信息化系统在广饶县农村供水设计中的应用

赵红燕，刘同辉，杨国永

（广饶县水利局，山东 广饶 257300）

1 系统的总体设计目标

稻庄镇位于广饶县中部，辖51个村，现状农村集中供水工程设计总人口5万人，全镇一网，以4眼直供深井为水源，供水能力为5000m3/d,4眼水源井分散布置，除1眼位于供水管理中心外，其他3眼位于离供水管理中心1km到3km不等的距离上。在实施信息化工程之前，供水中心外的3眼水源井，各雇佣1名工作人员，长期值班。需控制水源井水泵时，由供水中心电话通知现场工作人员进行操作。这种供水方式存在以下几点不利：一是长期雇佣3名工作人员，造成供水成本较高；二是工作效率低、反应速度慢；三是各水源井不能实时调整水泵运行状态，造成电量浪费；四是水泵的运行状态、电量、压力等参数不能长期记录，难以形成历史资料；五是不能对事故前期征兆进行分析与预防；六是人员工作量大，任务繁重，容易造成疲劳，人为操作错误。

为解决上述问题，广饶县按着先进性与经济性相兼顾、典型性与实用性相结合的原则，确定稻庄镇供水信息化系统的设计总体目标为：

（1）实现集中远程测控，达到节省人力，降低供水成本的目的。水源井达到长期无人值守状态，操作人只需要在供水中心主控室就能对全镇4眼水源井实现遥控，完成各种电参数、供水参数、设备状态参数及现场视频图像的采集及分析。

（2）系统有适度的自适应性及安全稳定性。广饶县一年中气温变化剧烈，极端最高气温达41.3℃，极端最低气温-23.3℃，此外供水量随着季节和昼夜有很大变化，控制系统须适应环境和供水量的变化，稳定运行。且系统在安装后保留手动操作功能，当信息化系统出现意外故障时，可以转为手动操作，不影响供水。

（3）系统有良好的可扩展性。系统须采用具有一定标准及应用较为广泛的软硬件产品，并考虑一定的余量，在软硬件的设置上预留I/O接口。为将来的扩建及系统的变更打下基础。

（4）系统建设实现集成化、模块化。要充分考虑集成化的设计，降低建设成本，视频信号、数据信号、控制信号要在一套系统中进行传输、存储、处理。系统组件要发挥模块化优势，经济实用，设计周期短。

2 信息化系统配置

2.1 系统层次划分

系统在结构上分为1个调度中心和4个遥测站，调度中心设在供水管理中心，遥测站设在4眼水源井处，各遥测站对所控制水源井的有关参数进行测量、数字化采集并自动记录，上传至调度中心，控制中心发送指令对遥测站的水泵、视频摄像机等设备进行控制。系统的物理结构可分为三层：第一层为现场信息传感设备，由超声波流量计、压力计、深井液位计、智能电表、摄像头、红外报警器等测量仪表构成；第二层为现场测控单元（RTU），由分布在水源井的PLC和数据通信服务器、视频服务器及其附属设备构成，其作用是对现场数据进行初期处理；第三层为数据管理单元，由调度中心内的数据采集存储服务器及其附属设备构成，其作用是对RTU传来的数据进行分析与存储，并对RTU发送控制指令。

2.2 RTU主要设备的配置

信息化系统各种采集数据的传感器，起着接受信息、传递信息的作用，它们的灵敏性、安全性、稳定性、可靠性是整个系统稳定运行的基础。本系统中主要的RTU数据采集设备有：压力传感器、超声波流量计、电量采集模块、深井液位计、一体化摄像机、红外报警器；数据传送设备有协议转换模块、交换机、无线网桥、视频服务器。

（1）压力传感器：采用麦克公司的 MPM489型压阻式压力变送器。

（2）超声波流量计：采用YB-70-超声波流量计。

（3）电量采集模块：采用测量精度达到商业计费水平的三相电子式多功能电能表。

（4）深井液位计：采用 MPM489 0-60米量程压阻式压力变送器。

（5）一体化摄像机：采用海康威视一体化摄像机及云台，分辨率不小于480线。

（6）红外报警器：采用夜狼YELANG-007双元红外移动探头。

（7）协议转换模块：根据系统设备要求配备，RS232转RS485模块，TCP/IP协议转换模块，网口转串口转换服务器。

（8）交换机：采用工用级华为LS 8口交换机。

（9）无线网桥：采用蓝斯特HYW-2410T无线网桥，传输速率54Mbps。

（10）视频服务器：采用海康威视高清视频服务器，带有RS485/RS232串口。

2.3 通讯方式的选择

在远程信息化系统中，通信的技术性能是全面衡量整个系统技术经济指标的重要内容。常用的通信方式有有线和无线两种。目前无线传输方式根据离控制中心的距离、供电条件、传输数据的多少等，一般选择FSK数传电台、GSM短消息模块、中国移动GPRS通讯模块、中国联通CDMA通讯模块、3G网络及无线网桥构建以太局域网等方式。因FSK数传电台传送速率小、GSM短信方式传输数据速率慢，不能满足本系统的实时数据监测及设备控制要求。通用分组无线服务技术GPRS（General Packet Radio Service)作为 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务,以封包（Packet）方式来传输数据，并根据传输数据量的多少来计算费用，实时在线，理论上较为便宜，且其传输速率可达到564kbps甚至114kbps。码分多址通信技术CDMA(Code Division Multiple Access)，拥有和GPRS一样的优点实时在线，按数据流量收费，数据传输率可高达153kbps。虽然中国移动的GPRS和中国联通的CDMA用于传输测控数据及控制指令绰绰有余，但本系统中除测控及指令数据外还有报警数据和视频数据，传输速率最低要在50Mbit/s以上，GPRS和CDMA方式不能满足带宽需求，且这两种方式需长期向通信服务商支付费用，还需要有固定IP以接入internet,其费用太高。3G网络虽然满足系统设计的各项要求，但是目前相关的3G设备种类较少、数据流量费较高，而且广饶县的3G网络还不完善。鉴于上述种种原因，在本系统中，采用了无线网桥组建以太局域网，其传输带宽大，抗干扰性强，一次投资后没有二次费用，组网方便。

有线方式一般是用RS232数据线、RS485数据线、光纤等方式传输。RS-232是串行数据接口标准，其通信距离短、速率低，不能进行多台设备同时进行联网管理。RS485接口在不加中继器的情况下，虽理论上最大传输距离能达到1200m，但在300m以内通信效果最好。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。光纤的数据传输率能达几千Mbps，传输范围能达到6～8km，但使用光纤需增加光电转换设备，距离太近会造成浪费，距离太远布线会有困难。

综合考虑上述情况，本设计中，供水中心处的1眼水源井，离控制中心距离小于50m，其RTU数据通过RS232～RS485转换接口转换后，采用RS485总线与控制中心组成以太网络。其他3眼水源RTU,数据也是通过RS232～RS485转换接口转换后传输，由于离控制中心太远，布线困难，数据量大，采用了无线网桥方式与供水中心控制中心连接。这样4眼水源井就通过有线与无线方式与控制中心，组建成星形以太网络。

2.4 控制软件的开发

本系统中涉及的数据种类繁多，既有各种实时参数，报警信号、还有视频数据。控制软件开发方案有两种，一是采用wincc组态软件来控制各种实时监测数据及报警信号，用专用视频软件来控制视频，这种方案，前期开发成本低，但系统维护困难，联网扩展性差，可控性低。另一种是充分发挥Internet技术的优势，将浏览器技术运用于SCADA（数据采集与监视控制）系统，将浏览器界面作为供水调度自动化系统的人机界面，将实时数据与视频集成在同一系统中，构成B/S（Browser/Server）架构，采用这个方案，软件开发成本高，开发周期长，但是其联网性能高，扩展容易，实时应用范围广，维护工作量小,且软件开发后拥有自主知识产权，可无限次使用。

经过综合比较，本SCADA系统中，针对控制现场条件定制了B/S架构控制软件。该软件采用JAVA语言编写，综合了面向对象技术和Internet技术，将编译和解释有机结合，实现了面向对象的四大特性：封装性、多态性、继承性、动态联编，并在多线程支持和安全性以及其它诸多特性上，有了很大的提高。软件可以根据需要,建立多个用户，并能对不同用户进行权限分配，根据不同权限的用户可进行的操作限制，从根本上杜绝了误操作。

2.5 中控室布置及中央服务器配置

中控室是数据汇总分析，控制人员长期工作的场所。主要设备有数据服务器、UPS电源、无线发射接收机、视频服务器、大屏幕液晶电视、监控电脑、打印机、空调等设备。作为整个系统的心脏，监控服务器起着至关重要的作用，其工作的稳定性与性能直接影响整个系统运行。本系统数据服务器选用双路至强四核塔式服务器DELL 1900，其 CPU采用Intel Xeon E5310频率达1.6G二级缓存8192KB；采用拥有 ECC功能2G内存，双端口千兆以太网控制器，RAID独立冗余磁盘阵列320G硬盘，外加1T可移动硬盘。服务器上安装windows server 2003操作系统，SQL server 2000数据库软件及自主开发的测控软件。服务器运行后各种数据采集后集中存储在服务器中，数据采用SQL格式，当客户端查询时，服务器通过网络提供数据至客户端，客户端进行设备操作时，操作指令通过服务器后经无线发射机或RS485总线传RTU终端。服务器接入internet后，客户端可以根据分配的权限在任何接入internet的地方，进行相应的数据查询及对设备操作，为以后联网扩展打好了基础。

3 系统实现的功能及主要特点

3.1 系统实现功能

（1）可实时在线监测各水源井的动水位、静水位、各水源井出口处的瞬时流量、累积流量、管网压力、水泵处的电压、电流、电能、及电缆温度等数据；当水位、电参数、电缆温度发生超限变动时可以在中控室发出报警。

（2）远程控制变频启、停水泵，水泵启停时自动开闭自动阀门；在控制中心可以实时显示水泵及自动阀门的工作状态。

（3）通过远程高清视频系统，在中控室能够实时监控设备的运行情况及泵房的设施情况，并能实时录像与回放；在泵房亮度不足时,控制现场灯光启闭。泵房红外微波探测器在有人擅自闯入机井房时可以自动报警，并在供水中心中控室发出报警声音。

（4）系统软件能够自动记录实时监测数据，形成各项数据历史记录，并能将监测的数据绘制曲线，可以查询任意时段的历史数据；且软件系统具备安全功能，可以实现权限分配，防止误操作（见图1）。

图1

3.2 系统的主要特点

（1）实用性：系统有良好的可操作性，人机交互简明直观，视频监控与测控操作统一界面，功能实用，操作方便。

（2）先进性：采用的技术与各设备（包括元器件）符合该领域的技术发展主流，系统的整体效能先进。

（3）可扩展性：设计标准采用国家或行业标准,暂未有国标或行标的，采用了国际通用标准。系统在其生命周期内能够与其主流技术相兼容。可根据需要，扩展其功能。

（4）整体性：系统进行整体策划，保证了系统各环节指标的一致性和协调性。

（5）安全性：系统设置不同等级的安全防护措施。对于不同部门或人员的数据管理，设置不同的权限，以避免对数据的非法操作。

（6）可维护性：系统各部件具有自检和联机诊断校验的能力，有完善的检测维护手段，能准确快速地进行故障检测和维护。

4 系统运行效益

系统投入运行后，实现了从中央控制室远程测控全镇的供水网络，实时调控水泵的运行状态。降低了供水生产运行、维护成本，降低工人的劳动强度、提高了生产效率。

（1）使分散的信息集中起来，给决策者提供实时的态势全貌，从而优化了资源管理。

（2）使操作人员从繁重的重复劳动中解脱出来，把精力转为对系统进行评定、检测和分析决策，从而减少了人为操作错误。

（3）准确和及时地报警，降低了供水事故发生概率，极大的提高了供水服务质量。

（4）减少了工作人员，降低了供水成本，减轻了群众负担。

（5）提升了供水现代化管理水平，提高了供水效益。

[1]唐新平，赵金.基于PC机的生产过程计算机监控系统设计[J].计算机自动测量与控制，2000，（8）.

[2]徐宏伟.信息技术有供水工程中的应用[J].内蒙古水利，2009，（8）.

[3]吴企渊.计算机网络[M].清华大学出版社，2001，（3）.