大中型灌区自动化控制系统关键技术研究

邓小刚，张巧惠，陶海涛，刘小恒

（中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

大中型灌区自动化控制系统关键技术研究

邓小刚，张巧惠，陶海涛，刘小恒

（中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

本文结合具体工程使用案例，对大中型灌区自动化控制系统进行了关键技术的研究。首先简要地介绍了灌区自动化控制基本情况、具体工程案例的项目背景及自动化控制系统的设计原则；然后分别对大中型灌区自动化控制系统相关的系统结构、软件结构、系统配置、控制安全、轮灌技术、无线网桥传输、无线数传技术等关键技术及难点进行了详细阐述，并给出了具体工程案例。系统所采用的关键技术在工程中取得了成功应用。

大中型灌区；自动化控制系统；关键技术

我国大型灌区有 434个（2万hm2以上），中型灌区有5500多个，重点灌区有 1500个。灌区的自动化控制是提高工程安全运行保证的关键措施，是提高科学管理水平、提高水的利用效率的重要途径。目前我国部分灌区已基本实现阀门状态、流量和压力等数据的自动采集和监测，并把数据传输到管理部门，但灌区自动控制技术研究与应用起步较晚，远程自动监测和控制方面的经验也非常少，相关文献资料也较少。

随着PLC、无线技术应用在控制领域中越来越成熟，有关学者在灌区自动化控制领域做了大量的研究和试验，利用有线、无线网络实现通讯，达到实现灌区的远程监视和控制目的。

本文以新疆苏塘灌区自动化控制系统关键技术的研究为例，通过在苏塘灌区的成功投运，验证新技术应用于大中型灌区的可行性、先进性、可靠性和适用性。该灌区的灌溉面积为1.2万hm2，种植农作物以林果业为主，输配水工程主要由引水干渠、沉砂池、骨干管网和田间管网组成，自动化控制系统共监控35处骨干管网、327个田间系统和96个田间微灌试验系统。

1 设计原则

大中型灌区自动化控制系统目前按现地闸站、阀门等设备“无人值班”（少人值守）的原则进行总体设计和配置，在中央控制室实现对所有输配水自动化设备的远方集中控制，以及对输配水管网阀门状态、流量、压力等信息的远程集中监测。通过在控制中心对整个灌区的远方遥控、遥调、遥信和遥测，实现灌区水利工程设施的统一自动控制和监测，加强对水资源的统一调度和科学利用。

大中型灌区自动化控制系统整体必须安全可靠、经济实用、技术先进，易于维护和易于扩充。

具体设计原则如下：（1）系统的可靠性。为达到“无人值班”（少人值守），灌区自动化控制系统应具有极高的可靠性，应采用成熟而可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构和汉化操作系统；（2）系统的安全性。系统设备采用标准化的高性能产品，监控软件功能完善并模块化，系统软件采用成熟正版软件，应具有完备的确保硬件及软件的安全性措施，防止灌区自动化控制系统硬件或软件的故障或缺陷对现场设备的危害。针对灌区远方集中监控的特点，在保证操作安全、数据安全、控制闭锁和通讯安全方面也应采用相应的可靠性措施；自动化控制系统应运行在控制专网上，与其他系统之间有网络方式互联时，均应采取经国家有关部门认证的专用、可靠的安全隔离设施，保证网络的安全性；（3）系统的开放性与可扩性。系统主要硬件设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，采用全分布开放式系统，具有良好的开放性与可扩性，并具有成功的系统软硬件扩展和与第三方系统开放互联的丰富经验，能在现场环境下长期连续稳定运行；（4）系统的实时性、实用性及经济性。系统以数据采集与控制为基础，通过分布配置冗余的高性能实时监控和通信服务，并合理优化配置系统软硬件及功能，以确保系统实时性与可靠性；在此基础上，以实用、经济并适度超前为设计原则；（5）系统的友善性与可维护性。人机接口注重人性化设计，具有功能强，操作方便，面向对象的全汉化界面。并向用户提供强有力的组态开发工具，方便进行系统集成、修改完善、升级、扩张和集中维护管理；（6）现地手动操作与控制。为满足灌区运行维护的安全、可靠要求。现地灌区监控控制单元应具有主要设备状态现地显示及必要的常规操作功能，使运行人员在现地能完成必要的运行和调试过程中的操作。

2 关键技术及特点

考虑到大中型灌区自动控制系统现地单元多、距离远、节点分散和控制复杂等特点，从下列几个方面进行考虑，确保自动控制系统安全高效运行。

2.1 系统结构采用分层分布式冗余开放结构，不同的功能分布于各个层次，不同的数据流在各自的网络中进行交换。大中型灌区可按照现地控制层、中央控制层和生产管理层3层设计。设置相应的网络进行全灌区计算机主机与自动化设备之间的数据交换，网络结构可分为现场总线网、控制网和管理网。确保自动控制系统内任一节点的故障不影响其余节点的正常工作，各类数据分流互不干扰，提高系统的实时性、安全性和可靠性。

各分层和网络的具体分工如下：

（1）现地控制层。完成现场数据的采集、处理和现场控制，可独立手动完成相关设备的监视和控制；（2）中央控制层。完成灌区数据采集、处理、控制、应用和报警等运行监视控制功能；（3）生产管理层。完成生产数据综合计算、运行日志和报表等生产管理功能；（4）现场总线网。连接现地控制层和自动化设备，完成采集现地数据和控制自动化设备功能；（5）控制网。连接中央控制层和现地控制层，完成所有数据采集和设备控制。由于灌区地广，节点分散，可采用光纤网络和无线网桥相结合的方式；（6）管理网。连接生产管理层和中央控制层，完成与生产有关的设备数据、统计和打印等管理类数据的传输。

2.2 软件结构自动控制系统平台软件应建立在三层体系架构上，可满足系统强壮、安全、经济实用、易于维护和扩展的应用需求，完成统一的远方集中数据采集、处理、监测报警、灌区控制、权限判别、数据存储与查询等。平台软件包括以下三大部分：（1）基本软件。是实现自动控制系统基本监控功能所必须的软件，如数据采集、数据处理、设备操作控制、数据库管理、图形显示、报表生成及语音报警等；（2）工具软件。是提高系统开发效率与可维性、方便最终用户使用的软件，可以减轻软件开发与维护强度，使系统真正地向用户开放；（3）高级应用软件。是实现生产过程自动化操作或控制功能的软件，应随着应用系统特性的不同、功能要求的不同，采用相应的应用软件。

自动控制系统平台软件应具有以下基本特点：（1）操作方便。目前各灌区技术力量普遍薄弱，需要操作简单、面向对象的全汉化界面，便于运行人员操作及维护人员维护；（2）功能实用。从灌区实际出发，综合考虑各种灌溉需求，使软件满足实用化要求；（3）安全灌溉。输水管道一般为封闭式管道，容易产生水锤，自动灌溉过程中需要以安全为主，否则容易造成设备损坏，影响系统供水；（4）预留接口、接入方便。大中型灌区自动化系统通常按分期分批的方式实施，因此为了将其他田间系统方便地接入，软件需预留接口，做到灵活配置。

2.3 系统配置考虑到灌区面积广、现地控制单元多、结构复杂及系统庞大和资金短缺等特点，既要确保系统的可靠性，又要兼顾经济实用，进行系统硬件配置。

对自动化控制系统的中央控制层重要设备采用冗余配置，如操作服务器、历史数据服务器等，并通过软硬件措施保证在设备故障时可实现无扰动切换，保障灌区系统的稳定运行。

网络传输系统运用先进可靠的网络技术，构建覆盖各节点的通信平台，保证各种信息的实时、高效、安全和准确传递，各种业务实现全网联网，为全网各节点提供语音、数据、图像通信业务。对整个网络可采用光纤通信与无线通信相结合的方式，更好地处理网络安全与投资的关系。主干网络一般可采用星型网络或环形网络的光纤传输信号，有着高速、稳定和可靠等特点；考虑到子系统分布比较分散，敷设有线成本高、不方便，子系统一般采用无线网桥传输信号。

大中型灌区的现地控制层LCU数量多，I/O点数并不多，因此对现地控制层LCU的配置重点在于配置的PLC应具有高性价比、高可用性、小型化、低功耗、可靠性高、集成度高、开发简单、快速启动和精确监控等特点。

2.4 控制安全若大中型灌区的输水管道采用的是封闭式管道，开、关管道阀门过快容易引起水锤，故其安全运行对整个灌区设备是至关重要的。系统设计和建设时，必须从硬件和软件两个方面考虑，以保障灌区安全运行。

灌区自动控制系统还应考虑以下两点：（1）分段控制阀门。采用分段开启关闭阀门原理，开启阀门是先慢开后快开，关闭阀门是先慢关后快关，注意每段开启关闭的开度，以及每段间隔的时间；（2）分时控制阀门。对一片区域的小口径阀门同时开启关闭，容易导致水锤。在开启关闭一片区域的阀门时，采用分时控制阀门，避免引起水锤破坏力。

2.5 轮灌技术为了科学合理地调配全灌区用水，提高水的利用率，降低成本，确保设备的安全，实现对农作物定时、定量的精准灌溉，自动控制系统采用灌区轮灌技术。

其基本功能如下：（1）功能的投入/退出。当功能投入时，自动灌溉程序按设定的周期，自动计算，对参与轮灌的阀门下达开启、关闭命令；（2）控制方式的选择。定时与定量两种控制方式的选择；（3）多种控制模式。控制模式分为自动、半自动以及手动共3种控制模式。自动方式下，整个灌区的阀门开启关闭，按照运行人员事先设置好的控制方式，进行定时或者定量的精准灌溉；（4）微灌系统轮灌成组的实现。运行人员可以按照田间微灌系统灌溉的特点，随意的组合阀门，使阀门定时或者定量的成组开启或者关闭。任意一组阀门通过“参与轮灌”“退出轮灌”可自由退出整个轮灌的规则设定；（5）时间模块。运行人员可以非常方便地对定义的时间点进行设定。自由设置任意一个阀门来进行定时的开启和关闭；（6）轮灌次数的设定。设定一定的轮灌规则后，轮灌软件按照预先设定好的规则进行阀门开启或关闭，软件自动记录轮灌的次数，当轮灌次数自动达到预先设定好的次数时，相应的轮灌组停止控制；（7）阀门开启周期的设定。成组阀门通过设定周期来进行周期开启关闭轮灌组单个阀门，有效避免了同一时间开启或者关闭阀门对管道造成的损坏；（8）执行/挂起安全措施。综合考虑各种运行过程中的故障，判断数据的合理性等，条件均满足时才真正执行，并下达命令；否则自动灌溉程序处于挂起状态，防止误发令。

2.6 无线网桥传输无线网桥连接的通讯方式主要应用于骨干管网与田间分水口之间，从分布上来分析，所有田间分水口以骨干管网为中心成线性分布，每个分水口之间距离一般为500～800 m；从设备供电能力上分析，田间分水口分布在灌区内部，比较分散，同时与电力电缆相距较远，有农作物混杂其中，不适合电力电缆和通讯电缆的架设；从重要性上分析，每个田间分水口只负责小面积的土地灌溉，不影响整个灌区系统的运行。无线网桥无需架设通讯电缆，同时具备低功耗、传输距离远的特点，与灌区分水口太阳能供电特点匹配，综合考虑可采用无线网桥的通讯方式。

无线网络系统具备如下优势及特点：（1）高可靠性。无线局域网的信道误比特率低于10-8，这样保证了通信系统的可靠性和稳定性；（2）良好的兼容性。对于室内应用的无线局域网，与现有的有线局域网兼容，能够做到现有的网络操作系统和网络软件在无线局域网上不加修改地正常运行；（3）简单性。无线网络产品的安装、配置和管理简单易行，不必频繁的更改网络设置，便于漫游；（4）高数据速率。无线局域网解决方案，系统可以最高54 Mbps的速度发送和接收信息。

2.7 无线数传技术无线数传（WIFI）的通讯方式主要应用于灌区系统的微灌示范地，负责阀控器子站与田间分水口阀控器中心站的数据传输。从分布上分析，阀控器子站广泛平均分布在小范围示范地中，站点多而分散。从设备供电能力上分析，采用单片机工作原理的阀控器功率微小。从重要性上分析，每个阀控器子站只负责 2 hm2左右土地。无线数传的通讯方式，具备超低功耗，使用干电池即可工作6个月之久，传输数据虽小但成本低，综合考虑微灌示范地可采用无线数传（WIFI）的通讯方式。

3 网络结构案例

苏塘灌区在中控室计算机房设1台高性能千兆级工业以太网交换机作中心交换机，控制区网络采用双切环网结构，以中控室为核心，引水干渠及沉沙池各监控站组一个环、总干管及东干管各监控站组一个环，两个环均采用光纤传输，连接起35处骨干管网控制站，如图1所示。

图1 苏塘灌区主干光纤网络结构

骨干管网控制站至田间系统进水口基站采用无线网桥传输信号，如图2所示，以控制站中心点为A点。二边的B、C、D、E、F、G、H、I等点要和A点进行通信。由图2可以看出，远端点分布在中心点的二边，并且在同一个直线上，可以采用中心点通过功分器连接2个天线，分别对准远端点，采用点对多点的通信方式。田间系统进水口基站至田间阀控器采用微功率无线数传模块传输信号，如图3所示。

图2 无线网络传输结构

4 结语

苏塘灌区的系统平台采用中水科技H9000系统，是先进、成熟的水利水电工程自动化系统平台，已成功应用于国际、国内多个大型水利水电工程。根据以往的水闸、泵站、水电站自动化控制系统经验，以及大中型灌区节点多、节点分散、区域广等特点，本文提出了适应于大中型灌区自动化控制系统的设计原则和多项关键技术。苏塘灌区一期工程0.4万hm2，于 2010年3月开始实施，自该项目的自动化控制系统投运以来，该系统一直运行稳定，表明了所提出的设计原则和采用的多项关键技术是成功的，同时表明光纤环网、无线网桥和无线数传混合结构运用是成功的。通过该项目的成功实施，中水科技在大中型灌区自动化控制系统关键技术方面积累了经验，为以后的大中型灌区自动化控制系统推广奠定了基础。

图3 田间系统的无线数传通讯系统结构

［1］ 张毅，王德宽，王桂平，等.面向巨型机组特大型水电站监控系统的研制开发［J］.水电自动化与大坝监测，2008，32（1）：1-6.

Research on the key technologies of automatic control system for large and medium-sized irrigation districts

DENG Xiao-gang，ZHANG Qiao-hui，TAO Hai-tao，LIU Xiao-heng
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing IWHR Technology Co.，Ltd，Beijing 100038，China）

Based on an actual project case，research on the key technologies of the automatic irrigation control system is discussed in this paper，First，the basic information of the irrigation automation control system，the project background of a practical engineering case and the design principle of automatic control system are intro⁃duced briefly.And then，some key technologies used in the irrigation control system are described，such as：the system structure，software structure，system configuration，control security，irrigation schedule，wireless bridge telecommunication technology，wireless data transmission technology，etc.Finally，a specific engineering case is given.These key technologies have been successfully applied in a practical project.

large and medium irrigation；automatic control system；key technology

TP272/278

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.015

1672-3031（2014）02-0206-05

（责任编辑：王成丽）

2013-01-07

邓小刚（1976-），男，江西新余人，学士，工程师，主要从事水电厂计算机系统及自动化系统研制、开发等研究。E-mail：jkdengxg@iwhr.com