地下水供水水源井远程监控技术应用研究综述

收稿日期：2015-03-16作者简介：郭江（1965-），男，教授级高级工程师，从事水电站基础自动化的研究和技术推广工作，承担水利行业和电力行业的标准和规程的编写工作。地下水供水水源井远程监控技术应用研究综述郭江，秦继伟（天津水利电力机电研究所，天津301900）摘要：采用自动化控制、通信及计算机网络等高新科技手段，对地下水供水水源井进行数据采集、传输，实现水资源综合调度管理。远程监控系统由主控层、网络层及现地控制层组成，应用基于高速长距离光纤网络、SCADA数字电台网络、光纤网络和GPRS无线网络及现地智能终端等设备，具有信息传输量大、抗电磁干扰、传输频带宽、抗辐射性强等特点，具备控制、调节、监视与事故报警、数据通信、数据采集处理及图像监视等功能。关键词：水源井远程监控高速长距离光纤网络；SCADA数字电台网络；GPRS无线网络中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1672-5387（2015）06-0023-05DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.007第38卷第6期水电站机电技术Vol.38No.62015年06月Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStationJun.20151引言水资源短缺和水污染问题以及因超采水资源引发的生态环境问题日益显著，如何合理有效配置水资源、强化水资源安全管理及抓好节水工作成为当今社会发展的一个刻不容缓的重大命题。水源井是重要的供水基础设施，水源井地下水监测信息、地下水综合调配及合理利用对于工农业生产、城市供水及生态环境保护等都具有重要作用。通过水利信息化建设，加强水资源实时监控能力，实现水源井地下水水量、水位、水质及井泵参数、周围物理环境的远程监测，为地下水规划管理、水资源优化配置调度、工情管理工作奠定基础。水源井远程监控技术集现代通信技术、数据信号采集技术及计算机网络技术，通过Internet/In-tranet网络，对远端进行监视、监测和控制[1]。将视频光端机、SCADA电台、可编程智能终端等设备无缝集成，对水源井泵组、微机保护装置、高低压配电系统、直流系统以及泵站等重要部位与关键对象实现有效监控，对地下水水量、水位、水质等必要的数据、图像、指令进行上传、接收与处理，对视频光端机、SCADA电台、可编程智能终端设备的运行参数进行远程修改，以实现整个监控系统运行方式的改变，达到远程维护和现场无人值班（或少人值守）的目的。2发展现状及趋势2.1发展现状1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的50多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Testbed。Testbed用嵌入式Web组网、用实时JAVA和BayesianNet初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。另外，还有许多国际组织，如MIMOSA、SMFPT、COMADEM等，也纷纷通过网络进行监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在产品中加入了Internet功能，如Bently的计算机在线设备运行监测系统DataManager2000，它可以通过网络动态数据交换（NetDDE）的方式向远程终端发送设备运行状态信息。著名的NationalInstru-23ments公司也在产品LabWindows／CVI以及LabVIEW中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过、FTP、Email方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。随着嵌入式系统的广泛应用，在我国远程监控技术领域，将嵌入式设备接入Internet已经成为一种必然，而通过Web方式对嵌入式设备进行远程监控，则是最自然和最切实可行的选择，基于嵌入式Web技术的监控系统是工业现场实现网络控制的最新发展趋势，嵌入式Web技术改变了以往监控系统体系结构，满足了现代监控系统的可扩展性、分布式等要求[4]。近年来，国内越来越多的设备制造商在其产品中加入了远程监控功能，以提高其产品的竞争力，并且可以使设备使用者更好地了解设备运行状况，统一监督管理，从而提高生产效率。2.2发展趋势目前运行的多数分布式测控系统通常以局域网为基础,测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性，尤其是当被监控部分所处环境恶劣、现场噪音干扰大、工作人员不宜停留的工作场所，运行维护工作就显得尤为困难。因此，无论是在水源井的管理还是其他工业生产中，远程监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。在水源井的管理中，远程监控技术可以实现水源井现场运行数据的实时采集和快速获得，为远程故障诊断技术提供物质基础。通过远程监控技术，运管和技术人员无须亲临现场就可以监控设备的运行状态及各种参数，维护现场设备的正常运行，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人值班（或少人值守）[5]。远程监控技术除了在地下水水源管理中广泛应用外，跨地域发展的企业集团，利用网络技术实现远程监控，对降低生产成本，提高劳动生产率，增强企业的综合竞争实力等都具有十分重要的意义。3基于高速长距离光纤网络的水源井远程监控技术光纤通信是现代通信技术中最为重要的技术之一，信息高速公路就是由光导纤维铺设而成的。其突出优势是：①通信容量大、传输距离远；②信号串扰小、保密性能好；③抗电磁干扰、传输质量佳；④光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输；⑤无化学腐蚀，使用寿命长；⑥无辐射，难于窃听。3.1光纤通信原理光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息。光纤通信中的光波主要是激光，激光具有高方向性、高相干性、高单色性等优点，所以又叫激光-光纤通信。光纤通信是在发送端把要传送的信息(如数据、话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端检测器收到光信号后再把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。数字光纤通信系统由光发射机、光纤与光接收机组成。发送端的电发射机把信息进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制光发射机中的光源器件（LED），LED就会发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端的光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电接收机，而电接收机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。其通信过程如图1所示：3.2应用研究（1）通信差错控制技术为降低误码率，引入前向纠错（FEC）编码技术。（2）通信可靠性控制技术引入校验数据包机制，通过在系统设备可编程智能终端同监控中心服务器之间定时发送校验数据包，使校验数据包往返于监控中心服务器和可编程终端之间，来检测系统设备间的通信是否保持畅通。（3）波分复用技术（WDM）所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输来扩大通信容量。（4）相干光通信技术①可以增大光纤的传输容量，②提高光接收机的灵敏度（可提高10～20dB）。相干光通信技术的图1通信过程水电站机电技术第38卷24关键是光源器件、光波的匹配，此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。（5）智能终端同光端机通信设计智能终端和监控中心服务器之间的通信完全由光端机来实现。通过智能终端网络控制芯片同光端机间的通信设计，来完成监控中心的各种功能。3.3应用实例2011年7月，二连浩特市第二水源地供水工程成功应用了基于高速长距离光纤网络的水源井远程监控系统，对水源地水源井及泵站等重要部位与关键对象、参数，实现了有效监控和监测，并做到必要的数据、视频图像、指令的上传和接收与处理等。经现场运行证明，该监控系统设计新颖、工作可靠且管理方式灵活高效，同时，对于其他需要实现远程监控的行业，该系统也具有一定的借鉴参考价值。4基于SCADA数字电台无线网络的水库泵站远程监控技术无线通讯作为一种重要的通讯手段，已越来越多地应用到各个领域。无线电台具有维护方便、绕射能力强，组网结构灵活、覆盖范围远等特点，适合点多而分散，地理环境复杂等场合，在很多领域有广泛的应用。SCADA数字电台运行在25kHz信道，25kHz信道间隔空中数据传输速率为19200b/s，收发转换时间在10ms内，可完全满足用户数据的传输和响应速度的要求，并且在山区、戈壁等无线信号不能覆盖的地区，可采用SCADA数字电台进行通讯，采用数字电台通过电磁波进行通讯，也不用支付费用，运行成本低。SCADA数字电台传输距离在50km以上（开阔无阻挡），可在全双工、半双工、单工方式下工作，收发同频或异频。电台自带系统网管软件，能实现空中远程设置电台参数，如发射功率、发射频率等，也可以实现空中远程监测系统内其他电台工作状态，如工作电压、工作电流、接受信号强度、信噪比、误码率、状态告警等。4.1SCADA数字电台通讯原理SCADA数字电台作为系统通讯的核心设备，是将信号变成相应频段的电磁波信号进行传输，电台采用3个不同的通信频率：0、1和2。其中，0专门用于信道访问；1用于群内通信；而2用于群首之间的通信。在MAC层，采用改进型CSMA/CD算法。发送数据的结点先向接收结点发送请求信号RTS，等待收端响应。收端如果在这时没有接收数据，也没有收到其他结点的发送请求，就向请求结点发送CTS信号。发端收到CTS后就开始发送数据。数据发送完成后，收方要回送ACK信号。整个数据发送过程通常被称为RTS/CTS/DATA/ACK过程。4.2应用研究（1）TCP/IP协议栈应用基于TCP/IP协议栈的高速数字电台系统是一种新型的无线通信设备，是无线通信领域的生力军，它不仅是一个无线信道传输设备，更是一个复杂的路由设备，具有强大的互联功能。本系统将这种技术成功的应用在了盘山红旗水库泵站远程监控系统内，系统通讯速度快、效率高、稳定可靠。（2）网络协议选择高速数字电台传输网络采用了IPS网络协议族实现整个电台网络的互联。采用IPS协议族，系统能自动建立起半自治的多个群首，形成小型的、按地理取向的组群或小区，组群之间的通信使用OSPF路由协议。组群的拓扑信息不向外传播，其他的群也不会收到。通过采用这种机制，实现电台网络的高速互联，而且使系统内数据的传输更为安全。（3）网络的抗干扰措施为提高信道访问效率，减少通信中的干扰，电台通讯系统采用3个不同的通信频率：0、1和2。，0专门用于信道访问；1用于群内通信；2用于群首之间的通信。由于各个通信频率各负其责，不互相影响，因而采用这种机制来保证数据传输的完整性。（4）OPC技术应用OPC技术是把硬件供应商和软件供应商分离开来，提供了从设备和数据库等数据源获得数据和用一种标准的方法与任何客户通信的机制。通过OPC机制可以使软件开发者从不得不考虑不同厂商的繁杂的硬件细节中解放出来，大大提高了工作效率。解决了不同厂家生产的设备之间不能通信的问题。（5）短信报警模块功能设计作为现代无线远程通讯技术的代表之一GSM已经发展的十分成熟，随着手机用户的普及，GSM网络的覆盖范围越来越广，因此，基于GSM网络无线远程监控成为一种廉价、便捷的方式，受到人们的青睐，盘山红旗水库泵站远程监控系统采用宏电郭江，等：地下水供水水源井远程监控技术应用研究综述第6期25GPRS短信报警模块，通过GSM网络作为传输介质，将水库越限报警信息传输至接收人员。4.3应用实例2011年4月，辽宁盘山县红旗水库监控工程成功应用了基于SCADA数字电