農業(yè)現代化研究水利工程論文范文

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　　南水北調中線工程跨越長江、黃河、淮河、海河四大流域，是解決京、津、華北地區(qū)缺水問題的重大戰(zhàn)略基礎設施，擔負著北京、天津、石家莊、鄭州等數十座城市供水任務[1]。水量調度系統(tǒng)是南水北調中線工程自動化調度系統(tǒng)的核心組成部分，是實現統(tǒng)一調度、集中控制的基礎[2]。

　　摘要：水量調度系統(tǒng)是南水北調中線工程自動化調度系統(tǒng)的核心組成部分，由閘站監(jiān)控系統(tǒng)采集的水位、流量、閘門開度等監(jiān)測數據反映了輸水干渠水量調度控制的實時狀態(tài)，是水量調度系統(tǒng)中控制指令生成必不可少的輸入參數。因此，需要建立水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的數據通信。根據OPC基本原理和數據訪問規(guī)范，提出了基于OPC技術的系統(tǒng)集成方案，即在水量調度系統(tǒng)中開發(fā)OPC客戶端應用程序，用于實時獲取閘站監(jiān)控系統(tǒng)采集的監(jiān)測數據，并將指令發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。實踐表明，基于OPC技術的集成方案能夠很好地實現兩個應用系統(tǒng)之間的數據傳遞，降低了系統(tǒng)集成的成本，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。

　　關鍵詞：農業(yè)現代化研究投稿,OPC,南水北調中線,自動化調度,水量調度,閘站監(jiān)控,數據,系統(tǒng)集成

　　水量調度系統(tǒng)的重要任務之一，就是利用各節(jié)制閘、分水口、退水閘實時的監(jiān)測數據，計算出正常運行狀態(tài)、冰期運行以及應急狀態(tài)下的閘門控制指令[3-6]。閘站監(jiān)控系統(tǒng)則負責采集并為水量調度系統(tǒng)提供監(jiān)測數據，再根據接收到的控制指令，對節(jié)制閘、分水口、退水閘等進行遠程控制[7]。因此，需要在水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間建立數據通信，完成大量的實時數據傳遞任務。基于OPC技術可以建立彼此獨立的應用系統(tǒng)之間實時數據通信的橋梁，能有效克服應用系統(tǒng)之間的不兼容問題，實現系統(tǒng)集成應用。

　　1OPC簡介

　　OPC（OLEforProcessControl，過程控制對象連接與嵌入技術）是OPC基金會組織推廣的工業(yè)控制和生產自動化領域中的硬件和軟件之間的標準接口[8-9]。OPC以組件對象模型為基礎，采用客戶端/服務器模式，允許各種不同設備之間以相同的方式進行通信。OPC是應用程序之間交換實時數據的一種方法，既可以應用于軟件系統(tǒng)之間的集成，也可以應用于軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)之間的集成[10-15]。

　　1.1OPC的組成

　　OPC服務器由三類對象構成[8]：OPC服務器（OPCServer）、OPC組（OPCGroup）和OPC項（OPCItem）。OPC服務器提供數據源以及數據訪問接口，并負責維護有關OPC服務器的相關信息，OPC服務器是組對象的容器，可以包含一個或多個組對象；OPC組提供了一種容納和組織OPC數據項的機制，從邏輯上完成對數據項的管理，組可以包含一個或多個數據項；項是最小的對象單元，由數據值（Value）、數據質量（Quality）、時間戳（TimeStamp）等構成，代表著與OPC服務器的數據連接。OPC包含兩種標準接口：自定義接口和自動化接口，自定義接口是一組COM接口，由OPCServer服務商提供；自動化接口是一組OLE接口，主要用于OPC客戶端應用程序開發(fā)。OPC體系結構見圖1。

　　1.2OPC數據存取方式

　　OPC服務器與OPC客戶端之間數據交互包括兩個方面：OPC客戶端從OPC服務器端讀取數據和OPC客戶端向OPC服務器端寫入數據。OPC客戶端數據讀取有三種方式：同步、異步、訂閱[11]，而OPC客戶端向OPC服務器寫數據只有兩種方式：同步寫和異步寫。

　　同步數據存取包括同步讀和同步寫。OPC客戶端通過接口函數向OPC服務器發(fā)出數據存取請求，OPC服務器執(zhí)行相應的請求操作，當OPC服務器對應的響應全部完成后才能返回，在此期間，OPC客戶程序一直處于等待狀態(tài)。同步數據存取時，如果有大量數據進行操作或有很多OPC客戶程序對OPC服務器進行讀操作時，必然造成OPC客戶程序的阻塞現象。因此，同步數據存取適用于OPC客戶程序較少，數據量較小的場合。

　　異步數據存取包括異步讀和異步寫。OPC客戶端程序向OPC服務器端發(fā)出請求后立刻返回，不用等待OPC服務器的響應，即可進行其它操作。OPC服務器完成響應后再通知OPC客戶程序。相對于同步數據存取，異步數據存取的效率更高。

　　訂閱式數據讀取是指OPC客戶程序對OPC服務器發(fā)送請求后立刻返回，不用等待OPC服務器的操作，即可進行其它操作。OPC服務器在數據發(fā)生改變時，會自動根據更新周期刷新相應的客戶端數據�？蛻舳酥幌騉PC服務發(fā)送一次請求，之后不再對服務器請求。相比于同步數據存取和異步數據存取，訂閱式數據訪問方式可以有效降低客戶端訪問服務器的次數，最大程度地避免網絡阻塞。

　　OPC客戶端利用數據訪問接口，以統(tǒng)一的方式訪問OPC服務器，無需了解服務器端的底層細節(jié)及硬件設備驅動，易于實現應用系統(tǒng)之間或軟硬件系統(tǒng)之間的集成。OPC實現了遠程調用，使得應用程序與系統(tǒng)硬件的分布無關，便于系統(tǒng)硬件配置。OPC降低了系統(tǒng)集成的成本，基于COM規(guī)范的語言無關性簡化了OPC客戶端系統(tǒng)開發(fā)，用戶可以選擇熟悉的二次開發(fā)語言，以及各種商業(yè)開發(fā)軟件包，OPC客戶端不必考慮硬件設備驅動的問題�；贠PC的上述優(yōu)點，本文采用OPC技術實現水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的集成。

　　2南水北調中線工程自動化系統(tǒng)

　　2.1南水北調中線工程自動化調度系統(tǒng)簡介

　　南水北調中線工程自動化系統(tǒng)包括六大應用系統(tǒng)，分別是：水量調度系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)、閘站視頻監(jiān)視系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)、水質監(jiān)測系統(tǒng)、三維仿真系統(tǒng)。

　　水量調度系統(tǒng)是整個自動化調度系統(tǒng)的大腦，是實現統(tǒng)一調度、集中控制的基礎。通過該系統(tǒng)，實現正常調度、應急調度、冰期運行等不同工況下水量調度計劃制定、閘門控制指令制定及發(fā)送等功能。閘站監(jiān)控系統(tǒng)是全線集中控制方式的執(zhí)行系統(tǒng)，可以在調度中心對全線所有節(jié)制閘、分水口、退水閘、工作閘等進行遠程自動控制，系統(tǒng)主要功能包括閘站控制、運行狀態(tài)實時監(jiān)測、告警、模擬、趨勢分析、查詢統(tǒng)計、系統(tǒng)管理等。

　　閘站視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要用于監(jiān)視閘門及啟閉機運行狀態(tài)、水流狀態(tài)、機房設備運行狀態(tài)、園區(qū)安防等情況，同時可進行遠程操作維護指導，能夠起到“事前發(fā)現、事中處理、事后取證”的作用。

　　工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)將預埋在渡槽、隧洞、倒虹吸等建筑物及特殊渠段的監(jiān)測儀器數據自動采集，上傳至調度中心，在調度中心能夠針對異常情況進行報警，主要功能包括監(jiān)測信息管理、在線綜合分析、離線綜合分析、綜合查詢、報表制作等。

　　水質監(jiān)測系統(tǒng)通過固定、移動、自動等監(jiān)測手段實現水質信息的采集并上傳至調度中心，水質不達標或發(fā)生污染時及時報警，并針對異常情況指揮現場進行處理。主要功能包括水質監(jiān)測數據采集與管理、水質站網管理、水質分析評價、水質監(jiān)測資料整理匯編、水質預測預報、水質信息查詢、水質會商支持、水質信息發(fā)布等。

　　三維仿真系統(tǒng)通過數字化手段把中線干線工程裝進計算機，能夠形象地展示工程全貌，同時可展示工程沿線社會經濟環(huán)境。三維仿真系統(tǒng)是實現“數字中線”的基礎。

　　2.2水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)的集成

　　水量調度系統(tǒng)集成了供水計劃生成模型、總干渠水力學模型、冰期輸水控制模型、應急預案模型。為了提高數據共享，保證數據一致性，系統(tǒng)構建統(tǒng)一的模型參數數據庫，閘門控制指令計算模型的輸入包括兩類參數：一類是模型參數，包括水工建筑物的設計參數，如渠段長度、底寬、設計水位、設計流量，以及模型自身的參數，如水位最大降速、閘門開度步長等；另一類參數是反映供水調度實時狀態(tài)的監(jiān)測數據，如閘前閘后水位、閘門開度、過閘流量等。模型參數從本地模型數據庫中獲取，監(jiān)測數據則利用OPC技術從閘站監(jiān)控系統(tǒng)獲取，同時，生成的控制指令也通過OPCClient發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結構見圖2。

　　3OPC技術在水量調度系統(tǒng)中的應用

　　3.1南水北調中線水量調度規(guī)則

　　水量調度就是根據各用水戶的用水需求，通過改變一系列控制閘門的啟閉狀態(tài)，適時、適量地將水送到用水戶的過程。南水北調中線水量調度以總干渠水力學模擬模型為基礎，采用前饋加反饋的控制策略[16]。根據渠道初始及目標狀態(tài)的流量、水位、渠道水體體積等參數指標，初步制定節(jié)制閘流量變化過程及閘門開度變化過程，稱為前饋控制策略；根據渠道水力響應的實測數據，對過閘流量及閘門開度進行修正，以保證節(jié)制閘流量變化過程與前饋控制策略制定的流量過程一致，稱為反饋控制策略。典型的控制指令生成流程見圖3。

　　3.2基于OPC技術的閘站監(jiān)測數據獲取與控制指令發(fā)送

　　反映渠道輸水控制狀態(tài)的實時監(jiān)測數據是閘門控制指令修正計算的重要依據�？紤]到監(jiān)測數據量大，采集頻率高等特點，水量調度系統(tǒng)只在計算控制指令時才建立與OPCServer端的連接，一旦獲取到數據后即斷開與OPCServer端的連接。同樣，系統(tǒng)在每一個設定的時間間隔都會生成控制指令，但只是在需要調整閘門時才將相應的控制指令發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行。本文采用C#語言開發(fā)OPCClient端應用程序，實現監(jiān)測數據獲取與控制指令發(fā)送。數據獲取與指令發(fā)送的基本步驟如下。

　　3.2.1連接OPCServer

　　OPCServer由閘站監(jiān)控系統(tǒng)提供，負責提供數據源。在OPCClient端建立與OPCServer的連接時，需要提供OPCServer的名稱與IP地址。服務器端的OPCServer可能有多個，在具體實現時，采用OPCServer枚舉算法，根據提供的OPCServer名稱和IP地址，找到指定的OPCServer，使用OPCServer對象提供的Connect方法建立連接。

　　3.2.2創(chuàng)建OPCGroup和添加OPCItem

　　OPCServer作為OPCGroup對象的容器，提供了創(chuàng)建和添加組的方法，使用OPCServer對象提供的CreateSubscription可創(chuàng)建OPCGroup對象。需要注意的是，使用該方法創(chuàng)建的對象，本身已經添加到OPCServer對象中，不需要使用AddGroup方法添加。在創(chuàng)建OPC組對象時，需要設置組對象的更新頻率（UpdateRate）、更新死區(qū)（Deadband）、是否激活（Active）等屬性，這些屬性涉及到數據更新方式，應根據數據訪問的實際需要設置。OPCItem由OPCGroup管理，創(chuàng)建OPCItem時需要指定ItemName、ClientHandle等屬性，其中ItemName必須與OPC服務器端的Item項名稱一致，這樣在客戶端進行請求時，才能獲取服務器端對應的數據項的值。

　　3.2.3異步方式讀取監(jiān)測數據

　　數據訪問是OPCClient端程序實現的一個重要環(huán)節(jié)，鑒于南水北調中線工程干線供水調度實測數據量大，數據種類多，系統(tǒng)采用訂閱的方式，當監(jiān)控設備采集到的數據有變化時，自動觸發(fā)數據變化事件函數，通知客戶端。

　　3.2.4向閘站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令

　　發(fā)送控制指令是OPCClient端向OPCServer端寫入數據的過程。在水量調度系統(tǒng)中，向閘站監(jiān)控系統(tǒng)寫入的開度指令遠比獲取的監(jiān)測數據少，另外，根據南水北調中線水量調度的業(yè)務要求，在每次對閘門進行控制時，應保證閘門控制操作的同時性。因此，在OPCClient端開發(fā)過程中，采用同步寫的方式，利用OPCServer對象提供的Write方法，實現向閘站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令。

　　3.2.5斷開OPCServer

　　OPC的連接資源有限，在使用完成后，需要及時斷開與OPCServer的連接，使用OPCServer對象提供的Disconnect方法可斷開連接并釋放資源。4實例

　　南水北調中線一期工程京石段水量調度系統(tǒng)部署在總調中心，通過控制專網與閘站監(jiān)控系統(tǒng)連接，OPCServer端部署在閘站監(jiān)控系統(tǒng)，負責提供數據源供OPCClient端訪問。OPCClient端應用程序部署在水量調度系統(tǒng)，負責從閘站監(jiān)控系統(tǒng)讀取水位、流量、開度等監(jiān)測數據，保存到內存表，作為控制指令計算的輸入項，生成的指令也是通過OPC發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結構見圖2。

　　南水北調中線一期工程京石段水量調度系統(tǒng)運行總界面見圖4。系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的水量調度操作界面，實現模型參數維護、模型計算軟件集成調用、成果管理、數據查詢與統(tǒng)計等功能�？刂浦噶畎l(fā)送界面見圖5，采用顏色高亮顯示、閃爍等方式突出顯示開度發(fā)生變化的閘門，提醒運行調度操作人員需要執(zhí)行相應的控制指令。

　　京石段自動化調度系統(tǒng)目前尚處于試運行階段，軟硬件設備均處于調試狀態(tài)。系統(tǒng)與OPCServer端采取短連接的方式，即：在每次閘門控制指令計算時進行連接，獲取數據后立即斷開與OPCServer的連接，并釋放資源；在需要發(fā)送控制指令時，建立與OPCServer連接，指令發(fā)送完畢后斷開連接。短連接方式能有效降低閘站監(jiān)控系統(tǒng)OPCServer端軟件運行不穩(wěn)定對水量調度系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　5結語

　　作為南水北調中線工程自動化系統(tǒng)的大腦，水量調度系統(tǒng)負責實現正常調度、應急調度、冰期運行等不同工況下水量調度計劃制定、閘門控制指令生成等功能，是多個專題模型的集成系統(tǒng)。本文介紹了OPC技術的原理與數據訪問規(guī)范，并開發(fā)了OPCClient端應用程序，實現了南水北調中線工程京石段水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的集成。實踐表明，采用OPC技術很好地實現了水量調度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控硬件系統(tǒng)之間的數據通信，而無需了解閘站監(jiān)控數據采集設備底層的細節(jié)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，開發(fā)相對簡單高效，集成成本低。

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