（测试计量技术及仪器专业论文）区域供水智能监控网络系统的研究.pdf

摘要 随着国民经济的飞速发展、城市人口的增长和人民生活水平的提高，供水需 求越来越大，但我国又是一个缺水的国家，供水运行管理也比较落后，水资源和 电能的浪费严重，因此对供水调度采用智能化和网络化管理，合理科学利用水电 资源，并应付各种突发事件，是目前供水调度急需解决的问题。 根据我国现有供水网络的条件，供水系统具有规模大、泵站多、地点分散、 管网复杂等特点，综合国内外网络监控方案，本文针对实际课题要求，提出先进 的区域供水系统优化调度和网络监控方案，其主干网采用高速工业以太网，应用 光纤传输，连接到各供水点的中央控制室。现场设备层采用p r o f i b u s 现场总线 技术，连接现场分站的控制设备，可收集处理现场运行数据、对控制分站发送控 制指令，并可与“三防”中心相连，组成远程网络调度和监测系统，以期达到水 资源优化配置和宏观预测的目的。方案中充分利用现场总线技术，其实时性强、 对分散量支持性好、开放性好等特点，对监控系统进行设计，可达到手动、自动、 远程监控、画面监控和数据管理等功能。通过对供水智能网络的构建实例。现场 总线控制系统相对传统的中央控制两络系统和集散控制系统，都显示出竞好的全 面性能和高度可靠性。 在实际供水系统中很难准确地获取整个管网的所有基础数据，主要难以预知 所有节点的逐时流量及其变化规律，因此成为供水系统的优化调度的难点，本文 采用人工神经网络对供水量进行预测，应用二级优化调度，第一级以整个供水系 统的费用最小为目标，用回归方法求出各供水节点的供水量；第二级利用流量跟 踪的方法对每个供水节点( 泵站) 实现优化运行，以期在泵站内达到最大节能目 的。用计算机仿真运行后，取得了良好效果。 本文应用人工神经网络理论和p r o f i b u s 现场总线技术，对供水网络的智能 调度和监控的开发研究进行有益的探索，提出明确的观点和方案，具有较广泛的 应用前景。 关键词供水网络，现场总线，优化调度，智能监控计算机仿真 至三些銮兰三耋塑圭兰竺兰三 a b st r a c t a l o n g w i t ht h en a t i o n a l e c o n o m y sd e v e l o p m e n t ，w i t hp e o p l e sp o p u l a t i o n i n c r e a s i n g ，a n d w i t ht h el i v el e v e l i m p r o v i n g ，t h e s c a l eo f s u p p l y i n g w a t e r c o n t i n u o u s l y e x t e n d s ，t h e p r o c e s s o ft h a t i n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d ，a n d t h e i n t e l l i g e n c ew i t hg a t h e r i n gi n f o r m a t i o nr e q u e s th i g h e ra n dh i g h e r b u tt h em a n a g eo f s u p p l yw a t e rs t i l l i s p l a c e di nt h ep h e n o m e n o no fb e h i n ds c h e d u l ea p p e a r a n c e ，a n d w a t e rr e s o u r c e si sw a s t e d v e r y s e r i o u s l y , i nd e n s e l yp o p u l a t e dr e g i o n w h e r e w i d e s p r e a dw a t e ri ss h o r t a g e n o w , i ti s i nf r o n to f p e o p l e ，h o wt oo p t i m i z es u p p l y w a t e r ，a n dh o w t os e tu pt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m s t h i sp a p e rd e s i g n sas u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o j e c tf o rt h ed i s t r i c ts u p p l y w a t e r s y s t e m ，b a s e d o nt h ea c t u a l p r o b l e m s o n e k i n d so ft h em o s ta d v a n c e d t e c h n i q u ei sa d o p t e d t h es u p e r s p e e di n d u s t ye t h e r n e ti s u s e da st h em a i nn e t ，a n d p r o f i b u si sa p p l i e di nt h el a y e ro fs p o te q u i p m e n t s s i n c em a n yd a t aa r ch a n d l e d ， t h ef i b e r o p t i cn e ti sn e e d e di nt h ec e n t r a lc o n t r o lr o o m t h ed a t ai n c l u d et h ep r o c e s s t a g sf r o mt h ec o n t r o ls t a t i o n s ，t h eo r d e r st ot h ec o n t r o ls t a t i o n s ，a n dt h ed a t af r o m i n t e r n e t e s p e c i a l l yt h e “t h r e ed e f e n d ”c e n t e rc a n b ec o n n e c t e di nt h ek e ym o m e n t i n s od o i n g ，w a t e rr e s o u r c ec a nb eo p t i m i z e d t h ec o n t r o ls t a t i o n sa p p l yp r o f i b u s ，i n o r d e rt os a r i s f yt h en e e dt h a tn om a ni so nd u t ys o m et i m e t h ep r o j e c tc a ns u p e r v i s e a n dc o n t r o lo n s p o t o r l o n g d i s t a n c e ，a n d b e o p e r a t e db yh a n d s o ra u t o t h e c o n f i g u r a t i o n m a k e si t s u p e r v i s e a n dc o n t r o l d i r e c t l y , b r i e f l y t h es u p p l y w a t e r n e t w o r kp r o v e st h a tf c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) i sm o r ec o m p l e t e da n dh i g h e r d e p e n d a b l et h a nt h a to fc c s ( c e n t e rc o n t r o ls y s t e m ) a n dd c s ( d i s t r i b u t i n g c o n t r o l s y s t e m ) ，r e g a r d l e s st h et o t a ld e s i g n ，h a r d w a r ei n s t a l l a t i o n ，o rs o f t w a r ed e s i g n b e c a u s et h es u p p l yw a t e rs y s t e mi sl a r g e s c a l e ，t h ep u m ps t a t i o n sa r em a n y ，t h e w a y so fs u p p l yw a t e ra r ec o m p l i c a t e d ，a n dt h ea d j u s t a b l es p a r ei sl a r g e ，t h ew h o l e d a t ai nt h eo p t i m i z a t i o no fs u p p l yw a t e r ，t h ef l u xa n di t sv a r i e t yr e g u l a t i o n si nt h e i i c o n t r o ls t a t i o n sc a n tb ea c q u i r e d t h ep a p e r p r e d i c t ss u p p l yw a t e rd u r i n gt h ep r o c e s s b a s e do nt h et h e o r yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 t h eo p t i m i z a t i o nh a st w o s t e p s f i r s t ，r e g a r d i n gt h el e a s te x p e n s e so f w h o l ew a t e rs u p p l ys y s t e ma st h et a r g e t ， t h ef l u xo fe a c hw a t e rs u p p l ys t a t i o nc a nb ec a l c u l a t e db yt h er e c u r s i o nm e t h o d s e c o n d l yy o uc a no p t i m i z ef l u xi ne a c hs t a t i o n ，t og a i nt h em i n i m u me n e r g y i nt h e e n d ，t h i sp r o j e c ti ss i m u l a t e db yc o m p u t e r ，a n dc i r c u l a t e sd u r i n gt h es m a l ls c o p e ，a n d t h eg o o dr e s u l tc a nb ea t t a i n e d t h i sp a p e ra p p l i e sa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n dp r o f i b u st e c h n o l o g y , a n d p r o v i d e sab e n e f i c i a lq u e s t i tb r i n g su p t h eo w n s t a n d p o i n ta n ds u g g e s t st h a th o w t or e f o r mc u r r e n tw a t e rs u p p l yn e t w o r ks y s t e m s ，a n dh o wt om a k ei tm a t c ht h e m o d e r n i z a t i o n t h i sk i n dn e t w o r ks h o u l db ea p p l i e db r o a d e ra n db r o a d e r k e yw o r d ss u p p l y w a t e rn e t w o r k ，p r o f i b u s ，o p t i m i z eo p e r a t i o n ，i n t e l l i g e n t s u p e r v i s ea n dc o n t r o l ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n i i i 第一章绪论 实现城市2 l 世纪经济可持续发展战略，水资源是重要保障条件。只有加强水 资源的统一管理，合理开发利用，才能促进经济的可持续发展。为了加快工程 水利向资源水利、传统水利向现代水利转变，水利工程性设施建设的同时，非工 程设施建设还将进一步加强，比如“三防”信息化建设，以信息化促进水利现代 化。 我国是一个水资源严重贫乏的国家，年平均径流量为2 8 。0 0 0 亿肌3 ，总量居 世界第6 位，人均与亩均水资源拥有量却十分贫乏，人均水资源为2 ，4 0 0 m 3 ，只 相当于世界人均的1 4 ，而亩均只有世界平均水平的2 3 ，属于世界上1 3 个贫水 国家之一，作为一个农业大国，我国每年的农业用水的缺口为1 0 0 0 亿m 3 ，而工 业用水的缺口为5 3 亿m 3 ，并且随着我国工业化进程的不断深入这个数字还将进 一步扩大；另一方面，我国水资源在时空分布上很不平衡，只占全国耕地面积和 人口4 6 和5 4 的南方，水资源占全国的9 0 。全国有3 0 0 个城市用水紧张，其 中严重缺水城市1 1 0 多个，每年因缺水而影响的经济损失约达2 0 0 多亿元b j 。 但是我国泵站效率低，供水运行仍处于较落后的管理状态，水资源浪费现象 十分严重，不能适应现代社会发展的需要。供水网络引入计算机技术，提高泵站 管理水平，采用供水优化调度，不仅能节省大量能源，而且使管网能在合理的状 态下运行，既保证供水的要求，也能使管网在最佳状态下运行。因此，如何科学 地规划新的或改建旧的供水系统，如何科学地进行供水调度，是摆在人们面前的 一个亟待解决的问题。 1 1 课题的提出 国内对泵站计算机系统的研究已做了大量的工作，但将整个区域作为一个系 统来监控的成功例子还未见报道。因此本课题充分结合已做的课题( 中山某自来 水厂改造，东莞某泵站的改造) 总结先前开发过的泵站、水闸监控系统，参考国 内外先进的局域供水网络系统，对供水网络智能监控系统应用技术展开研究。本 文提出的供水网络智能监控系统采用工业以太网和p r o f i b u s 现场总线技术构成 广东工业大学工学硕士学位论文 远程网络监控系统，应用人工智能相关理论和流量跟踪优化理论，对供水网络进 行智能调度。 1 2 泵站自动控制系统国内外现状 在国外，泵站计算机监控技术已经比较成熟，他们不仅限于对单座泵站的监 控，而已成功的将监控对象扩大到了同一个流域的泵站群，实现了对泵站运行的 远程监控和整个流域的水文信息等的共享。如日本为提高流域内t 5 座泻洪泵站运 行和维护的可靠性及其管理的集中化【3 1 ，研制了“江河泻洪泵站检测管理系统”。 1 2 1 泵站自动控制系统的现状 自从六十年代以来，我国各地就开始兴建了一批大中型泵站，如江都排灌站 等，在抗御洪涝干旱灾害，垮流域调水等方面发挥重要的作用：到了九十年代根 据国民经济发展的需要又陆续新建、改建、扩建了一大批大型泵站，如沙集、刘 老涧、泗阳二站等；九十年代末，由于对环保提出要求，国家颁布了污水的排放 标准，国内有多座城市兴建了污水处理泵站；进入本世纪，随着国家综合国力的 稳步提高，南水北调工程的实施，将兴建更多的大中型泵站。我国泵站工程的数 量大，全国机电排灌总装机容量已近7 0 0 万k w ，大中型泵站2 0 0 多座，但目前我 国的泵站效率却很低，一般为3 0 左右，有的甚至为2 0 ，可见引入计算机技术， 提高泵站的自动化管理水平有非常可观的经济效益1 4 j 。 我国水利系统早在6 0 年代就引进了电子计算机技术，8 0 年代以来发展就更 为迅猛。但早期应用范围主要集中在科研计算、勘测规划、工程设计、各类教学 和办公自动化等领域，电子计算机真正应用到泵站作为一种主要自动化手段，提 高泵站运行、管理水平，则是近十年来随着计算机技术，尤其是工业控制计算机 技术的不断发展而发展起来的。 计算机进入泵站监控领域，最初是作为测量仪表的一部分出现的，计算机在 测量仪表中的应用实现了测量仪表的智能化。八十年代初，为了提高调度管理水 平，更主要的是为了减轻运行人员的劳动强度，大型泵站中开始采用智能型巡回 检测仪表，如江苏淮安二站、湖北凡口泵站、甘肃的景泰川提灌工程等，与常规 仪表相比，智能型巡回检测仪表的应用，提高了测量精度，并易于实现测量信号 的集中，减轻了泵站操作人员的劳动强度，并便于管理人员迅速、全面的了解泵 站的运行情况。但在此阶段，计算机并没有一个独立的面目和应有的地位，严格 意义上讲，不能称其为一个系统【”。尽管这些泵站计算机应用和完善程度不同， 但对于泵站的运行、管理水平的提高都起到了一定的积极作用【”。 微型计算机技术的迅猛发展使计算机应用领域迅速扩大，国际各大公司( 如 台湾研华) 成熟工控产品性价比的不断提高为计算机监控系统在泵站的应用和普 及提供了物质上的可能性，国内一些泵站开始逐渐增设与当时工业控制技术和计 算机发展水平相一致的集中式计算机数据采集系统，硬件结构上一般由一台工业 控制计算机为基础，再通过扩展各种标准工业控制卡如a d 卡，d a 卡，i o 卡， 高速计数卡等雨组成。由于传统集中式数据采集系统单机处理能力有限，且现场 环境可能比较恶劣，或是管理人员不适宜进入现场，集中式系统开始更多地采用 双机结构来实现，称为集中式控制系统c c s ( c e n t e r c o n t r o ls y s t e m ) 的主从式结 构。从属计算机( 下位机) 实现对现场信号的数据采集、转换，并在主计算机( 上 位机) 的控制下实现和上位机的数据通信；面主计算机则完成对采集信号的数据 处理、逻辑判断、人机界面处理、数据库的管理等工作上位机和下位机之间的 信息交互一般通过r s 2 3 2 标准串行通讯接口来实现。应用实例有江苏省建设较 早的皂河泵站、后来的淮安第三抽水站、泅阳第二抽水站、刘老涧抽水站，以及 新近履行的引滦入津天津尔王庄泵站数据采集系统等【6 1 7 1 。c c s 系统的优点是：结 构简单、清晰；集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性：c c s 监 控系统投资少、开发周期短，但它的优点并不能掩饰其系统结构所造成的必然缺 陷。 随着计算机监控系统在泵站领域应用越来越多，人们对其要求也越来越高。 其监测量已由最初的泵站主机扩展到和主机相配套的相应辅机设备、节制闸等， 功能也不断增加，已由最初的测量发展为融测量、保护、控制、管理为一体的综 合性系统。对此，由于c c s 本身所固有的局限性已使得它越来越不能适应泵站发 展的要求了。 浆于c c s 在各领域应用中所引发的各种问题，人们开始针对这些问题寻求 解决方案，计算机网络技术、多媒体通讯技术和计算机控制技术的结合，使计算 机监控系统在改进集中式体系结构的弊端中有了新的突破，这便是目前被各领域 广东工业大学工学硕士学位论文 广泛采用的分布式计算机监控系统。 所谓分布式计算机监控系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，就是将整个 系统的目标和任务事先按一定方式分配给若干个子系统，各个子系统都由各自的 计算机来控制或管理，而子系统之间可以有信息交换；所有计算机可能处于平等 地位，也可能有主从之分。事实上，由于被控过程本身具有层次性和可分割性， 所以f c s 的设计思想符合被控过程自身的内在规律，因此基于“集中管理、分散 控制、功能单一化、危险分散化”的设计思想的分布式监控系统出现后，很快便 得到了广泛的承认和普遍的应用，并且取得了相当大的进展【8 ，9 1 0 】。目前d c s 已 成为计算机工业自动化系统的不可逆转的发展趋势。如盐官下河站闸排涝工程【l l l 和江都水利枢纽等 1 2 】，其工程使用可编程控制器p l c ( p r o g r a m m el o g i cc o n t r o l l e r ) 作为下位机进行测控，很大程度上提高了泵站工程的自动化水平。计算机监控系 统进入泵站领域以来，十多年的应用实践充分表明：它对于提高泵站运行的安全 性、可靠性，充分发挥泵站的效益，促进泵站管理工作的现代化有着非常明显的 作用。目前，泵站建设者和泵站工作、管理人员已经将计算机监控系统看成泵站 的一个必不可少的组成部分。 以分布式和开放性为特征的现场总线f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 控制系 统，以其优越的表现，成为网络监控系统研究的热点，成为新一代区域控制系统 的发展趋势。计算机网络把人类引入到信息时代，f c s 则使自控系统与设备加入 到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直 延伸到生产现场，给自动化控制带入了一个新的时代。 1 2 2 泵站控制系统的发展方向 泵站自动控制技术今后将朝以下几个方向发展： l 、智能化控制。在控制策略上，引入人的经验、推理、联想、记忆等功能，以 弥补传统控制方式存在的不足之处，提高控制系统的智能度和学习能力，从而使 对象具有更好的运行品质和动态特性。 2 、高可靠。高可靠的控制系统在远程网络控制和无人值守控制系统中显得十分 重要。 3 、多功能与多目标结合。除了对机组进行有效的调节控制外，将具有运行状态 4 的在线自动监测、多项辅助实验功能，同时将实现多目标的优化控制。 1 3 供水调度决策国内外发展动态 1 3 1 供水调度决策的国外现状 国外自六十年起一些发达国家开始对供水系统计算机应用进行探索 1 3 , 1 4 , 1 5 】， 早期如在美国的费城、丹佛和加拿大的多伦多等城市，主要是采用遥测设备将管 网中控制点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实际运行参 数自动适时地传送到中心调度室，并对超常现象作出自动报警，依此作为控制人 员实际操作的依据，并逐渐在建模理论上进行了有益的探索。目前在美国、英国、 日本、法国等地的一些城市己基本上实现了供水系统的计算机分析管理，并编制 了一些较通用的系统分析应用软件，如英国的g i n a s m 1 及美国的o p w a d 1 7 】等。 国内自七十年代起也逐步开始了这方面的研究 t 8 , 1 9 1 ，并开发了一些应用软件如 w n w 等。但由于国内设备条件及技术手段的限制，能在供水的可靠性及经济性 方面都成功的实例不多见，建立供水系统的优化调度系统是供水行业发展的必然 趋势。 1 3 2 供水调度决策的国内现状 目前国内外大量学者主要将精力集中在对各种优化调度算法的改进和发展 上，即提高理论上的可行性。虽然优化调度在西方有较成功的例子，但在国内， 由于设备条件及技术手段的限制，完全由计算机调度的供水控制系统并不多见。 然而，一个供水系统消耗的电能很大，如果系统节电5 ，日供水量1 0 0 万立方的 供水系统，每年可节电3 0 0 万k w h 4 0 0 3 0 0 万k w h ，这个数字是相当可观的【2 。 因此，不断研究开发更优的计算机控制系统，并研究探索一种适合我国国情的最 优调度方法，即在满足供水水量、水压和水质要求的前提下，最大限度地提高供 水系统的经济效益，是供水系统中的重要课题。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 1 4 1 本课题研究的主要内容 本课题是结合某供水水网的综合自动化系统改造而展开研究的。课题研究的 主要内容包括： 1 、现场总线技术实现供水网监控系统集成 泵站的系统结构选择是设置泵站综合自动化系统的成功与否的关键。本文通 过对泵站计算机系统的结构和功能的分析，给分布式计算机系统进行了硬件选型， 并组态设计了泵站综合自动化系统体系结构，在该系统结构的基础上分析了系统 的功能原理及其系统的性能。 2 、研究了供水预测决策技术 研究各种供水预测方法，用b p 神经网络的方法对供水系统进行预测，并有 仿真实验结果，为供水调度控制提供了理论依据。 3 、研究了供水水网的优化运行方法 总结了供水水网具有共同的能耗问题，接着用动态规划的方法建立了优化数 学模型并给出了求解方法。提出了供水网络运行优化组态的概念，为供水水网优 化控制开发提供了理论依据。 1 4 2 本课题研究的意义 未来供水网络的发展趋势是整个控制系统的测量、控制、管理一体化，是分 布式的管理和控制结构，i n t e r n e t 、管理层、监控层和现场总线层构成综合信息网。 这符合远程网络智能全数字监测控制系统的要求，也是供水系统现代化的要求。 课题研究对供水网络监控的智能化体系的构建，提供从底层到高层的信息通信技 术的研究参考，对供水优化调度进行了较深入的研究，有助于各地水资源优化配 置，有助于提高网络供水效率，对供水智能网络化产品开发提供一种有益的探索。 6 第二章总体方案设计 2 1 工程概述及内容 2 1 1 工程概述 近几年水利建设将重点建设三个体系：防洪排涝为重点的减灾体系，水资源 优化配置体系，水环境与生态保护保障体系。工程性设施建设的同时，非工程设 施建设还将迸一步加强，比如“三防”信息化建设，以信息化促进水利现代化。 加快工程水利向资源水利、传统水利向现代水利转变。建立供水智能监控网络系 统是实现现代供水的必经之路。监控系统的建立可以提高管理水平，合理地对水 资源进行调配，对供水水系中的有关水厂和泵站进行集中控制，统一调度，实现 优化水资源调配的目标，还能应付各种突发情况。 供水智能监控网络系统所实现的预期目标：以中央控制室为控制中心，通过 光纤接通全区相关泵站和自来水厂，实时收集各个单位的测量、控制、保护等有 关数据，并对这些数据进行处理，由数据库统一存储这些数据；在各个单位安装 视频监控系统，对其工作情况、状态进行监视，并为控制提供依据；控制方式采 用分散控制集中管理的原则，要求既可在就地进行控制，也可在控制中心远程控 制。此外，各个泵站的有关数据、工作状态等也要即时送往“三防”中心。必要 时“三防”中心可有权进行控制；监控系统具备自检功能、报警功能和故障诊断 功能，出现问题时能自动报警并能自动判断故障所在，确保工作安全；能对数据 库中的历史数据进行管理。统计、查询，并能对供水实现优化调度。 2 1 2 工程内容 l 、在全区布光纤网，形成统一的监控系统。 2 、在各泵站和自来水厂设置现场总线控制柜，其功能包含集中控制、保护、报 警、数据采集、数据上送中央控制室和接受中央控制室控制命令等功能。 3 、在中央控制室设置一套监控计算机系统，其功能是在中央控制室实现对各监 控对象状态进行监视。 4 、每个泵站配置电量变送器，将电流、电压、功率因数等采集到控制柜。 5 、在每一进水泵站就地设置二个水位变送器，并将水位信号采集到现场总线控 制柜，以实现对河内外水位的监视。 6 、对历史数据进行统计、查询，还能进行供水优化调度。 2 2 总体设计目标 智能监控网络系统关系到水资源的调配，还消耗大量的电能，因此系统的安 全可靠是整个设计的首要要求。只有采用先进技术才能保证安全可靠，维护方便 有利于监控系统正常运行，强大的扩展性可以保证监控系统在未来方便地升级而 不至于很快被淘汰，高的经济实用性降低整个系统的成本，节约开支其设计目 标如下： 1 、整个工程要设计成一个高可靠性的系统。 ( 1 ) 设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施。为预防系统故障，对系 统核心设备要设置热备份。 ( 2 ) 监控系统采用光纤系统通讯保证网络传输的可靠性。方案中最关键是主干 网络设计，因为它是“中枢神经和大动脉”，所以首先必须选用完全符合工业级标 准的光纤主干网络，确保整个监控通讯系统的可靠性、实时性和安全性。 ( 3 ) 自控系统采用高可靠性p l c 构成的系统和带电热插拔方式。选用高可靠性 p l c ，构成现场控制站的控制心脏，达到系统自控水平。 ( 4 ) 所选用的仪表均能适应室外恶劣的环境，并能提供准确可靠的读数。 2 、现场泵站和自来水厂设计要达到“无人值守” ( 1 ) 为泵站和水厂配置高品质、高性能的p l c 来完成设备的控制和数据采集。 ( 2 ) 采用高清晰度摄像机系统对泵站和水厂进行监视。作为对控制信号的补充， 为主监控中心操作人员提供视觉依据。 ( 3 ) 为泵站和水厂配置报警、防盗等系统。保证现场设备及人员的安全。 3 、监控系统操作维护方便 ( 1 ) 操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作人员要掌握计算机知识。 第二章总体方案设计 ( 2 ) 采用标准的功能模块结构，便于更换故障模块。 ( 3 ) 在功能模块上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。 ( 4 ) 网络具有一定程度的自我修复能力和监测能力，便于网络维护。 4 、监控系统设计成先进、可靠性好的网络 ( 1 ) 系统采用先进的、主流的通讯网。 ( 2 ) 系统网络要同时传送“数据、图像和语音”。 5 、监控系统要具备强的开放性、可扩展性、可升级性 ( 1 ) 以后将有更多的泵站和水厂并入到系统中。 ( 2 ) 收集更多的数据，配合气象、水文等部门的资料，建立数学模型，实现水 资源优化调配，真正实现整个供水监控网络的自动化调控。 融合多媒体技术、p l c 技术和网络技术，设计和配置可靠的、成熟的、先进 的、合理的接口界面( 软件和硬件) ，将多种专业技术有机地结合在一起，构成监 控通讯系统，为供水网络系统的调度、生产指挥、实时监控、降低生产运行成本、 提高管理水平，提供行之有效的手段。 2 3 供水网络监控系统的总体设计方案 2 3 1 监控系统构成 智能监控中心设在水利局，各水厂或泵站作为一控制分站，通过光纤通讯系 统构成分层分布式自动化调控系统工程，并且系统预留足够的接口，以后新增站 点只要满足自动化控制要求就可马上并入整个系统。系统还可以通过i n t e r n e t 网 与“三防”指挥中心进行信息交换。 2 3 1 1 主干网络设计 目前，主干网的建设主要有f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 、 a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 和以太网( e t h e r n e t ) 三种。基于a t m 的主 干网是一种高性能的网络，它采用网状结构，保证系统的可靠性，同时采用定长 广东工业大学工学硕士学位论文 短信元和面向连接的技术，综合了电路交换和分组交换的优点，具有延迟小、吞 吐量大、速度快等特点，适合传输视频等多媒体信息。但是，现有网络操作系统 对a t m 的支持不够，互操作性能不完善。近年来，提出了以太网上的a t m 技术 使a t m 网络可以低成本地延伸到桌面，从而建立起端到端的完整a t m 通路口“。 基于f d d i 的主干网是一种比较成熟的主干网，应用较早，技术成熟。它采用双 环单模光纤， p 卫 l 坷呷畦l i | 一 i 厂 先纤i 业吐太阿一一l ： ；| d 引 咖 鞋吲 l 一1 曲 厨煽确煽橱咱蚓煽蚓 图2 - 1 供水智能监控网络系统结构 f i 9 2 1n e t w o r k s t r u c t u r eo f s u p e r v i s i n g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 作为主干网，各种服务器通过端口与之相连。一方面，它采用了高速令牌网的一 个超集，在优先级控制方面可以对实时数据赋予高优先级，区别与常规数据的传 递；另一方面，f d d l 支持一种同步通信交通，即所谓延迟受限的通信，它将保 证传输延迟的最大限制。因此，f d d i 可以良好地支持多媒体通信，也特别适合 于多媒体网络传输的要求，即视频、音频等多媒体信息传输要求，该结构一般应 用在规模较大的城域网【2 2 1 。以太网是一种发展成熟、迅速并且应用广泛的网络结 构，具有良好的经济性和连续性 2 3 , 2 4 。特别是1 0 0 m b s 的快速e t h e r n e t 诞生以后， 一些机构开发出适合于工业环境的e t h e m e t 器件，开始将用于d c s 的监控级。如 f fh s e e t h e r n e t i p ( t h eo p e nd e v i c e n e t v e n d o ra s s o c i a t i o n 支持) 、p r o f i n e t ( t h e 1 0 p r o f i b u st r a d eo r g a n i z a t i o n 支持、i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ( t h ei d a g r o u p 支持) 、m o d b u s t c p ( t h em o d b u s u s e r sg r o u p 支持) 等。 1 9 9 6 年出现快速以太网标准以来，以太网得到了极为广泛的应用，已经成为 一种主流技术。目前在构筑信息高速公路、在企业信息系统和智能建筑中都无一 例外地应用了高速以太网 2 5 1 。以太网的特点： 1 、基于t c p i p 的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互 联。 2 、以太网能便捷地访问远程系统，共享访问多数据库； 3 、易于与i n t e r n e t 连接，能够在任何城市、地方通过i n t e r n e t 对企业进行监控， 是提高效率的有效手段： 4 、网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。 供水泵站及水厂大部分处于城市边缘，比较适合采用高速以太环型网，它能 够保证现场向中控室清晰地传输视频图像，且造价合理，性价比高。 2 3 1 2 中心调度控制室 中心调度控制室由管理服务器、控制计算机、视频监控系统、以太网、集线 器、模拟屏等设备组成。中心调度控制室与远程水闸泵站控制分站子系统都有通 信通道连接。中心调度控制室将采集到的整个系统各水闸泵站的数据信息加以处 理、储存、显示，以此来了解各水闸泵站的运行情况及水系的水位等情况，并调 度各水闸泵站的运行，做好水系水流调度工作。中心调度控制室可对下属各泵站 下达调度命令和全局数据，在中央控制模式时还能直接操纵现场设备。控制分站 的自动控制程序能根据来自中心调度控制室的指令和全局数据，结合现场设备的 具体情况来控制本站的运行。操作人员也可能在控制分站的操作柜直接控制现场 设各。 2 3 1 3 控制分站 各远程水闸泵站控制分站由控制柜、现场各检测仪表( 如水位计、压力表等) 、 摄像系统、u p s 等设备组成。各远程泵闸控制分站p l c 负责本站内所有的被控设 广东工业大学工学硕士学位论文 备的开、停以及各设备之间的联动、联锁，并采集各设备的状态信号、报警信号。 各远程水闸泵站控制分站和中心调度控制室设有通信通道，远程水闸泵站控制分 站p l c 将收集来的信号送到中心调度控制室，也可以接收中心调度控制室下达的 运行数据和调度指令，及在自动控制方式时接受中心调度控制室的控制命令。 监控系统的软件留有与信息管理系统的接口，接口规约为o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v t y 开放式数据库联接) 。一旦业主需要建立信息管理系统，监控系 统可通过这个标准接口为信息管理系统提供监控数据。 2 3 2 监控系统控制模式 控制模式遵照“分散控制集中管理”的原则分三级控制实现：机侧( 配电柜) 控制级、现场总线控制级和中央计算机控制级，完成现场设备的维修试车、就地 手动自动控制、远程遥控等功能。在模式变化时，现场设备运行设备的工况状态 保持不变。中心调度控制室直接发控制命令，控制命令通过现场就地实施。 2 3 2 1 中央计算机控制级 在各分站p l c 柜的操作盘面板上均设有“本地远程”转换开关。选择“本 地”，则按照上述p l c 控制级运行，选择“远程”，则控制权交给中央控制室，由 中央计算机通过网络通信，把有关控制命令参数下传给各分站p l c 进行控制。 在中央计算机控制级，可以由值班操作人员通过计算机控制系统的操作界面 上进行手动操作，也可由系统软件实现自动控制。系统“手动自动”控制方式的 切换在系统的操作界面进行。 在“手动”控制方式下，泵站值班人员根据要求，选用控制站中可用设备， 操作界面上将显示设备中目前运行累积时间和运行状态供操作人员选择。在“自 动”控制方式时，监控系统以控制要求为依据，并根据设备的运行情况，由计算 机通过p l c 按时序及设备联锁自动控制控制站的设备的运行停止。 第二章总体方案设计 2 3 2 2 现场总线控制级 此控制级优化级别高于中央控制层，由各分站就地控制各设备的开、关及关 联设备的联动、联锁控制。在监控站的操作盘面板上设有控制设备运行的按钮。 操作人员根据要求，选用控制站中目前可用的设备，通过按钮控制设备的运行或 停止。操作盘面板上的指示灯显示设备的运行状态和故障报警。现场总线控制分 就地手动和就地自动控制。就地手动控制指操作人员可以按就地操作柜面板上的 手动控制按钮，手动控制设备的开、停。就地自动指在建立调度运行模型后能根 据水情自动完成设备的自动控制及运行调度。 手动：人工操作操作柜操作盘面板的手动控制按钮控制设备的开启和关闭。 自动：p l c 的控制信号按一定的程序自动操作，或转发来自中心调度控制室的 遥控命令。 2 3 2 3 机侧( 配电柜) 控制级 具有最高的控制优先级，在配电柜上设置机侧操作计算机控制的转换开关， 机侧控制级就是设备处于维修状态下或监控系统处于检修检查时，维修人员或值 班人员在配电柜上操作按钮启动停止设备，是维修人员对设备进行维修试车或性 能进行检查一种手段或是监控系统处于检修时的临时操作方式。当控制方式手柄 处于“机侧操作”时，或p l c 的控制被屏蔽时，现场设备均可以在配电屏或电气 控制柜上实现手动控制和检修。这些配电屏或电气控制柜需提供基本的控制联锁 或联动。在计算机控制方式下，设备的操作权限转交给p l c 控制级或更上级。 手动：人工操作设备机侧或电气控制柜面板上的按钮，控制设备的开启和关闭。 自动：就地控制柜接受p l c 的控制信号对设备的开启、关闭。 2 3 3 监控系统功能 对供水智能监控网络系统将应用最新的电子数据处理技术，完成供水量控制、 用户决策调度及信息管理等功能。来满足运行及管理的需要。 2 3 3 1 中心调度控制室的主要功能 调度控制功能：中心调度控制室与控制分站站运行联网，负责引水进城后水 量的分配、调度控制。将引进的清洁水按需要进行全区运行或菜条河道进行换水， 达到改善水质的目的，以及进行联络、调度与控制。 数据处理功能：系统具有数据分类、检索及显示功能；基本的点状态清单的 功能；对下属分站的数据下载；具有历史数据存档、显示管理功能。 报警处理功能：当故障发生时，发出声光报警，并记录打印输出。报警可以 有操作员确认后消除和定时消除，对已确认的报警应带上时标存入报警数据库。 时间处理功能：包括事件登录、检索、存档、事件驱动报表，具有报表及打 印功能。 显示功能： l 、c r t 上显示：除显示文字、表格、图形、曲线及报警外，还应显示各分站 点及河网系统的布置和地形图，液位、水质、流量及其分布等。 2 、画面显示和人机界面；支持三维图形，画面切换速度要足够快。画面应能无 级缩放，滚动、漫游、导游坐标及分层显示。 3 、模拟屏显示：显示水系范围内各站点的总体布置及所采集的主要信息，包括： 液位及主要设备状态信息等。 可靠性及容错功能：通信协议具有错误检测和纠错能力。 2 3 3 2 现场控制站的主要功能 承担供水区域1 0 0 供水任务， 智能监控网络系统通过采用新技术、 视的现代化系统。 保护区域生产总产值和全民生活用水。供水 新设备，将整个供水系统改造为微机控制监 1 4 2 4 供水系统优化调度的总体设计 2 4 1 优化调度的目标 随着数学规划、现代控制理论及计算机技术等的不断发展，有力促进了大型 系统的控制和管理水平的提高，使供水智能监控系统借助计算机工具进行科学的 调度管理成为可能。智能监控网络系统可以实现供水优化调度，在达到满足供水 任务的需求的前提下，使得整个水网的耗能最小。 2 4 2 优化调度的构成 优化调度的前提是要满足供水任务，因此必须对供水任务即供水量作准确的 预测。供水量预测包括有年供水量、月供水量、日供水量和时供水量，对于控制 分站来讲，只需掌握日供水量和时供水量的预测，就可以实现实时控制达到满足 供水任务。整个供水系统网络分析有宏观分析和微观分析，宏观分析以统计分析 理论为基础，得出优化调度方程。微观分析将优化调度分两步，第一步以网络供 水耗能最小为目标，算出以各供水节点的供水量和供水水压；第二步算出各单个 节点的优化状态。 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章供水系统的调度策略 现代供水系统都有多个水源【26 1 ，供水网络也比较复杂，传统的经验 调度方式水电资源浪费大，不能进行统一的水资源全局调度，无法适应 现代社会发展的需要。采用优化调度，在保证供水的要求的情况下，不 仅能节省大量能源，而且使管网能在合理的状态下运行。随着数学规划、 现代控制理论及计算机技术等的不断发展，有力促进了大型系统的控制 和管理水平的提高，使供水系统借助计算机工具进行科学的调度管理成 为可能。供水系统优化调度主要由三部分组成，如下： 供水系统 优化调度