控制。本系统目前只对其进行远方监视，配置一台视频主机，2只摄像机。视频主机通过DDN/CDMA与远程集中监控系统通信。

    天生桥套闸：天生桥套闸距三汊河口闸集控中心约50km，为12m套闸，现已有计算机监控系统，视频监视系统，广播系统，可在计算机上进行套闸开启/关闭等操作。监控计算机通过SDH/CDMA与远程集中监控系统通信。

    3.2  水质监测单元

    水质在线自动监测系统是一个把多个指标的自动监测仪器组合起来，从采样、分析到记录、数据统计及远距离数据传输组成的系统。水质自动监测系统由采样单元、预处理单元、过程逻辑控制单元、分析单元和数据采集及传输单元构成。辅助系统有压缩空气单元、冷却水及纯水单元、配电系统及UPS 单元、清洗单元等几个子单元组成。以上各单元相互牵制，其协调功能由控制系统完成，分析单元要完成分析任务，需要其他各单元相互配合共同来进行。其构成见图3。



图3水质自动化监测系统构成示意图

    3.3  网络结构及网络设备

    本集控系统主要通过租用电信局网络作为信息主要传出通道。各水工控制建筑物的网络配置如下。

    三汊河口闸：三汊河口闸集中监控主机通过工业交换机、防火墙、路由器等设备，经DDN/CDMA上到电信、联通广域网，通过电信、联通广域网与其余5闸联网。

    秦淮新河水利枢纽：通过DDN/CDMA与集控中心通信。

    莲花闸：通过SDH/CDMA与集控中心通信。

    武定门闸：通过DDN/CDMA与集控中心通信。

    南河闸：通过DDN/CDMA与集控中心通信。

    天生桥套闸：通过SDH/CDMA与集控中心通信。

    3.4  集控中心

    集控中心设在三汊河口闸管理楼内，集中控制室内主要配置如下：

    配置一台集控主机，一台视频监控主机，一台通信计算机，通过集控专用交换机接入三汊河口闸计算机监控系统。视频监控主机可同时显示六个分站的视频画面。通信计算机负责从各分闸提取数据、下达控制指令及和上级省防汛中心通信。

    配置一台集控数据库服务器，用于存储秦淮河水系六闸实时及历史数据。

    配置二台100英寸背投大屏幕显示装置，用于显示整个秦淮河流域的视频及控制图像。

    配置网络设备一套，包括工业交换机一台、路由器两台、防火墙设备一台及网络附件一套。防火墙设备，用于防止接入公共网后，外界非法用户对系统的侵袭。路由器设备，用于接入DDN网络和联通CDMA网络。另配置一台光端机主要用于与水质监测点通信。

    3.5  系统软件

    本系统软件主要包括操作系统软件、数据库软件、编程软件和控制应用软件等。集中监控软件是一个综合性软件，以一个基于Web页面的网站形式开发，允许经广域网被客户访问。该软件下设各功能入口：如闸门控制，图像监视，文档管理及共享，行政管理等，该软件还应有诸如信息地图检索、关键词检索工具，权限管理工具等，可使本系统不同的客户根据自己的要求和权限享受不同的服务，只要鼠标键及其功能入口，即可进入各自想要查看的内容。软件还考虑了以后升级的问题，将实现整个流域内的水资源自动调度，实现调水自动化。

    在安全方面考虑到通过公网有可能遭到黑客的攻击，设置了硬件防火墙，保证了系统的安全性。

4 结语

    在城市水利建设中，各水利建设地理位置比较分散，按照传统模式管理起来比较繁琐，而且效率很低。由于城市的通信网络基础比较好，集中监控将是未来几年的城市水利建设一个主要发展方向。

    南京秦淮河集中监控系统采用最新的计算机监控技术、网络通信技术、视频传输技术、等，将分散在一个较大区域内的各个现地子系统连接起来，形成一个有机的整体，大大提高了秦淮河水系运行和管理的科学性、快速性、可靠性和准确性。秦淮河集中监控系统的实施将成为城市水利集中监控的一个成功案例。

参考文献

    ［1］李华.广州市城区防洪排涝计算机监控系统的设计与实现.现代计算机，1998（03）：22-24.

    ［2］储钟圻.现代通信技术.北京：机械工业出版社，1997.

作者信息：

    符新峰：男，工程师，从事水利水电工程电气设计工作。

    富庆范：男，高级工程师，上海勘测设计研究院设计部副部长，从事水利水电工程电气设计和管理工作。

    黄支明：男，高级工程师，专业总工，从事水利水电工程电气设计。