嵌入式技术在水库信息智能化系统中的应用

摘要：阐述水库信息智能化系统的组成以及如何采用EIP嵌入式智能平台平台(文中以EVOC嵌入式智能平台为基础)，利用现有的计算机技术、工业控制技术、Web网络，将水利信息各子系统整合起来，为实现系统间数据共享、协同工作提供一个信息访问平台。从而大大提高雨情、水情、工情、旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性，对其发展趋势作出及时、准确的预测和预报，制定防洪抗旱调度方案，为决策部门的决策提供科学依据，充分发挥已建工程设施的效能。
关键词：水库信息智能化系统 EIP嵌入式智能平台

[系统概述]
    水利行业是一个历史十分悠久的行业，也是信息十分密集的行业。水利部门要向国家和相关行业提供大量的水利信息，如汛情旱情信息、水量水质信息、水环境信息和水工程信息等。水库作为水利系统最基层的工程，其智能化建设是水利信息化的基础。我国有许多水库是运行二十多年了的老水库，电站设备和管理都相对陈旧，随着计算机与信息技术的快速发展，采用新技术、新设备对整个水库的设备与管理进行现代化改造，进行水库智能化建设，可以进一步挖掘水库的潜力，加强水库运行的可靠性，水库智能化系统的建立，将大大提高雨情、水情、工情、旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性，作出及时、准确的预测和预报，制定防洪抗旱调度方案，为上级部门的决策提供科学依据。　

[系统构成] 
1、概述
　　水库信息化系统主要由水电站自动化监控系统、大坝安全自动化监测系统、水情遥测系统、办公自动化系统、水库优化调度系统、闸门监控系统、图像监控系统、Web综合信息发布系统等组成，通过计算机网络系统把各子系统整合起来，实现系统间数据共享、协同工作来提供一个信息访问平台。实现基于局域网的系统资源共享（如打印机、硬盘资源，文档共享等）。采用数据库管理技术集中处理信息结合Web技术应用，开发基于B/S方式的Web综合信息发布系统，能够方便直观地让用户得到各系统的信息。通过建设光纤通道、无线接入、DDN专线等方式接入互联网，能够及时了解气象信息、卫星云图等专业信息，以Web方式为上级主管部门提供信息查询平台，同时也可实现移动办公。 
 
2．各子系统介绍
2．1水电站自动化监控系统
　　水电站以计算机监控为主，简易常规控制为辅的原则进行总体设计，充分注意计算机监控系统与各常规控制设备的协调配合，整个监控系统与发电厂发电设备同步投入，建成后可以达到无人值班、少人值守的要求。简易常规控制可在主控级与现场控制单元通讯中断（或主控站故障）时作操作备用，它通过电缆直接作用于现地控制单元，现地单元具备运行人员进行常规控制的值班条件。

　　监控系统高度可靠，采用分层分布开放系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护用户的投资。软件模块化，结构化的设计，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。实时性好，抗干扰能力强。人机接口功能强，操作方便。

2．2大坝安全自动化监测系统
　　本系统为分布式网络结构。主要由前置机（采用工控机）、中央控制器（CCU）和现场测量控制单元（MCU）、传感器及通讯网络组成。MCU放置在观测房内，与传感器联接，工控机，作为网络中心节点，由RS485总线与各个MCU联接，完成子系统运行控制以及与上一级网络系统的联接工作。

　　系统中测量控制单元可以按预先设置的定时时间，自动对传感器执行定时数据采集，将采集的数据发送给工控机同时保存在MCU的存储器中；也可以执行工控机发来的随机采集命令，对任何传感器进行数据采集。系统操作员在调度中心工作站可任意查看当前或历史数据，利用图形、报表或分析软件等工具对大坝的性态作出进一步分析处理。

系统功能介绍
　　1 数据采集功能
　　　（1） 随机数据采集(应答)方式
　　　　a.自动巡回采集所有传感器数据
　　　　b.按传感器类型，选择采集某类型传感器数据
　　　　c.按MCU节点（从站）号，选择采集某个MCU传感器数据
　　　　d.按传感器编号、单独选择采集某个传感器数据（单个补测）

　　　（2）自动数据采集（自报）方式
　　　　由各台MCU按预先设置的方式，自动巡回检测各个传感器数据，并送至前置机（工控机）。主要有以下功能：
　　　　a.前置机（工控机）校对MCU时钟；
　　　　b.前置机（工控机）设置数据采集周期和采集点；
　　　　c.MCU自报采样数据；
　　　　d.前置机（工控机）查核自报数据，10天以内若有未收到的数据，可以向MCU重新取数；
　　　　e.清MCU数据区。

2 实时显示数据采集功能
　　显示监测系统的总貌、监测布置和传感器分布图
　　鼠标电击分布图中传感器位置，执行数据采集，并可以查看测点的各种信息，包括测点编号、仪器类型、埋设位置、参数等；
　　能通过图形界面和表格方式，实时显示各监测值的量、过程曲线、分布图及各种相关图；
　　提供报警状态显示窗口和分级报警功能；

3 数据分析处理功能
　　对大坝的各类监测数据进行误差处理、整编计算；
　　调用历史数据，进行最大值和最小值比较，即时对越限值报警提示；
　　对不能实行自动电测的数据，如坝体外部变形的表面测点数据，可以人工输入数据库；
　　可以人工输入修改、删除数据库数据（受操作员权限限制）；
　　自动采集的数据可以选择"存盘"或"不存盘"；
　　具备数据查询功能，用户能根据查询条件，查询各种历史数据。如：某库水位值时，某个渗压计的历史数据；

　　4 报表和图形功能
　　具备报表打印功能，可以按选定的日期，时段、传感器测头，自动打印日报表，月报表或年报表；
　　图形功能，可以按日期、时段、传感器测头，自动生成各种压力、渗压过程线；

　　5 数据库管理功能
　　能提供原始测值数据库、应用数据库等各种类型的数据库；
　　能够对各种数据库之间的数据进行自动处理、转换和添加等管理工作；
大坝安全自动化监测系统结构框图
 
2．3水情测报系统：
　　系统配置有前置机（工控机）、遥测中心终端、收发电台、通讯电源、全向天线和同轴避雷器等。中心站接收各个遥测站发送来的实时采集的各种水情参数。中心站前置机将接收到的数据先进行识别判错、分类整理，形成数据文件存入前置机内存。形成的数据文件可经过局域网存入服务器数据库。通讯方式可采用通讯电缆、电台、卫星、无线短信等方式进行通讯，保证了通道通畅。

系统功能介绍 
1. 随机自报功能。当监测累计参量达到一个最小检测值时，如雨量达到1mm, RTU自动上电工作，将累计量加1并保存，然后全量发送一次实测累计参数。当监测库水位瞬时值变化（增大或减小）一个最小检测值时，且与上次发送数据时间间隔大于设定值时，RTU将实测瞬时值发送到中心站。 
2. 定时平安自报功能。当新监测的参数不发生变化时，每天按设定的时间间隔，定时向中心站发送实时参数和测站工作状态。 
3. 测站发送完数据，RTU具有软件掉电功能和硬件延时电路自动切断受控电源，采用双重保险措施，以保护发射机和节省电源。 
4. 利用符合国际标准的调制解调器及国际先进的微处理器设计的RTU终端机，具有水位消浪滤波处理，电源下限自动报警功能和先进的信道纠错、检错、编码功能。  5. 由于将调制解调器与电台进行一体化结构设计，简化了RTU的设计，从而提高了其可靠性。 
6. 通过键盘，可现场设置各种相关参数。如可采集、显示、发送各种传感器实测参数，可设置、显示传感器的基值；测试电池电压。 
7. 具有故障自诊断和报警功能。 
8. 具有与中心站通话功能，使调试与维护工作的方便、简单。 

2．4闸门监控系统
　　系统的主要内容是通过计算机监控系统达到水闸水位、闸门工情、图像信息自动化采集与传输，达到能够在监控中心远程控制闸门起闭以及闸门自动控制；通过实时图像可以直观了解水闸的运行工况以及周围环境。　　系统建设主要分为控制楼监控中心和闸门现场监控装置两部分，监控中心为系统前置机和计算机网络平台及应用软件组成，闸门现场监控装置由图像部分的摄像头机位布置、闸门监控部件PLC的布置以及信息传输通道的建设。现场通过PLC来控制闸门起闭设备，通过闸门开度仪实时确定闸门的开度，并通过水文水利计算，根据实测水文资料，自动设定闸门开度，提高自动化控制程度，减少人工误差。通过设立保护装置，能对执行过程中发生的意外情况进行及时处理。结合远程图像监控系统，可实现无人值守闸门自动化控制。 

2．5水库优化调度系统
　　优化调度主要内容是当洪水来临时在确保水库防洪安全的条件下，根据下游河道的的泄洪能力，为灌溉用水提供最优的库容，制定洪水调度计划。利用计算机水文遥测系统提供的水文资料和坝体渗压自动监测系统关于坝体的安全参数作为水库防洪的决策依据。 

2．6图像监控系统
　　闭路电视监视系统是采用先进的电子科技手段,对远端场景进行传感成像、信号传输、集中监视、图像记录以及联动控制的安全技术防范和管理系统。计算机数字监视系统是监控报警业界的新型产品，它采用视频图像数字化压缩记录的形式，采用高性能的工业计算机，增加摄像机图像输入路数，提高多画面图像的显示速率、增加对云台和镜头的控制等功能，配之以良好的人机交互界面，便构成了以计算机为核心的数字式监视报警系统。 

系统功能介绍 
1. 视频动态分布功能 
2. 多画面显示功能 
3. 图像字符叠加功能 
4. 视频报警功能 
5. 智能图像检测功能 
6. 可通过局域网进行远程录像查询、回放、参数设置、实时监控 
7. 可程序控制录像时间表、可自动循环录像 
8. 捕获静态画面 
9. 储存、回放、剪辑处理方便 
10. 自诊断功能 
11. 可靠性及可扩性 

2．7办公自动化系统
　　根据水库各办公室职能分配其各自权限，分别进行水库信息化信息系统中共享数据的查询。并通过局域网络共享系统外设资源，如打印机、扫描仪、数字化仪等，实现文件共享服务、FTP文件传输服务、Email电子信箱服务、网络信息发布、局域网通讯服务等，可按信息化建设进程分步实现财务电算化、人事劳资管理、物资管理、公文流转、财务电算化等。

2．8 Web综合信息发布系统
　　水库信息化系统中各子系统之间相互独立，又有信息相关性，通过设立一个中心数据库服务器，把各子系统中的信息经过整理、提炼、挖掘后存放到数据库中，减少了信息冗余度，并提高了信息的可靠性和科学性。用基于JAVA技术开发Web综合信息发布系统，根据各子系统的数据组织成相应的Web页面发布信息，由静态和动态页面两部分组成。静态页面是一些不变的信息，如工程概况、建筑物布置图、系统构成图等，动态页面即把服务器中存放的数据按照业务逻辑组织，以数据表格、图形的方式显示，达到实时、直观的效果。 

Web综合信息发布系统由下列内容组成： 
水库工程概况 
主要建筑物、仪器、设备图片 
大坝安全监测仪器分布图 
大坝安全监测数据日报表 
大坝安全监测数据月报表 
大坝安全监测各测点空隙水压力计水位过程线 
坝体内部水位浸润线 
水库气象数据 
降雨量分布和降雨量过程线 
水位报表和水位过程线 
水电站电气主接线图 
水电站系统配置图 
水电站遥测信息 
水电站遥信信息 
水电站电度量信息 
水电站遥信变位记录 
水电站事件记录 
水电站监控报表查询 
图像监控浏览 

    用基于JAVA技术开发的Web综合信息发布系统具有客户端应用方便、可扩展性强和跨平台应用的好处。一般客户端机器的Windows操作系统内嵌有IE浏览器，只要连接在局域网上就可以直接访问Web综合信息发布系统而勿需安装其他软件。服务器端增加一个远程接入设备后，上级部门或远程用户拨号连接后也同样可以访问综合信息发布系统。用户访问简洁方便，就象访问互联网资源一样，根据网页布置，进入所需要的页面，查询相关信息。

3、系统配置
    以EVOC嵌入式智能产品为例子，阐述系统配置如下：。

3.1、主机：
A、机箱： IPC-8420/PS-270A/6113LP4
B、主板： FSC-1711VN全长CPU卡
C、数据采集卡：PCL-711B低成本多功能数据采集卡、PCL-733 32路隔离数字输入卡、PCL-734 32路隔离数字输出卡

3.2、服务器：
数据库服务器 IPC-810/PS-270A/6114P4 + FSC-1711VN + P4 2.0G +512M DDR + 80G
WWW服务器 IPC-810/PS-270A/6114P4 + FSC-1711VN + P4 2.0G +512M DDR + 60G

3.3、远程数据采集模块：
ARK-14017（带隔离6路差分和2路单端模拟输入）
ARK-14021（单通道模拟输出）
ARK-14052（带隔离数字输入模块）
ARK-24520 (RS-232 至 RS-485协议转换器)

[系统评价]
    信息智能化系统建成后，运行稳定，表现出良好的安全性和可靠性。消除了信息孤岛，减少了数据冗余，提高了信息的可靠性和科学性。快速方便的信息传递为上级部门正确决策提供了保证，同时也提高了水库现代化管理水平，提高了工作效率。同时也为全国的水利信息化建设打下了基础。