一种基于PLC和.NET的水库供水监测系统的制作方法

本发明属于数据采集、供水监测等技术领域，特别涉及到一种基于plc和.net的水库供水监测系统。

背景技术：

水库是整个水利系统中最重要的基础工程，担负着水利发电、调洪蓄水、防洪抗旱以及向工业生产、城市生活、农业灌溉提供用水的重任。国内许多水库始建于早期年代，自动化、信息化程度偏低，部分设备年久失修，又经过多期建设和改造，导致水库整体运行标准和规范发生变化，存在极大的安全隐患。实际水库运行中，也已经发生了由于水击压力过大导致闸阀爆裂的事故，对供水安全造成了不小的影响。因此需要建立完备的自动化监测系统，实时监视水库供水系统的运行情况，对异常情况进行预警，保证水库的安全稳定运行。

目前，对于水库的监测多注重于入库出库流量、水质、库容等方面，也存在相关的监测系统，但此类系统往往忽略了水库供水管线压力及流量信息的监测。然而，对于本身存在一定安全隐患的早期水库供水管线来说，这些信息的监测是极其重要的，直接关系到水库的长期稳定运行。

同时，目前多数的水库监测系统的上位机监测界面均基于组态软件搭建。虽然现在市场上的组态软件种类多样，开发难度较小、周期较短，但是其也存在诸多问题，主要包括：各个公司推出的组态软件都有较大差异，彼此之间以及和各类下位机设备之间的兼容性差；而且软件内各类资源都十分有限，有时很难根据用户的实际需求及特定的应用场合定制不同的显示形式和使用方法；另外在web发布及数据库管理、维护等方面也存在一定的局限性。使用.net环境下的wpf用户界面框架开发上位机监测系统，则可以弥补以上的不足。wpf属于.netframework3.0的一部分，它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作，界面设计使用xaml语言，后台逻辑开发使用c#语言；同时提供了全新的多媒体交互用户图形界面，具有灵活的前台界面与后台逻辑的数据交互，并且可以展示更加精美的前台多媒体动画；在web发布及数据库管理方面也便捷可靠。

综上所述，针对国内经历多期建设的早期水库存在的安全隐患，以及现有水库监测系统的不足，需要结合早期水库的特点设计并搭建完备的水库供水管线监测系统，实时监视水库的运行情况，以保证水库的长期安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明针对水库由于多期建设、部分设备年久失修而存在的安全隐患，以及现有监测系统存在的不足，提出一种基于plc和.net的水库供水监测系统，该供水监测系统通过安装压力传感器和流量传感器实时监测供水管线的压力及流量数据；通过plc采集传感器的测量数据，并保存在共享数据块的相应字段中；通过建立上位机与plc之间的数据通信，在上位机中实时读取plc中保存的压力及流量传感器的测量数据，配置或读取plc与各传感器的通信参数，实时监视plc及各传感器的运行状态；通过在.net平台搭建供水系统全线运行实时监视模块和报警控制模块，实时监视水库供水系统管线的整体运行情况及瞬时压力、流量数值，通过配置各传感器数值报警上下限及变化率报警上下限，用于对异常情况进行报警，预留应对时间，避免严重事故的发生。

为达到上述目的，该发明的技术方案为：

一种基于plc和.net的水库供水监测系统，主要包括.net上位机监测系统、plc控制柜、管线信息测量系统。所述的管线信息测量系统用于测量管线的压力及流量信息，并将所测数据传回plc控制柜；所述的plc控制柜用于采集管线信息测量系统的测量数据供上位机监测系统读取使用，实时展示plc及各传感器设备的工作状态，并可以对部分传感器进行参数配置。所述的.net上位机监测系统用于远程实时监测水库供水系统的运行状态以及各管线的压力、流量数据及变化趋势，对异常情况进行预警；所述的.net上位机监测系统使用.net环境下的wpf框架进行开发。

所述的管线信息测量系统包括管线压力测量系统、管道流量测量系统、明渠流量测量系统。

所述的管线压力测量系统包括压力变送器和通信线缆，用于实时测量管线的瞬时压力数值，并以4～20ma模拟量信号的形式传回所测数据；所述的压力变送器分别安装在管线的垂直支管上，用来测量管线的瞬时压力数值，并将瞬时压力数值转换为模拟量信号；所述的通信线缆通过线缆槽与与plc控制柜中的模拟量输入模块连接。

所述的管道流量测量系统包括一对超声波探头、主机和通信线缆。所述的超声波探头安装在管线外壁上；所述的主机用于接收超声波探头测得的信号，计算管线内的瞬时流量和累计流量，通过lcd显示屏和按钮现地观察测量数值以及对测量参数和通讯参数进行配置；所述的通信线缆选择2*1.0的屏蔽信号线，用于传输4～20ma的模拟量信号，通过线缆槽与plc控制柜的模拟量输入模块相连接。

所述的明渠流量测量系统包括超声波多普勒探头、主机、支撑钢架、白钢防护罩、白钢防雨主机柜和通信线缆。所述的超声波多普勒探头通过多普勒原理进行流量测量，并将测量信息通过线缆传回主机；所述主机用于接收超声波多普勒探头返回的测量信号，计算明渠渠道内的瞬时流量和累计流量，通过lcd显示屏和按钮现地观察测量数值以及对测量参数和通信参数进行配置；所述支撑钢架用于将超声波多普勒探头固定在渠道底部位置，保证探头及信号线的稳固；所述白钢防护罩用于在支撑钢架外侧形成一道防护设施，通过添加防护锁，防止不相关人员利用支撑钢架所开空洞进行不正当行为，也便于明渠设备管理维护；所述白钢防雨主机柜用于放置主机，内部配置交流220v转直流12v的变压模块，用于给主机供电，柜体使用白钢材质，并刷防雨漆，保证明渠流量传感器主机的安全可靠运行；所述的通信线缆选择2*1.5的屏蔽信号线，与plc控制柜中的串口通信模块连接，进行基于modbus协议的数据通信。

所述的plc控制柜包括plc模块、输入输出信号接线端子和触摸屏hmi。所述的plc模块包括电源模块、cpu模块、模拟量输入模块、串口通信模块。

所述的电源模块用于为plc其他模块提供24vdc电源；；所述的模拟量输入模块用于采集管线压力测量系统、管道流量测量系统的数据，其中4路(4台管道压力传感器)为两线制仪表信号采集方式，在采集模拟量信号的同时为仪表提供24vdc供电，其余4路为四线制仪表信号采集方式，所有负端与模块地进行连接；所述的串口通信模块用于对明渠流量测量系统进行数据采集和相关参数写入，串口通信模块作为modbusmaster用于对2台modbusslave进行modbusrtu多站点轮询，调用发送查询命令功能与接收返回数据功能，用于对两台明渠流量设备进行数据采集和相关参数写入；所述的模拟量输入模块和串口通信模块采集的数据，传输给cpu模块，cpu模块通过以太网接口和网线与上位机进行数据通信，用于上传采集到的传感器数据。

所述触摸屏hmi模块用于展示plc工作状态、各传感器工作状态以及plc与各传感器间的通信状态，展示传感器测量真值(未经过上位机清洗、转换的数值)，进行plc采集传感器数值的参数配置，展示系统的整体流程图。

所述的.net上位机监测系统包括供水系统全线运行实时监视模块、报警控制模块、数据采集及分析处理模块。所述的报警控制模块用于对异常情况进行预警，保证水库的安全稳定运行；所述的数据采集及分析处理用于读取plc模块中的数据，并对读取的数据进行分析处理，分析处理的结果通过全线运行实时监视模块显示。

所述的供水系统全线运行实时监视模块包括模拟供水系统状态展示界面、传感器基本信息展示界面、传感器数值修正界面。

所述的供水系统状态展示界面根据水库实际的管线走向、闸阀位置以及传感器安装位置进行搭建的，通过绘制管道图形以及添加闸阀及传感器图素搭建起模拟水库供水系统，展示水库供水系统运行状态；进一步的，通过文字标签标示各闸阀名称，通过红色闸阀图素标示打开状态，绿色闸阀图素标示关闭状态；进一步的，在绘制的管道图形中添加滑块，通过添加对应于不同水流状态的storyboard(故事板)动画，来展示不同工况下各管道中的水流状态，所述的水流状态包括流水、充水、放水、静态满水、静态有水、空六种状态，分别由管道图形中的蓝色滑块滑动、浅绿色滑块闪动、浅红色滑块闪动、蓝色滑块静止、浅绿色滑块静止、无滑块六种动画来展示；进一步的，通过递归逻辑判断，在发生打开或关闭闸阀操作时，系统会根据实际情况展示相应的水流动画；进一步的，通过添加数值标签，将文本属性与后台采集到的传感器数值进行数据绑定，用于实时更新显示各传感器的测量数值。

所述的传感器基本信息展示界面用于展示各传感器的数值状态、工作状态、瞬时数值、数值变化趋势曲线。具体地，通过两个指示灯指示数值是否正常、工作状态是否正常；通过文本标签展示传感器的当前数值以及数据传输类型；通过趋势曲线控件展示传感器测量数值的变化趋势；通过按钮控制当前传感器数据传输的启用和禁用；通过按钮配置或禁用传感器的数值修正。

所述的传感器数值修正界面用于对传感器测量数值进行线性修正，应对传感器由于零点飘移、工作环境变化等原因产生的偏移量误差。具体地，通过文本标签指示当前进行数值修正的传感器编号；通过文本标签显示修正前后的数值，同时通过文本输入框输入数值修正的两个参数；通过按钮可以将数值修正应用到系统中；应用修正后，通过趋势曲线控件实时观察数值修正前后的数值变化趋势。

所述的报警控制模块用于对异常情况进行预警，保证水库的安全稳定运行，为异常情况发生时预留更多的应对时间。通过收集水库各供水管线基本信息，建立水力学过渡模型，计算各管线在各种工况下的正常压力及流量范围，以及处于过渡过程各压力、流量传感器的变化率范围，将以上范围设置为报警的上下限值以及变化率报警限值，应对突发性事故的发生。配置相关报警参数后，监测系统会对采集上来的各传感器数值队列进行判断和分析，如果超出正常范围，则会触发语音报警，并弹出报警窗口显示相关警报信息，保证水库监管人员及时处理异常。

所述的数据采集及分析处理模块用于读取plc数据块及寄存器中的传感器数值并对读取的数值队列进行分析处理。包括plc数据读取、数据分析处理、数据采集参数配置界面。所述的数据采集参数配置界面用于配置plc数据读取的参数，plc数据读取读取plc模块中的数据，数据分析处理对读取的参数和数据进行处理和趋势分析，对趋势进行判断得出供水系统的运行状态，得到的运行状态通过模拟供水系统状态展示界面进行展示。

所述的plc数据读取是在.net中引用plc厂家提供的动态链接库，使用其中相应的数据通信函数建立上位机监测系统与plc之间的数据通信。

所述的数据分析处理是在读取一条数据后，监测系统先对数据进行限幅滤波、线性回归等分析处理，经过数值分析可以确定水库工况，进而确定相关闸阀的开闭状态，如有开闭状态变化则在前台进行动画展示，确定工况后，按照设定的时间间隔，将处理后的数据用于显示和存储。

所述的数据采集参数配置界面用于对各传感器数据采集的参数进行配置。具体地，通过下拉列表框可以选择要进行参数查看或配置的传感器；选择传感器后，通过下拉列表框可以对采集频率、存储频率、数值队列长度、限幅上限、限幅下限、波动上限进行查看或设置；通过按钮可以将修改应用到系统中，应用后，系统会在下一个采集周期按新参数执行数据采集操作。

本发明针对国内部分水库由于多期建设改造、部分设备年久失修而存在的安全隐患，以及现有水库供水监测系统存在的不足，提出一种基于plc和.net的水库供水监测系统，通过管线信息测量系统、plc控制柜、.net上位机监测系统，远程监视水库各供水管线的压力及流量信息，进而反映水库供水系统的运行状态，有助于提高水库管理人员对水库供水系统的监管力度；对异常情况进行预警，有助于水库管理人员提早处理异常，保证水库长期安全、稳定运行；解决了水库监管工作效率低、信息化程度低、事故发生应对缓慢等问题。

附图说明

图1所示为基于plc和.net的水库供水监测系统整体结构示意图；

图2所示为管线信息测量系统结构示意图；

图3所示为plc控制柜结构示意图；

图4所示为plc采集传感器数据流程图；

图5所示为.net上位机监测系统结构示意图；

图6所示为数据采集及分析处理模块流程图；

图中：1.net上位机监测系统；1-1全线运行实时监视模块；1-2报警控制模块；1-3数据采集及分析处理模块；1-1-1模拟供水系统状态展示界面；1-1-2传感器基本信息展示界面；1-1-3传感器数值修正界面；1-3-1plc数据读取；1-3-2数据分析处理；1-3-3数据采集参数配置界面；

2plc控制柜；2-1plc模块；2-2输入输出信号接线端子；2-3触摸屏hmi；2-1-1电源模块；2-1-2cpu模块；2-1-3模拟量输入模块；2-1-4串口通信模块。

3管线信息测量系统；3-1管线压力测量系统；3-2管道流量测量系统；3-3明渠流量测量系统；3-1-1压力变送器；3-1-2通信线缆；3-2-1超声波探头；主机3-2-2；3-2-3通信线缆；3-3-1超声波多普勒探头；3-3-2主机；3-3-3支撑钢架；3-3-4白钢防护罩；3-3-5白钢防雨主机柜；3-3-6通信线缆。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

图1所示为基于plc和.net的水库供水监测系统整体结构示意图，本发明提出一种基于plc和.net的水库供水监测系统，包括：.net上位机监测系统1、plc控制柜2、管线信息测量系统3。

图2所示为管线信息测量系统结构示意图，所述的管线信息测量系统3包括：管线压力测量系统3-1、管道流量测量系统3-2、明渠流量测量系统3-3。

所述的管线压力测量系统3-1包括压力变送器3-1-1和通信线缆3-1-2，其中压力变送器3-1-1安装在直管段的竖直支管上，支管具有一定高度，需要对压力设备测量数值进行压力补偿；通过变送器的显示屏可以在现地观察压力数值并设置相关的采集参数和通信参数；所选压力变送器3-1-1为两线制仪表，通过一根2*1.0的屏蔽通信电缆与plc的模拟量输入模块相连；当压力变送器3-1-1可以正常测量压力数值时则输出4～20ma的电流模拟量信号，代表0压力至测量范围上限的压力数值，如果出现测量异常(如未接触水面)，则输出小于4ma的电流值，利用这一特性，通过在plc中设置相应标志位，可以实时监视压力测量设备的工作状态。

所述的管道流量测量系统3-2包括超声波探头3-2-1、主机3-2-2、通信线缆3-2-3。其中超声波探头3-2-1使用捆绑的方式贴合在管道的管壁上，需要保证两个探头之间能够进行可靠的声波发射和接收，通过试验的方法选择出最佳的安装位置，另外在探头与管壁的接触面上添加了耦合剂，用于提高声波信号发射与接收的稳定性，2个探头通过信号线与流量测量系统的主机相连；主机3-2-2为四线制仪表，需要为其提供220vac外部供电，正常测量流量时输出信号为4～20ma的电流模拟量，代表0流量至测量范围上限的流量数值，通过一根2*1.0的屏蔽信号电缆与plc的模拟量输入模块相连；如果出现测量异常(如管道内未充满水)，则输出小于4ma的电流值，利用这一特性，通过在plc中设置相应标志位，可以实时监视流量测量设备的工作状态。

所述的明渠流量测量系统3-3包括超声波多普勒探头3-3-1、主机3-3-2、支撑钢架3-3-3、白钢防护罩3-3-4、白钢防雨主机柜3-3-5、通信线缆3-3-6。使用水磨钻在明渠渠道顶部开直径为300mm的孔，通过支撑钢架3-3-3将超声波多普勒探头3-3-1下放并固定在渠道底部，保证下方完全支撑在渠道底部，上方使用膨胀螺丝、钢板等与渠道顶部相固定，其中钢架的支撑脚部分使得探头没有完全接触渠道底，在进行测量时，此部分高度需要进行补偿；探头通过一根电缆线与主机柜中的主机相连接，用于获得12vdc供电并向主机传输测量数据供主机计算处理；主机3-3-2需要外部提供的12vdc电源供电，通过主机柜3-3-5内的220vac转12vdc变压模块提供；主机3-3-2上配备了显示屏和按钮，用于现地观察测量的明渠流量瞬时值及累计值，以及对测量参数及通信参数进行配置；本实施例中使用modbus查询方式的通信模式，即流量测量系统主机作为modbus从站，等待作为modbus主站的plc串口通信模块发出查询命令，接收到正确的指令时，则向rs485总线中发送应答数据帧供plc端接收；当测量出现异常时，则向modbus主站传送包含错误代码的数据帧，利用这一特性，通过在plc中监听相应的数据块字段，用于实时监视明渠流量测量系统的工作状态；进一步的，通信线缆3-3-6使用2*1.5的屏蔽通信电缆，通过镀锌铁管(刷防锈漆)、线缆架、线缆槽与plc的串口通信模块相连接，用于传输rs485信号，进行基于modbus协议的数据通信。

图3所示为plc控制柜结构示意图，所述的plc控制柜2包括：plc模块2-1、输入输出信号接线端子2-2、触摸屏hmi2-3，其中所述的plc模块2-1包括：电源模块2-1-1、cpu模块2-1-2、模拟量输入模块2-1-3、串口通信模块2-1-4。

图4所示为plc采集传感器数据流程图，分别要采集8路4～20ma模拟量信号并对2台modbus从站做modbusrtu轮询。步骤s400开始采集传感器数值；首先进行步骤s401，启动cpu；进行步骤s402，通过piw寻址方式采集8路4～20ma模拟量信号，并通过调用fc105功能将此数值转换为压力数值，存放在寄存器中；然后进行步骤s403，判断发送功能块触发位m0.0是否为1，如果不为1，则进行步骤s404，将指令计数器mw2加1；然后进行步骤s405，判断指令计数器是否超出设定范围，如果在正常范围内，则进行步骤s407，构造modbus查询指令以及接收功能块参数，如果超出范围则进行步骤s406，将指令计数器mw2赋初值为1，然后进行步骤s407；构造发送指令后，则进行步骤s408，调用发送功能块fb8，在步骤s403中如果m0.0为1，则直接进行此步骤；然后进行步骤s409，如果m0.0为1则启动间隔定时器t1；然后进行步骤s410，如果m0.0为0则将其置位；然后进行步骤s411，如果t1定时到或者发送错误则将m0.0复位；然后进行步骤s412，调用接收功能块fb7；步骤s413结束本次的传感器数据采集，继续按照ob1的扫描时间进行循环采集。

图5所示为.net上位机监测系统结构示意图，所述的.net上位机监测系统1包括：全线运行实时监视模块1-1、报警控制模块1-2、数据采集及分析处理1-3。其中，所述的全线运行实时监视模块1-1包括：模拟供水系统状态展示界面1-1-1、传感器基本信息展示界面1-1-2、传感器数值修正界面1-1-3。所述的数据采集及分析处理1-3包括：plc数据读取1-3-1、数据分析处理1-3-2、数据采集参数配置界面1-3-3。

图6所示为数据采集及分析处理模块流程图，步骤s600开始数据采集及分析处理；首先进行步骤s601，读取一条plc中的传感器数据；然后进行步骤s602，对读取数据进行限幅滤波，判断是否超出设定的限幅上下限或波动上限，如果超出正常范围，则剔除该条脏数据，重新进行步骤s601，如果为正常数据，则进行步骤s604，将该条数据放入队列；然后进行步骤s605，判断数值队列长度是否到达设定值，如果没有到达设定长度，则进行步骤s606，计算队列中数据的平均值赋给传感器数值变量用于显示和存储，然后进行s601，读取下一条数据；如果在步骤s605中数值队列长度到达设定值，则进行步骤s607，出队一条数据，保持队列中数据数量；然后进行步骤s608，将数值队列中的数据构造成点坐标数组，然后使用最小二乘法进行线性回归，计算数值队列的斜率；然后进行步骤s609，根据斜率数值判断水库供水系统当前是否处于稳定状态，若判断为过渡状态，进行步骤s611，每次出队的数据均更新传感器数值变量，并进行显示和存储，属于密集存储的模式，如果判断为稳定状态，则进行步骤s610，判断过渡过程是否完全结束，如果没有完全结束，则仍就执行步骤s611；如果过渡过程完全结束，系统已经进入稳定状态，则执行步骤s612，对数值队列进行滑动加权平均滤波，保证越新的数据具有越大的权值；然后进行步骤s613，使用滤波后的数据更新传感器数值变量，进行稀疏存储；步骤s614结束本次传感器数据采集及分析处理，根据采集间隔准备进行下一次的数据采集及分析处理。

运行上位机监测系统并登录后，即进入供水系统状态展示界面，在该界面中，直观地显示各闸阀的开闭状态以及各管道的水流状态，其中闸阀的开闭状态由传感器所测数据进行反推得出，管道的水流状态则通过后台递归逻辑判断得出，所述的水流状态包括流水、充水、放水、静态满水、静态有水、空六种状态，分别由管道图形中的蓝色滑块滑动、浅绿色滑块闪动、浅红色滑块闪动、蓝色滑块静止、浅绿色滑块静止、无滑块六种动画来展示；在该界面，还直接在传感器数值显示标签中展示各传感器测量数值，有助于水库管理人员高效、准确地了解水库供水系统各管段的运行情况；另外。通过带滚动条文本框实时展示系统启动后进行的闸阀操作。

点击相应的传感器图标即进入传感器基本信息界面，两个指示灯实时监视传感器的数值状态及运行状态，当数值超出正常范围或者波动超出变化率限值，则数值状态指示灯会变为红色，并伴随语音报警；当运行状态异常，则运行状态指示灯则会变为红色。通过文本框实时刷新显示传感器当前测量数值，此数值精度高于全线运行监视画面中的传感器数值标签显示数值；通过动态实时趋势曲线展示当前传感器近20秒的数值变化趋势，有助于水库监管人员分析传感器所在管线运行状态；通过两个按钮控制是否启用当前传感器的数据传输，如果选择禁用，则停止对此传感器的数据采集和数值显示更新；通过另外两个按钮控制配置或禁用传感器数值修正，通过点击配置数值修正按钮，则可进入传感器数值修正界面。

通过点击传感器数值修正按钮即可进入传感器数值修正界面，当某一传感器由于零点漂移、参数补偿等原因出现线性偏移或误差时，对传感器进行故障排查和维修是很复杂的，并且浪费人力物力，通过监测系统的传感器数值修正功能可以对传感器的测量数值进行线性修正。在传感器数值修正界面，通过下拉列表框选择要进行数值修正的传感器；通过文本标签显示修正前后的数值，同时通过文本输入框输入数值修正的两个参数；通过“应用”按钮将数值修正应用到系统后，通过趋势曲线控件能够实时观察数值修正前后的数值变化趋势。

通过传感器数据采集参数配置界面可进行各传感器数据采集参数的设定，系统启动运行时会赋给每一个传感器一个初始参数，如果操作人员不进行修改，系统则按初始化参数对各传感器进行数据采集，如需修改采集参数，则在此界面进行操作。首先需要通过下拉列表选择要进行采集参数配置的传感器编号；再根据下方出现的各行参数项进行合适的修改，主要可以进行配置参数包括：采集频率、存储频率、限幅上限、限幅下限、波动上限，用户可以通过下拉列表框选择合适的参数修改，点击“应用”或者“确定”，新参数会被保存到系统中，接下来的数据采集会按照新保存的参数进行。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并未用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。