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1、概述

    在太湖流域（上海部分）建立水閘泵站監控系統，對黃浦江上游河道的水情和工情進行實時自動監測、監控，實時采集水情數據、通過信息傳輸與處理，在決策系統支持下，作出優化調度與調控水閘泵站運行，這對于“洪水走廊”功能的有效發揮，對于確保上海市城市防洪安全和充分發揮清水資源的合理利用，具有重大的現實意義。工程包括太浦河等四條河道沿線共36個泵閘的本地自動控制以及相應的遠程控制。

    現場閘站作為最終執行者，不僅要完成現場水情、工情采集的功能，還承擔遠程監控的任務。同時考慮到將來還需要進一步自動測記潮汐、雨量以及水質等信息參數，為建立流域水動力模型及智能化調度決策作準備。

    本文采用了美國Lonworks現場總線，實現現場閘門的就地自動控制和遠程監控，整體結構參見系統結構圖。Lonworks技術是美國Echelon公司九十年代中期推出的一種用于自動控制領域的網絡技術，是用于工業設備控制開放的數據網絡。

    閘站監控點采用Lonworks總線的優點主要體現在：
    （1） 布線簡單：現場設備信號直接通過Lonworks通用采集控制模塊掛在總線上，并通過一根雙絞線采用自由拓撲的方式連接到監測主機，布線極其簡單、可靠。不僅實現控制信號的監測，同時可以監測故障信號，實現現場設備的遠程診斷。
    （2） 與遠程管理系統的無縫聯接：現場監測主機采用i,Lon 100 internet服務器，該服務器既可以作為現場控制器，也可以連接Lonworks網絡到企業IP網絡或者Internet。由于內置了Web Server，因此允許通過Web的方式訪問其內置的時序調度、報警處理和數據記錄應用程序。此外，它還提供一個用作和監控中心相互集成的SOAP/XML Web Services接口，通過該接口可以實現在當前最流行的Microsoft.Net架構下實現組態和監控功能，而該架構是一個全開放的軟件平臺，真正做到底層設備的扁平化、互操作性和全開放性。
    （3） 技術成熟、節點開發周期短：作為遠程測控終端（RTU），閘站監測點控制器以神經元芯片(Neuron Chip)為核心,采用與ＯＳＩ（開放系統互連）七層參考模型兼容的Lontalk協議，只在應用層上需要開發，從而實現真正的分布式控制。
    （4） 擴展性強：Lonworks是世界上唯一支持OSI全部七層協議的現場總線技術，網絡協議是開放的，其核心之一是利用“網絡變量”來綁定監測點I/O信息的邏輯關系，擴展性強。

2、系統架構

    本系統的硬件架構為三層架構：最底層為水位儀、開度儀等工情水情傳感器，通訊為RS-232串口通信, 使用串行網關將數據轉換成LonWorks網絡數據。其上一層為78Kbit/s雙絞線自由拓撲結構的LonWorks網絡, 這層網絡負責將各閘站的串行網關連接起來, 或者僅僅作為中間接口提供給上層網絡, 這層網絡的中心管理單元為i.Lon 100以太網服務器（每個閘站用一個）；最上層是以太網或者電話撥號網絡, 將全市或更大范圍內的閘站連接起來, 最終集中到監控中心。監控中心為第三層的中心管理單元。系統結構如圖1所示。

表1. LonWorks 自由拓撲結構性能指標

3、監控系統設計與實現

    水閘泵站SCADA系統設計包括：本地閘站串行網關的開發、監控軟件設計以及組網設計。
    （1）串行網關的開發
    串行網關為一個標準的LonWorks網絡設備, 負責將現場水位儀、開度儀等傳感器的信息轉換為Lonworks通信協議，并根據一定的邏輯實現對閘門的自動控制。可以采用現有廠商的產品,或者立足于自行開發, 兩者的硬件設備內容基本一致. 無論是自行開發還是外購, 神經元芯片內部的協議轉換程序都必須自行開發, 以滿足不同協議轉換的需要。
       
    如圖2所示，對一個串行網關設備, 印制板大體包含如下內容:
    ● 智能收發器. 內含神經元芯片. 是所有LonWorks設備的核心.
    ● 電平轉換單元  負責整合RS-232信號不同的電平
    ● 外圍電路. 包含一些LonWorks設備獨有的簡單電路, 如Service Pin電路, 復位電路
    ● 隔離變壓器. 保護和耦合LonWorks設備到網絡上
    ● 電源
    所有這些設備都可以在一個很小的印制電路扳上實現。

    此次太湖流域（上海部分）水閘泵站SCADA系統采用美國BroadWin公司的網際組態軟件WebAccess。WebAccess實現了將傳統的工業控制技術與標準的Web技術完美結合，突破了傳統組態軟件在網絡應用上的技術瓶頸，實現了遠程工程維護、遠程與現場零距離的監控能力等功能。

    依據分中心功能需求和應用軟件系統的兼容性、擴展性和跨平臺性的要求，整個系統采用基于SOAP/XML等多種協方式并存的軟件結構。如圖4所示。

    依據分中心功能需求和應用軟件系統的兼容性、擴展性和跨平臺性的要求，整個系統采用基于SOAP/XML等多種協方式并存的軟件結構。如圖4所示。

    I類閘站的通訊方式：6個I類閘站現場的應用軟件利用SOAP/XML通訊協議，從各現場的 iLON100服務器中直接采集現場實時數據和運行狀態參數。

    總中心、分中心、匯聚站間的通訊方式：分中心和匯聚站的應用軟件利用相同原理直接讀取其負責監控的各現場的iLON100服務器的實時數據，傳送運行參數至iLON100服務器，實現控制原理。如果某分中心下已有I類閘站的情況，則I類閘站下的數據傳遞是經由1類閘站再送至分中心實現。例如：太浦河分中心的部分實時數據是經由I類閘站取得，而并非直接從現場的iLON100中讀取。

    總中心應用軟件的數據來源，是經由各分中心應用軟件傳送上來的實時數據，并通過ODBC接口將全部歷史數據寫入ORACLE數據庫服務器中。

    市調度中心與太湖流域子系統的通訊方式：位于子系統總中心的應用軟件將建立Web Server網站發布站點，利用B/S架構向市調度中心提供標準的HTTP訪問接口。市調度中心的操作人員使用標準的瀏覽器登錄子系統總中心的Web Server，可以直接實現對整個太湖流域子系統的遠程監控。

    水閘泵站監控界面效果如圖5所示：

4、結束語

    利用Lonworks現場總線以及WebService技術，不僅可以建立水閘泵站SCADA系統，還可以為建立河網分片、分系統水動力學模型提供極大便利。因為該模型中除了流量、閘位以及水位等參數以外，還需要考慮河道上下游邊界條件、降雨產流模型和水質模型等相關參數的采集。監測點這些參數信號的后續接入只需要直接掛在Lonworks總線上即可；同時對于附近水域的關聯信號可以利用“網絡變量”這種簡單的形式實現水力信息的綜合處理，從而節省了設備的投入成本，提高了節點通信的標準性和可靠性。借助于WEB Service，可以將子系統監測信息遠程接入上級監控中心，實現城市水域的管理信息化。