闸控、视频监视技术实现.doc

_闸控、视频监视技术实现1.1.1.1 闸门监控子系统灌区水量调度是通过闸口分水实现的，有必要对灌区配水的重要闸口实施远程控制，具体体现灌区水量调度方案的执行，确保灌区节水治理目标的实现。闸门的远程控制在国内外都有成功的案例，如国内的南水北调工程、长江、黄河上的调水工程、甘肃的景电工程、苏勒河联合调度工程、石羊河流域水资源调度管理信息系统工程、许多大型灌区信息化系统工程等均实现了闸门的远程控制，技术成熟，效果良好。闸门监控系统数据传输流向如图8-11。监控站电站信息中心光纤VPN图8-11闸门监控系统数据传输流向图。1.1.1.1.1 功能与性能1.1.1.1.1.1 系统功能（1）管理局信息中心1）远程闸门控制现场监控柜的控制开关置于远程控制的位置时，现场手动按钮和触摸屏均失去控制能力，控制权限转移到远方的管理局信息中心的监控软件上了。此时管理局的监控计算机运行闸门远程监控软件和现场的主控制器PLC通过TCP/IP网络连接通信，PLC将现场采集的信息和数据发送给监控软件，监控软件则将操作人员的控制命令下达给PLC，确定正确无误后方执行指令。在管理局监控系统获得控制权限后，计算机操作员通过监控软件界面上下达对此闸控柜的某台启闭机的启闭操作命令的时候，控制命令通过网络发送到现场的PLC，PLC内部事先安装有编制好的配套监控程序，此程序接收到控制指令后经过一系列判断和校验，再解析为相应的命令控制启闭电机，从而实现闸门启闭。远程控制功能就实现了。具体实现方法可以在监控计算机软件界面上直接点击鼠标按下按钮，命令现场闸门的升降停，也可以预置闸门开度，下达命令后现场控制器自动将闸门调节到这个开度。2）远程数据采集、处理、应用、管理在局域网中，管理局被设置为信息中心，实时收集所有闸控站的数据，包括闸门开度、闸门状态等。采集的数据就在管理局服务器上的闸门监控数据库内存储，在监控计算机上可以显示、查询、修改、统计、报表、绘图、打印输出。3）报警处理及系统管理数据越限报警并记录，用户建立、权限设置、密码设置、登录退出、操作记录，所有记录的查询、显示。4）在信息中心电视墙上显示组态软件闸控站的工作状态、基础数据。（2）现场闸控站1）实现现场手动、现场自动现场手动：指在闸门所在现场的闸室内放置有闸门监控柜，监控柜设置有闸门控制用的升降停按钮和控制权限切换开关，在现场具备开机条件下，将控制开关切换到现地控制（2档型）或现场手动（3档型），按下升降停按钮可以使控制回路动作，从而使闸门做相应的运动。现场自动：在现场闸门监控柜上还设置有触摸屏。触摸屏除了能够显示闸门信息外，还可以通过触摸屏幕按钮接收信息。在控制开关切换到现地控制（2档型）或现场自动（3档型）时，触摸屏具有控制权限，可以利用触摸屏上的人机界面和内部运行的控制软件通过通信发送指令给主控制器PLC，PLC再通过二次回路控制闸门启闭电动机的停止和正反转，从而实现闸门控制。2）接受远程控制二级监控权限不同，一般情况下为了业务方便设定现场级最高，信息中心次之。现场有现地、远程控制权限切换功能。当现场授权与远程的时候，中心获得控制权限，可以远程控制闸门的升降停。此时，信息中心可以使用监控计算机运行的闸门监控软件远程控制现场闸门。各级基本控制功能相同，均可以升降停闸门，不同之处在于：远程可以预先设定闸位值，发出命令后现地控制设备控制闸门的升降运动，并随时监控闸位，一旦监测到闸门到达指定开启高度立即停止。现场主要采取人工手动操作方式，闸门运行情况靠人工观测，以保证设备安全；远程控制涉及到通信安全问题。在远程监控级获得控制权限后，现场控制器实时监视与远程监控主机的通信。一旦远程控制主机与现场控制器通信中断或失效后，远程监控主机发送的控制命令将被立即复位而停止执行，闸门停止运动，以确保安全。3）急停控制无论在现场还是远程控制，一旦发生险情，需要立即停止闸门运动的时候，现场控制柜上设置了急停按钮，可以在紧急情况下快速按动而切断控制回路电源甚至是主回路电源，以停闸、停电，确保安全。在远程也设置急停功能按钮，不需要上级授权，不可屏蔽，长期有效。4）具有运行状态判别，故障多重保护和报警功能闸门在运行过程中，运行状态和信息被实时监控，并被作为闸门运行动作的前提判断条件，防止发生错误动作无法调节，更重要的是防止损坏设备。而当监测到各种信息逻辑不协调，互相矛盾的时候，则立即停机报警，等待检修。报警除了在现场声光报警和显示屏提示外，还发送到管理局的监控计算机上，在监控软件界面上显示报警并记录报警数据和信息。5）实时采集信息闸门开度、闸门状态、启闭机状态、闸门位移越限开关状态、电机运行参数等各类实时参数与状态信号：现场闸位计、限位开关等传感器和PLC共同监测闸门、电机运行等状态和参数，所有的数据和状态均在PLC内部集中和转换。6）数据通信现场闸控站和管理局依靠局域网进行数据传输。传输的数据包括实时采集数据、控制命令数据、故障报警数据等，以供存储使用。1.1.1.1.1.2 系统性能（1）数据采集周期：10s（2）数据采集延迟: 2s（3）数据远程读取延迟: 2s（4）闸位计分辨率: 1cm（5）PLC扫描速度：0.5ms/k（6）网络传输速率：100Mbps（7）系统MTBF： 25000小时（8）通信误码率：1010（9）防护等级：IP65（10）野外设备工作温度-545,相对湿度不大于90无凝结。1.1.1.1.2 框架结构闸门监控与网络连接起来，基本的闸控纵向结构如图8-12。图8-12 闸门监控逻辑图闸门监控：系统采用二级控制结构，即信息中心站远程监控级、现场监控级。信息中心站采用安装了监控应用软件的计算机监控，现场采用监控单元监控。闸门开度监测：用闸位计监测1处闸门开度。闸门监控站由现场设备和远程控制端设备组成。现场主要设备包括监控单元、闸位传感器、水位传感器、以太网网络模块和供电单元；远程控制端设备组成包括数据库服务器和安装了闸门监控应用软件的监控计算机。监控系统数据流程图见图8-13。现场监控端远程监控端监控点#1监控计算机信息中心数据库服务器图8-13 监控系统数据流程图闸门监控子系统的数据写入到综合数据库后，在灌区事务管理及公共服务系统上进行发布，灌区地理信息管理系统从数据库中提取闸门监控里的相关基础空间数据变成可直观的图。用户可在灌区事务管理及公共服务系统、灌区地理信息管理系统上查询数据、图及属性等数据。闸门监控子系统软件结构如图8-14。写入日常管理数据提取水雨情相关空间数据在GIS平台上显示图、属性等供查询提取数据并发布供查询提取数据并统计写入数据闸门监控子系统综合数据库子系统业务应用系统灌区地理信息子系统提取查询数据并发布供手工录入实时采集数据灌区移动综合应用系统图8-14 闸门监控子系统软件结构1.1.1.1.3 技术实现1.1.1.1.3.1 技术方案（1） 监控单元PLC硬件上集成了电源电路，加强了抗干扰措施，适合工业环境使用。同时PLC系统与通用计算机直接、通信转换单元构成网络，实现信息的交换，并构成“集中管理、分散控制”多级分布式控制系统，满足工业控制系统的需要。因此本系统采用以PLC为控制核心。控制柜体内强电部分和弱电信号部分分开布局布线。（2） 通信方式选择通信方式分无线通信和有线通信。闸门监控站布置在分水闸，闸门工作站布置在电站，闸控站和工作站之间通过光纤通讯。 （3） 供电方式选择本期工程的闸控站现场都有交流电，采用交流电供电。（4） 监测站技术方案以PLC为监控核心单元，闸门开度仪采集闸门开度信号，采用以太网通信与分中心通信对闸门进行远程控制，利用交流电源供电。1.1.1.1.3.2 监控站现场连接方式监控站现场连接方式逻辑图如图8-15。图8-15 监控站现场连接方式逻辑图1.1.1.1.3.3 控制方式（1） 控制方式闸门控制方式分为三类：1）计算机自动控制。计算机按照闸门操作规程或管理人员的调度指令或水库运行调度方案控制闸门的运行，这是主要的运行方式。2）在现场现地控制。现场控制表示闸门由现场控制柜面板上的升降停按钮控制。一般情况下闸门为静止状态，在需要闸上升或下降时可以将现场遥控旋钮旋到“现场”位置，然后按下上升按钮使闸门上升，或按下降按钮使闸门下降，也可以中途按下停止按钮使闸门停止运动。闸门在运动过程中，相应的指示灯会亮，同时文本显示屏实时显示闸门的开度。3）手摇控制。手摇控制表示启闭机只能用现场手摇的方式控制，相对其他两种控制模式而言相当于停止对启闭机控制，所以又称停止控制。（2） 优先级控制闸门控制分三级控制，最高级为现地控制，第二级是分中心信息节点远程控制，第三级是相应中心站远程监控级。中心站的控制权限由分中心信息节点给予。优先级控制如图8-16所示。现地手动控制指令远程控制指令管理局中心站远程控制级分中心信息节点远程控制级现地手动控制闸门闸门控制柜控制切换低高图8-16 优先级控制图中心站远程控制的权限由分中心决定并给予，方式为：中心站先发命令给分中心，向分中心请求对闸控站的远程控制，分中心给予控制权限后，中心站才能对闸门进行远程控制。1.1.1.1.3.4 通信方式现场闸控站与中心之间通过GPRS无线方式进行通信，分中心与管理局中心站之间采用VPN方式进行通信，实现中心站对现场闸控站的远程控制。以太网络模块DIDOAI模块CPU模块DTUVPN双绞线中心监控计算机网络交换机双绞线图8-17 闸控站通信结构1.1.1.1.3.5 现地监控站控制图8-18 闸门监控柜逻辑结构现地监控站具有DI、DO、控制和通信功能。（1） 采集数据通过闸位计采集闸门开度；通过接触器辅助触点监测电动机运行状态；通过限位开关监测闸门限位状态；监测电机热保护状态。（2） 控制通过DO输出量控制二次回路的接触器切换形成电机正反转，从而实现闸门启闭。（3） 显示和报警控制屏上有指示灯和触摸屏可以现场指示和详细显示现场采集到的状态和数据。（4） 通信现场PLC配置TCP/IP通信网络模块，通过网络模块和通讯装置连接，通过GPRS无线方式上传到中心。（5） 实现设计闸房内配置有闸门现地控制柜，控制柜为闸门启闭机的电动机提供电源，并控制其正反转；监测闸门开度和电机运行状态，并能够显示参数和接收远程命令。在控制柜中有一次和二次控制回路，受控于控制柜面板按钮，同时受控于PLC的输出节点。通过控制开关切换现地控制和远程控制权限。PLC的硬件上集成了电源电路，加强了抗干扰措施，适合工业环境使用。同时PLC系统与通用计算机直接、通信转换单元构成网络，实现信息的交换，并构成“集中管理、分散控制”多级分布式控制系统，满足工业控制系统的需要。控制柜体内强电部分和弱电信号部分分开布局布线。现场闸门控制中闸位传感器采用机械编码式，PLC配置以太网网络模块，其它设备和元器件均采用质量性能好，售服到位的品牌产品。现场闸门控制设备中一次、二次回路负责为闸门启闭机提供正反转电源，这项技术已经非常稳定成熟和普及，普通的控制设备就可以实现。本方案中闸控关键是能够采集现场数据和状态信息并将其传输到远方，同时接收远方的控制命令。承担信息采集和传输任务的设备就是PLC。1.1.1.1.3.6 管理局远程控制管理局是所有系统的汇总中心，因此闸门监控的现场数据要汇入管理局中心站。其逻辑结构与分中心管理站相同，仅仅是数据规模和监控优先级不同。现场监控柜的控制开关置于远程控制的位置时，现场手动按钮和触摸屏均失去控制能力，控制权限转移到远方的分中心或管理局的监控系统上。如果分中心和管理局的监控计算机运行闸门远程监控软件协商好，并和现场的主控制器PLC通过TCP/IP网络连接通信，监控软件则将操作人员的控制命令下达给PLC，PLC内部事先安装有编制好的配套监控程序，此程序接收到控制指令后经过一系列判断和校验，确定正确无误后方执行指令。现场监控柜的控制开关置于远程控制的位置时，现场手动按钮和触摸屏均失去控制能力，控制权限转移到远方的分中心或管理局的监控系统上。1.1.1.1.3.7 监控软件设计（1） 开发工具监控软件采用“组态王”工控组态软件。（2） 应用软件功能1）系统管理用户登录：登录用户菜单项是新用户为获得操作权，向系统进行登录。退出登陆：用户完成操作后，如想交出操作权，可执行此项菜单命令。用户管理：用户在运行时增加、删除用户，修改用户权限（系统按用户组来分配操作权限，划分为操作员组、管理员组。操作员组的成员一般只能进行简单的日常操作；管理员组负责工艺参数等功能的设置，并对重要的数据进行统计分析，管理员还可分配或收回指定操作人员对指定闸门的操作权限，限制操作人员对操作记录的修改）。修改密码：修改登陆用户自己原来设定的操作密码。退出系统。2）主控窗口分站、闸控站地理位置分布图，各站点旁显示水位、闸位实时数据，鼠标可点击选择进入各闸控站具体控制窗口。闸控站闸位数据、电源信息、闸门上下限、控制方式、通讯状态等状态集中实时显示。各闸控站具体控制窗口，由鼠标点击选择打开和关闭，包括闸门运动动画模拟显示、通讯状态指示、闸门上限、下限、电源指示。3）数据管理数据查询：查询水位、闸位历史数据。操作记录：记录操作人员对各闸控站闸门的操作命令，包括操作时间、操作人员、及具体动作命令，也可记录现场操作人员对闸门的操作情况，包括闸门动作、操作时间。报警记录：记录闸门超限、通讯故障、闸门故障等报警信息。1.1.1.1.3.8 闸控站防雷闸控站防雷在建设站房时应按照建筑物防雷标准建设防雷系统。由于灌区一般面积很广，电力系统网络范围也很广，有遭受雷击的可能性，加上农村电网防雷措施常常不是很到位，因此需要从电源部分增强防雷措施。闸控站相应的需要建设防雷系统。主要的建设任务是每处闸控站均建设防雷地网，并配置电源防雷器一套。在距站房墙基周围约3m内的地方挖深度不浅于1.5米的壕沟。铺设规格位404的镀锌扁铁，根据现场实际情况及周边环境形成“一字形”或“四边形”或“三角形”等形状，节点焊接牢固，再用镀锌角钢砸入地底，从地网向下深度不浅于1.5米，使得接地电阻小于4欧姆。1.1.1.2 视频监视子系统由于视频点是在闸门点的基础上选点进行监视，因此，现场无任何监视设备。本次工程是给视频监视点配置嵌入式DVR、摄像机、防雷设备等。视频监视系统的建设主要是为了加强远程控制运行安全。因此视频监视主要是针对闸门、启闭比较频繁、对下游调水和安全起重要作用的闸门。定时拍照点事在水雨情遥测站点的基础上选点监视，因此，现场同水雨情遥测站点，基本无任何设备，本次工程在水雨情遥测站点的基础上增加一台半球摄像机，通过水雨情系统的遥测终端机及通信装置，定时利用TD-SCDMA信号发送到信息中心。视频监视点的视频图像的传输流向如图8-19。GPRS定时拍照监视点信息中心1.1.1.2.1 功能与性能1.1.1.2.1.1 系统功能系统由前端摄象机及辅助设备、通讯设备、视频工作端组成。系统结构见图8-20。信息分中心本地显示嵌入式DVS信息分中心传输网络摄像机工作站工作站监视计算机工作站工作站监视计算机视频服务器信息中心图8-20 视频监视系统结构（1）视频监视现场摄像头对外界图象光电转换后按一定规则处理信号，该信号即为标准的视频信号，可以发送到电视机等监视器上解码恢复成图象，达到视频监视目地。（2）远程监视局域网上的某台注意可以连接到同一网络上的视频服务器或硬盘录像机，视频图象数据经过编码压缩后传输到这台主机，在本机上通过一定的软件（可用Microsoft IE浏览器）将图象视频数据流解码、组装、恢复成视频画面，在本地监视器上显示出来。视频图像能在信息中心大电视墙上显示。（3）远程控制在远程监视主机或是监视工作站上可以通过网络控制摄像机，进行拍照。（4）参数设置可以设置画面大小、压缩码率、通信参数、用户参数、报警参数、录像方式、录像时间等。1.1.1.2.1.2 系统主要性能视频监视系统需要满足视频监视需求，必须达到一定的技术指标，以保证系统的可靠性、稳定性、实时性。（1）图象压缩编码H.264方式；（2）图象远程实施传输，带宽512K/S；（3）画面达到20481536像素；（5）监视测点工作状态；（6）监视水位；（7）在中心管理所（站）监视设备上监视现场的图像；（8）视频图像循环存储，图象存储时间不低于1周；（9）用户根据权限对监视点进行监视、控制；（10）图像格式为CIF，传输速率不少于25帧/秒；（11）多路图像可同时分屏多画面显示、单独满屏显示或主次图像分屏多画面显示；（12）系统MTBF20000H；（13）系统MTTR72小时；（14）通信误码率1010 ；（15）工作环境温度550，湿度90无凝结；（16）防护等级 IP65；1.1.1.2.2 框架结构本系统由前端摄象机及辅助设备、视频处理设备、传输网络设备监视工作站、信息中心视频服务器组成。系统信息流程如图8-21。控制信息视频流模拟信号控制信息摄像机中心管理站视频工作站监视软件中心服务器图8-21 系统信息流程图1.1.1.2.3 技术实现视频监视系统主要包含视频前端、网络传输、客户端等几个主要部分。视频前端主要包括室外球机、防雷器等，通讯南庄镇；网