常州市水利局闸站监控专业系统设计专项方案.doc

常州市水利局

闸站监控系统设计方案

河海大学常州校区
二00二年四月
第一章 概 述

1．1 工程概况
常州市水利局闸站监控系统是常州市水利信息化重要构成某些，其重要功能是通过水利大楼（中心站）可以实现远程理解闸站水泵状态，并可以通过数字式视频摄像机监视内河水位，便于集中指挥调度。整个系统重要涉及闸站控制系统和闸站监视系统两某些，其中涉及风凰泵站、浏塘浜站、龙游河站、东市河泵站、后塘河站、西水关泵站、西市河泵站、殷家桥站、西园村闸、龙游河闸、锁桥闸、人防闸。

1．2 系统设计原则
系统设计以达到“可靠、先进、实用、经济”为原则，具备国内同类系统先进水平。保证系统长期、可靠、安全、稳定运营。其总体技术规定满足：
1、可靠性：重要设备及元器件（涉及组态软件）采用国内外知名公司产品。
2、先进性：采用先进图像监控和工业自动化控制技术，在同类项目中,规定达到国内先进水平。
3、经济性：系统建设以合用为主，性能价格比高，实用性强。
4、开放性和可扩充性：系统硬件和软件均采用模块化、构造化、原则化，便于系统功能扩充和系统互联。重要系统设备满足可拆卸重组规定。
5、易操作性、可维护性：系统操作要简朴,维护管理以便。
6、监控系统具备有效抗雷电、抗强电、抗电磁干扰办法：能在潮湿、振动、灰尘等恶劣环境下正常运营。对系统信号传播采用可靠保护办法，以防工业干扰和雷电影响，减少数据出错和元器件损环。系统配备在线式不间断电源（UPS）。

1．3 闸站监控系统总体构造
常州市水利局闸站监控系统重要涉及闸站控制系统和闸站监视系统两某些，其中闸站控制系统涉及水泵、闸门控制。其核心由澳大利亚ACTION公司生产RTU来实现控制，负责与现地控制单元（LCU）、闸门状态检测装置、内河水位检测装置以现场串口485方式通信，并通过光纤网把数据传送到中心站（水利大楼）。闸站监视系统重要采用摄像机通过视频服务器，借助光纤网，把图像信息传送到中心站（水利大楼），从而实现远程监控闸站及内河水位。系统总体构造如图1所示。

光纤网络
网络互换机
视频监控终端
液晶投影仪
大屏幕
DEC 311
闸泵站设备监控终端

R
T
U
控制器
泵
闸
电压
电流
485总线
云台解码器
视频信号
频
串行控制信号
频
网络信号
频
水位
电磁阀
闸位
图 例
网络互换机
图1 闸泵站监控系统构造图

1．4 技术方案特点
依照系统总体设计原则，在常州市水利局闸站自动监控系统设计上，着重考虑如下几点，供业主参照。

1．4．1 可靠性设计
1、 硬件可靠性设计
（1）使系统不易发生故障设计
充分考虑采用成熟先进技术设备。从每一种元器件选取开始，充分考虑各种因素变化，减少元器件使用定额。全面进行系统防雷设计、安装设计、低功耗设计、耐环境设计等。
（2）发生故障后对系统影响最小设计
A 安全性： 虽然发生故障，仍能使系统保持预定稳定状态。采用故障局部化和实时检测，采用各种保护回路。虽然CPU发生故障，保证系统输入输出保持在安全状态。
B 故障弱化：虽然发生故障，系统仍可完毕预定某些重要任务。采用备用设计。涉及自动备用，手动备用。
2、软件可靠性设计
软件设计有它自身特殊性。软件是一种逻辑系统部件，而不是物理系统部件。软件运营过程中不会由于使用时间过长而用“坏”。其错误是开发时期引入，而测试阶段又未能发现。它也无法象硬件那样通过更换部件办法来解决。因而，软件开发和维护是一种极端复杂问题。它不但涉及到技术和办法问题，也涉及到管理问题。只有把握好软件开发和软件测试这一关，才干保证软件系统可靠性。
如何解决这一问题，必要采用“软件工程”设计办法。将工程项目所积累行之有效原理，概念，技术和办法应用于软件开发实践，使软件开发成为组织良好，管理严密，各类人员协同配合，共同完毕工程项目。详细要做好如下几种方面工作。
（1）问题定义
通过需求分析，由顾客和软件分析员共同讨论分析并提出软件系统目的和范畴阐明书。必要时还需邀请关于专家进行讨论决定。
（2）可行性研究
对问题定义阶段提出问题与否有行得通解决办法。就这些办法，结合当前软件发展水平，涉及操作系统，数据库软件，软件开发平台等提出可行性论证报告。
（3）需求分析
拟定顾客对软件系统（重要是系统功能）所有规定，以需求规格阐明书形式表达出来。
（4）总体设计
建立软件系统总体构造。提出软件构造图或层次图。涉及各功能模块，模块与模块之间联系。最大限度地减少各功能模块之间耦合，保证模块相对独立性。
（5）详细设计
对每一种功能模块拟定其内部过程构造。涉及变量类型、数量、范畴，全局性还是局部性等。
（6）编程
按选定程序设计语言，将各功能模块内部过程描述翻译成源程序。特别要指出是：为保证软件系统可靠性，必要保证其在投入现场运营前已进入成熟阶段。因而，最佳选用描述性程序设计语言以及面向对象设计语言（如Visual Basic，Visual C++，Delphi等）
（7）测试
严格把握测试这一关，认真发现和排除上述各阶段也许产生各种错误。

1.4.2 可维护性设计
在不断止系统运营状况下进行维护（在线维护）。采用诊断技术，自动恢复技术。通过维护性信息输出，运营状态画面显示，防止性维护信息提示等，实现系统故障迅速排除，达到在线维护目。

1.4.3 可扩展性设计
通过系统集成，在硬、软件上均采用分布式，模块化积木式构造。构导致一种层次分明，构造合理，独立性强，易扩展，开放式系统。

1.4.4 实用性设计
实用是系统设计成败重要因素之一。实用不等于不先进，在一定意义上，实用应当是先进系统更高层次。系统设计应充分意识到现场运营需要，涉及现场运营条件，现场运营人员素质。保证运营管理、运营操作、运营维护源于常规而又高于常规。详细体当前：
1、和谐人机界面，以便操作方式；
2、完善信息提示，可靠操作保障；
3、动态操作流程，实时操作进程；
4、原则数据库构造，高度自动化信息管理；
5、以便快捷操作指引，多重可靠操作权限。

1.4.5 经济性设计
高性能价格比是系统设计人员刻求目的。合理系统构造，优化系统配备，通用化设备选型，原则化设备制造都是减少系统成本重要因素。只要有效地把握系统设计、选型、制造、施工等各个环节，可大大减少工程费用。

1.4.6 防雷设计
计算机控制系统均属于弱电工程，耐压值很低。工程应用中必要优先考虑保护人和设备不受电、火灾和雷灾侵害。依照近百年来人们对雷电现象研究得出结论，以为雷电电压入侵电器设备途径有两种：直接雷和感应雷。雷电直接击中线路并通过电器设备入地雷击过电流称为直接雷；由雷闪电流产生强大电磁场变化与导体感应出过电压和过电流形成雷击成为感应雷。由于水工建筑物自身有较完善防雷设施，涉及避雷网（带），避雷针或混合构成接闪器，立柱基本钢筋网、闸门闸体钢筋网、钢屋架与屋面板钢筋等形成一种整体，避雷网通过所有立柱基本钢筋网作为接地体，将强大雷电流引入大地。计算机系统安顿在闸站等建筑物内，受建筑物防雷系统保护。故直接击中计算机网络系统也许性非常小，计算机设备抗直接雷击能力很低，防护设备非常昂贵，普通不必安装防护直接雷设备。因此计算机系统重要必要防止感应雷。
感应雷入侵计算机系统雷过电压、过电流重要有如下三个途径：
1、交流电220VAC电源供电线路入侵；
2、由计算机网络通信线路入侵；
3、地电压反击电压通过接地体入侵。
依照以上分析，拟采用下列防雷办法：
1、均衡系统电位
各个设备建立良好等电位接地体，即交流工作接地、保护接地、直流工作接地、防雷接地公共一组接地装置联合接地方式。
2、逐级分别泄流
在雷电通过线路上逐级安装避雷设备，将雷电流、感应过电压逐级泄放。主控级设备选用带雷电保护UPS电源；通信线路选用光缆，切断各个设备之间电气连接，绝对防雷击和电磁干扰；现场控制设备电源输入端采用高性能隔离变压器，RTU工作电源选用防雷电电源模块。
3、加强屏蔽
在线路信道上建立屏蔽层，屏蔽层与闸站联合接地系统良好连接，防止感应雷干扰和破坏线路及设备。电缆敷设在金属桥架或金属管线内，金属桥架或金属管线与大坝联合接地系统良好连接，充当导线屏蔽层。强、弱电导线不能共享一组金属桥架或金属管线，强电金属桥架或金属管线与弱电金属桥架或金属管线并行敷设时，净距离不不大于20cm。
第二章 闸站控制系统设计方案

2．1 总体构造
闸站自动化远程控制系统是集数据采集解决、数据通信及控制技术于一体综合应用系统，其构造分为现场采集某些、通信某些和控制三某些构成。
现场控制单元某些：现场采集重要运用相应传感器通过RTU实现对内河水位数据采集、水泵控制、水泵电流电压测量、闸启动状态测量、通过液压泵站或电动机控制闸门启动。

水泵及电动式闸门控制系统

状
态
量

序号
名称
内容
点数
阐明
1
控制方式
远方/现地

2

水泵电机状态及运营参数测量
运营
起动/停止（交流接触器）
1

过流
热继电器
1

短路
自动空气开关
1

电流量
电流传感器（数字量输出）
1

电压量
电压传感器（数字量输出）
1

闸门状态
位置状态
全开/全关（闸位计）
3

4
水 位
内河水位
12位格雷码（浮子式水位计）

液压闸门控制系统

序号
名称
内容
点数
阐明
1
油泵电机
起动/停止
2

2
液 压
系 统
电磁阀
升/降（YV3，YV4）
3

电磁溢流阀
YV1，YV2
2

状态批示
压力/油位/油温

3
闸 门
系 统
运营批示
升/降

状态批示
全开/全关

4
故
障
故障批示
故障批示灯

报警
电铃

通信某些：运用Moxa公司串行/以太网转换器DEC311，以比较低成本，运用光纤，实现控制中心与现地控制单元全双工通信，有效避免了重复布线。
主机系统某些：系统控制某些重要是实现远程对现场水泵、闸门控制等功能，并对数据进行解决、显示、形成各种报表。
其总体构造框图如图2所示。

传感器
测量模块
RTU
闸门状态计
水位计

动力屏
#1水泵电机
#2水泵电机
动力屏
互换机
互换机
光纤网

闸门液压控制系统
图2 闸门监控系统框图
Moxa DEC 311

闸门操作控制采用性能优良、技术先进、工作可靠澳大利亚ACTION公司RTU。其功能如下：
（1）自动检测各扇闸门启闭状态、内河水位，辨别率为1cm；
（2）提供直观操作界面，操作员可以便地实行各扇闸门启、闭操作；
（3）具备手动控制与自动控制，近地控制与远方控制选取；

2.2 现地控制单元（LCU）
LCU由控制某些和动力某些两某些构成。控制屏控制某些重要有澳大利亚ACTION公司生产RTU 、现地手动控制按钮、状态批示灯、故障批示灯、转换开关、闸门状态批示仪、中间继电器等构成；动力某些重要有自动空气开关、交流接触器、热继电器、电压、电流批示仪表等构成。
系统能实现计算机远方控制，也能进行就地手动控制，两者互相独立，互为闭锁。本系统现地控制单元LCU可通过“选取开关”来选取就地控制和远方控制工作方式。为适应运营工况规定，现地控制单元系统控制电源均采用双路电源供电，通过双电源控制器实现控制电源自动切换。保证一路电源发生故障或一台电机故障状况下，受故障影响闸门仍能正常启闭操作。
对于闸门液压启闭系统，一套液压泵站配备1台油泵电机。系统控制重要是对油泵电机实现起/停控制，并按照相应启闭控制流程实现对升/降电磁阀，换向阀（电磁溢流阀）控制。本系统LCU通过控制油缸，来控制闸门，故每个LCU需控制1个升/降电磁阀，1个换向阀（电磁溢流阀）。以及液压系统状态监测输入点（压力、油位、滤油器堵塞等）。
系统监测重要有闸门状态（全开位置，全关位置），液压泵站运营参数（普通重要有系统过压、欠压，油缸上腔过压，油缸下腔过压，油箱油位过高、低、过低，油箱油温高、低，以及滤油器堵塞等）。本系统只有油路系统过压。
系统重要控制功能、保护方式重要有：
（1）油泵电机（涉及备用电机）启动与停止控制；
（2）闸门提高与下降控制；
（3）闸门下滑自动复位控制；
（4）闸门开度实时检测与显示；
（5）状态批示、故障批示与故障报警；
（6）油路过压和电机过载保护；
（7）油箱油位过高，过低，及滤油器堵塞保护等。
对于闸门电动启闭系统以及水泵控制系统，均采用通过控制交流接触器来实现其启动、停止，电机电压、电流需通过传感器采集传送到中心站。
通过浮子式水位传感器采集水位，闸位传感器采集闸位状态，并把数据以总线方式传送到RTU485口，通过光纤网传送到中心站。
2.3 RTU简介
RTU（Remote Terminal Unit）：实现对远程设备就地控制，并能以便地与通信系统相连，实现信息远距离传播。
RTU具备可靠、安全、先进、易用、开放、可维护、可扩充、性能价格比高等特点。

RTU是用于远程测量和控制智能设备。它采用模块化构造，依照应用规定，可灵活地构成各种不同配备，其规模可从具备几种I/O点小型RTU到具备上千个I/O点大型RTU。
第三章 常州市水利局闸站视频监控系统

3．1 概述
常州市水利局闸站自动化控制系统是常州市水利当代化建设一某些，其系统方案必要满足常州市水利局当代化建设总体规划。常州市水利局筹划建成以水利局大楼为中心计算机广域网，实现对常州市闸站自动化远程控制和监视。当今计算机领域两项热门技术为多媒体技术和网络通信技术。把这两项技术恰本地应用到当代自动化调度控制领域，是广大系统设计人员和顾客共同心愿。也是当今这一领域发展必然趋势。当前大某些自动化工程均包具有工业电视监控系统，可有效提高运营管理自动化水平。
根据对多媒体视频系统详细规定，结合咱们工程经验，以及系统对高可靠性和高品质规定，拟采用高品质进口数字式视频监控产品。工业视频监控系统重要有监控前端（摄像机，镜头，云台，防护罩，解码器，照明灯等）；智能视频控制主机等构成。在详细建设中必要满足如下规定：（1）尽量运用国际上既有先进技术装备进行优化选取设计，力求达到设备先进性、系统可靠性、经济性以及操作以便性；（2）具备计算机网络接口，实现信息共享；（3）采用数字图像监视系统，代替老式模仿监视系统；（4）咱们以总体规划、分步实行为原则，使系统具备扩展能力和系统功能提高能力；（5）追求最佳性能价格比。

3．2闸站自动化远程监视系统构造设计
闸站自动化远程监视系统是集视频压缩、数据通信、图像解决及控制技术于一体综合应用系统，其构造分为现场采集某些、通信某些和监控某些等三某些构成。
采集某些：现场采集重要实现图像采集。
通信某些：通过光纤网络实现水利局大楼与12个控制闸站网络互联。
监控某些：系统监控某些重要是实现实况图像浏览、切换等功能，核心部件是视频服务器，它可以极为灵活实现对摄像机图像切换调看，并以便地实现对镜头控制。
本系统以瑞典AXIS2400视频服务器为核心，通过光纤网络传播图像信号，具备如下特点：
（1）强大系统功能
画面可以任意编程、自动或手动切换；
可设立顾客遥控镜头优先级；
系统有多路图像解决、显示功能；提供准时间、地点、时间检索图像；
能迅速，高质量地回放图像，对单幅图象能打印输出；
系统可以触发报警事件，并在显示屏上弹出报警信息，同步进行记录；
可以预设时间，或随机传播或调用远端站点。
（2）高性能、高可靠性、低功耗、免维护
内置高性能RISC芯片，可以在10/100M网络上以每秒30帧速度传送1路高质动态图象；
同步传送4路活动图像，并可以支持各种顾客分别独立访问；
（3）即插即看解决方案
只需要接入以太网，分派一种地址，就可以随时用浏览器观测远程传播过来图像。
（4）在任何网络中易于使用
支持各种网络环境，如Windows，Mac，UNIX，和OS/2。
（5）其他设备灵活接入
可以以便地接入其他安全防范设备，如温度、湿度、烟感、入侵等报警器；
同步可以连动灯光、警号、锁具等动作设备。

云台控制器
监控终端
云台控制器
Axis 2400
互换机
… …
光纤网络
互换机
图例
视频信号
控制信号
网络信号
Axis 2400
视频监控系统构造图如图3所示。

互换机

监控终端

图3 视频监控系统构造图
附录一：设备清单及报价

闸站自动控制系统设备清单
序号
设备型号
设备配备
单价
数量
总价
（人民币）
1
电压传感器
V72S1
￥4,550.00
21
￥95,550.00
2
电流传感器
I72S1
￥4,550.00
21
￥95,550.00
3
水位计
国产
￥3,950.00
12
￥47,400.00
4
闸位计
国产
￥3,950.00
12
￥47,400.00
5
RTU
ACTION控制系统
￥44,400.00
12
￥532,800.00
6
RTU控制软件

￥14,300.00
1
￥14,300.00
7
中间继电器
380V
￥40.00
160
￥6,400.00
8
控制信号线
4*1电缆
￥4.00
3000
￥12,000.00
9
电源线
4*2电缆
￥5.50
500
￥2,750.00
10
PVC管
2cm直径
￥2.50
500
￥1,250.00
11
钢管
2.5CM直径
￥9.00
500
￥4,500.00
12
辅助材料

￥6,000.00
1
￥6,000.00
13
双绞线
超五类
￥5.00
500
￥2,500.00
14
以太网/串行口信号转换器
MOXA DEC 311
￥3,240.00
12
￥38,880.00
15
监控用计算机
HP E800 P3 1G,128M,18G
￥19,000.00
1
￥19,000.00
16
设备总价

￥926,280.00
17
运送保险费
设备总价2%

￥18525.60
18
软件开发费

1
￥120,000.00
19
工程费
设备总价12%

￥111153.60
20
税金
设备总价5.5%

50945.4

小计

￥1226904.6

视频监控系统设备清单
序号
设备型号
设 备 配 置
单价
数量
总价
1
视频服务器AXIS2400
可接4路视频源
￥20,410
12
￥244,920
2
室外云台摄像机控制器 KST-YT01
控制云台摄像机动作，室外型,带自动加热
￥2,636
12
￥31,637
3
室外云台变焦摄像机
1:室内全方位云台Y3939
2:三星摄像机SDZ-160L 16倍光学变焦，8倍电子变焦，自动聚焦，470线 3:防护罩Y4605
￥5,135
12
￥61,620
4
固定彩色摄像机
1：彩色CCD 日本TOTA-400 1.5Lux 420线 自动电子快门 2：镜头 日本精工SSG0812NB 自动光圈 手动调焦 3:防护罩Y4605
￥3,341
12
￥40,092
5
摄象机支架

￥120
24
￥2,880

防雷器
国产
￥1,300
12
￥15,600

电源线
4*2电缆
￥5
4000
￥20,000
6
视频同轴电缆

￥2
4000
￥8,000
7
通信电缆（用于云台控制器）

￥4

￥7,000
8
机柜

￥12
500
￥6,000
9
监控软件（12站版）
有密码控制，有分级权限
￥39,000
1
￥39,000
10
网络互换机
联想LS3008 8个10/100M接口，支持VLAN
￥2,250
13
￥29,250
11
监控用计算机
HP E800P3 1G/128M/18G
￥24,700
1
￥24,700
12
设备总价

￥530,699
13
运送保险费
设备总价2%

￥10,613.98
14
工程费
设备总价12%

￥63,683.86
15
税金
设备总价5.5%

29188.45

小计

￥634185.45

附录二：

工 程 进 度

整个系统供货日期为合同签定后1个月到达现场，3个月内完毕设备安装调试、初步验收。为保质、准时完毕系统设备采购、装配、调试，认真规划和合理分派每一种环节是十分重要。
第一—二周：与业主一起拟定设备布置图；
第三—四周：完毕电气原理图、构造图、装配图、接线图等设计；
第五—七周：重要设备采购及控制柜、操作台设计和制造；
第八—九周：各层设备软件开发和调试，现场安装前场地准备（施工）；
第十周： 设备进场和设备安装前准备；
第十一周： 设备安装；
第十二—十三周：设备联调，准备投入试运营。

附录三：
技 术 培 训

我方将全面负责现场操作运营人员、控制技术人员（程序员）、维护技术人员进行全面、系统技术培训。涉及工厂培训和现场培训。我方将充分发挥高校师资力量雄厚、专业设立齐全、实验装备优良、教学手段完善等优势，为甲方提供优质培训服务。力求理论与实际结合，最大限度地满足甲方对人员培训规定。
详细培训内容为：
(1)微机原理及应用 （3天，18小时）
(2)电气控制技术 （1天，6小时）
(3)计算机控制技术 （2天，12小时）
(4)水利水电量测技术 （1天，6小时）
(5)面向对象高档语言程序设计 （10天，60小时）
(6)数据库原理 （3天，18小时）
(7)计算机网络技术等 （5天，30小时）

培训办法：
(1)培训人员参加我方系统设计；
(2)有关基本知识可安排在学校听课或单独解说 ；
(3)参加系统硬件设计、装配、安装和调试 ；
(4)参加控制软件设计、调试及维护 ；
(5)参加系统网络设计、施工、调试 ；
(6)对系统核心技术如RTU 硬件模块配备，梯形图软件编程，网络硬件与软件技术等进行全面、系统培训，达到全面掌握和纯熟应用；
(7)针对仿真培训系统对操作员进行系统现场操作培训；
(8)全面移送系统所有电气原理图、装配图、接线图，软件框图，源程序代码及详细阐明书。