水库管理系统技术领域
本发明涉及闸门控制系统，特别涉及水库管理系统。
背景技术
随着电力系统的不断扩大和水利资源的开发，闸门作为水利枢纽的重要设备，在
防洪抗灾中扮演了重要的角色。目前，大多数水库的水闸开启与关闭仍为人工方式，这种方
式的缺点是人为因素影响大。在突降暴雨时，尤其是洪水爆发前后，依靠人工操作水库水闸
很难做到及时、准确。这不仅影响水库堤坝的安全，而且洪水过后未能及时关闸将减少水库
的蓄水。另外，闸门的控制采用就地控制箱，闸门开度需要人工测量。在闸门的启闭过程中，
操作人员一方面要在现场操作控制箱，另一方面要靠经验预测闸门的开度，难以精确控制。
同时，在管理调度中心不能测量到闸门的准确开度以及上游水位，难以计算泄量，给水库的
调度运行带来困难。在出现非常情况急需泄洪时，调度中心不能实现闸门的远程控制，难以
应付非常情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种水库管理系统，解决了现有技术中的问题，提高了闸门
的控制精度以及自动化程度，同时实现了闸门的远程控制，使得闸门的控制更加灵活方便。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种水库管理系统，包括依次顺序连接的控制台、网络交换机、光纤收发装置和工控
机，所述控制台通过网络通信与工控机进行实时远程数据交换；所述工控机还耦接有水位
计与闸位计，所述水位计安装于闸门的闸身并用于检测闸门的上游水位以输出水位检测信
号至工控机，所述闸位计安装于闸门的顶部以检测闸门的开度情况以输出相应的闸门开度
检测信号至工控机；所述工控机还耦接有受控于工控机以输出相应频率的电源信号的变频
器，所述变频器耦接有响应于电源信号以控制闸门启闭的卷扬机以及安装于闸门框内的限
位开关；
当水位计检测到闸门的上游水位高于最高水位时，所述工控机发送相应数据至控制台
并接受控制台的运行指令，以控制变频器输出相应频率的电源信号至卷扬机，以使卷扬机
控制闸门开启；同时，所述工控机将闸位计检测到的闸门开度数据上传至控制台并接受控
制台的运行指令，以使卷扬机控制闸门的开度；
反之，当水位计检测到闸门的上游水位低于最低水位时，所述工控机发送相应数据至
控制台并接受控制台的运行指令，以控制变频器输出相应频率的电源信号至卷扬机，以使
卷扬机控制闸门关闭。
采用上述方案，水位计能够检测闸门的上游水位并将检测数据传送至工控机，闸
位计能够检测闸门的开度并将检测数据传送给工控机，控制台能够采集工控机运行的实时
数据，从而远程控制闸门的开度，并计算闸门的流量，达到了及时、准确的目的；工控机则接
受控制台的运行指令，采集现场闸门的位置和状态信号、上下游水位信号以及现场各类设
备运行实时参数与状态信号，按给定开度或给定流量实现闸门开度，从而实现了闸门的精
确控制。
作为优选，当水位计检测到的水位值大于最高水位时，所述工控机响应于控制台
的运行指令，以控制变频器输出最大频率，从而控制卷扬机以最高速率正向运行，以提起闸
门，同时控制闸门达到最大开度。
采用上述方案，使得闸门能够在最短的时间内打开，以及时排出水库内多余的水，
将闸门的开口达到最大，能够将闸门的出水量最大化，以提升闸门的排水效率。
作为优选，当水位计所检测到的水位值低于最低水位时，所述工控机响应于控制
台的运行指令，以控制变频器输出相应频率，从而控制卷扬机以相应的速率反向运行，以控
制闸门下降；且所述工控机根据闸门闸位的降低以逐渐减小变频器的输出频率，直至闸位
计检测到的闸门开度为零，所述工控机响应于控制台的控制指令，以控制变频器停止输出
频率信号。
采用上述方案，当水库内的水位达到最低水位时，工控机能够通过变频器控制卷
扬机运行，以及时关闭闸门，从而避免水库内的蓄水减少。
作为优选，所述工控机通过水位计监测水库中的水位上升速率，当水位的上升速
率高于最高限制速率时，所述工控机发送报警信号至控制台，以使控制台进行警示。
作为优选，所述工控机每隔一段时间通过水位计获取一次水库的水位值，以生成
对应的变化曲线，并将该变化曲线记录在存储器中；工控机将相邻时间点的水位值做差，并
将该差值除以读取水位值时的时间间隔，以得到水位变化曲线的斜率；
当工控机检测到某一段时间内的正向曲线斜率持续高于最高限制速率时，所述工控机
将警示信号传送至控制台，以使控制台进行警示。
采用上述方案，在山洪暴发等恶劣环境下，水库内的水位会暴增，通过水位曲线的
斜率能够精确计算出水库内水位上升的速率变化，若正向斜率过高，则说明水库内的水位
上升得过快，此时就有可能暴发了山洪，通过将警示信号传送至控制台，能够使控制台进行
警示，使人能够快速确认水库中的异常情况。
作为优选，所述网络交换机还连接有若干定点分布于闸门附近的摄像头，所述网
络交换机将摄像头所获取的图像信息传送至控制台，所述摄像头与网络交换机之间还连接
有用于存储摄像头图像信息并将该图像信息实时传送给控制台的硬盘录像机。
采用上述方案，通过摄像头能够采集闸门及其附近的图像信息，从而将闸门现场
的图像信息和数据信息在同一操作界面上直观地显示出来，互为印证；完成了在操作界面
上的所见即所得，所得即所见的双重保证；硬盘录像机能够存储摄像头采集的图像信息，以
便控制台进行数据分析，同时能够减小网络交换机对于存储空间的负担。
作为优选，所述网络交换机上还连接有用于存储采集数据的数据服务器，所述数
据服务器设有两个，两个数据服务器之间进行双机热备份，所述数据服务器上还连接有打
印机。
采用上述方案，数据服务器能够用来存储由控制台所采集到的数据信息，通过两
个数据服务器之间的双机热备份，在平时两者能够进行互相备份，共同执行同一服务；当其
中一台服务器停机时，可以由双机中的另一台服务器自动将停机服务器的业务接管，从而
在不需要人工干预的情况下，保证系统能持续提供服务；通过打印机能够将数据信息打印
出来，方便传阅及分析。
作为优选，所述网络交换机上还设有访问接口，所述访问接口上连接有网页控制
端和用于发送无线信号的GPRS模块，所述网页控制端上设有用于控制变频器运行状态的控
制界面；
还包括APP控制端，所述APP控制端用于接收GPRS模块所发出的无线信号并通过该无线
信号控制变频器的运行，所述访问接口与网络交换机之间衔接有防火墙。
采用上述方案，使得能够直接通过网页端或者APP端的控制界面对闸门的开度进
行控制，消除了控制台对场地的约束，使得闸门的控制更加便捷与人性化；防火墙能够保证
网络交换机与外网连接时的安全性。
作为优选，还包括耦接于APP控制端的GPS模块和环设于水库四周的若干检测点，
所述GPS模块用于获取APP控制端的位置，当GPS模块获取到的位置与检测点的位置一致时，
所述APP控制端对该检测点进行标记。
采用上述方案，由于水库需要定期进行巡逻检测，通过在对应的检测点进行标记，
能够有效使巡检人员清楚地了解水库周围的哪些地方已经被检测过，避免发生遗漏。
综上所述，本发明具有以下有益效果：水位计能够检测闸门的上游水位并将检测
数据传送至工控机，闸位计能够检测闸门的开度并将检测数据传送给工控机，控制台能够
采集工控机运行的实时数据，从而远程控制闸门的开度，并计算闸门的流量，达到了及时、
准确的目的；工控机则接受控制台的运行指令，采集现场闸门的位置和状态信号、上下游水
位信号以及现场各类设备运行实时参数与状态信号，按给定开度或给定流量实现闸门开
度，从而实现了闸门的精确控制。
附图说明
图1为本实施例的系统框图一；
图2为本实施例的系统框图二。
图中：1、控制台；2、网络交换机；3、光纤收发装置；4、工控机；5、水位计；6、闸位计；
7、变频器；8、卷扬机；9、限位开关；10、摄像头；11、硬盘录像机；12、指示器；13、手动控制面
板；14、数据服务器；15、打印机；16、访问接口；17、网页控制端；18、GPRS模块；19、APP控制
端；20、防火墙；21、检测点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人
员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本
发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
本实施例公开的一种水库管理系统，如图1所示，包括依次顺序连接的控制台1、网
络交换机2、光纤收发装置3和工控机4，其中控制台1优选为上位机，其是可以直接发出操控
命令的计算机，并且带有显示屏，能够在屏幕上显示各种信号变化，使操作人员的更加清楚
地了解闸门的开度。光纤收发装置3由网络光端机和光纤构成，网络光端机一般有两台，其
中一台与网络交换机2连接，从而能够与网络交换机2之间进行数据传递，另一台设置于现
地控制柜并与工控机4连接，两台网络光端机之间通过光纤连接。使得控制台1能够通过网
络通信与工控机4进行实时远程数据交换。
工控机4还耦接有受控于工控机4以输出相应频率的电源信号的变频器7，变频器7
耦接有响应于电源信号以控制闸门启闭的卷扬机8以及安装于闸门框内的限位开关9，卷扬
机8是用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车，其可以垂直
提升闸门，主要由电机进行控制。变频器7通过改变卷扬机8上电机的工作电源频率，能够控
制电机的运转，从而控制闸门启闭。变频器7上还耦接有用于指示卷扬机8是否处于工作状
态的指示器12，指示器12优选为指示灯，其能在变频器7运行时发光进行提示，使人能够更
加清楚地知道闸门目前正处于动作状态。
工控机4还耦接有水位计5与闸位计6，水位计5安装于闸门的闸身并用于检测闸门
的上游水位以输出水位检测信号至工控机4，且水位计5的数量为两个，并优选采用超声波
水位计5。闸位计6安装于闸门的顶部以检测闸门的开度情况以输出相应的闸门开度检测信
号至工控机4。闸位计6根据从安装在闸门两端的光电闸门开度传感器传来的闸位信号，判
断闸门现在的实际位置与状态，如是否已到达指定位置、左右是否超偏、闸门上/下限位置、
是否正在运行等。工控机4上还耦接有用于实时采集闸门荷重的闸门荷重仪。
网络交换机2还连接有若干定点分布于闸门附近的摄像头10，摄像头10定点分布
于闸门的周围，以实时获取闸门周围的图像信息，网络交换机2将摄像头10所获取的图像信
息传送至控制台1。摄像头10与网络交换机2之间还连接有用于存储摄像头10图像信息并将
该图像信息实时传送给控制台1的硬盘录像机11。
水位计5与闸位计6将测得的相应数据发送至工控机4，控制台1通过网络通信从工
控机4实时采集相关数据，并通过卷扬机8远程控制闸门的开度，同时动态显示闸门的操作
过程，计算闸门的流量。工控机4则接受控制台1的运行指令，采集现场闸门的位置和状态信
号、上下游水位信号以及现场各类设备运行实时参数与状态信号，按给定开度或给定流量
实现闸门开度，从而实现了闸门的精确控制。
当水位计5检测到闸门的上游水位高于最高水位时，工控机4发送相应数据至控制
台1并接受控制台1的运行指令，以控制变频器7输出相应频率的电源信号至卷扬机8，以使
卷扬机8控制闸门开启；同时，工控机4将闸位计6检测到的闸门开度数据上传至控制台1并
接受控制台1的运行指令，以使卷扬机8控制闸门的开度，闸门在开启的过程中，操作人员能
够通过摄像头10远程观察闸门的运行情况，更加清楚及人性化。
反之，当水位计5检测到闸门的上游水位低于最低水位时，工控机4发送相应数据
至控制台1并接受控制台1的运行指令，以控制变频器7输出相应频率的电源信号至卷扬机
8，以使卷扬机8控制闸门关闭，从而避免水库中的蓄水减少。
当水位计5检测到的水位值大于最高水位时，工控机4响应于控制台1的运行指令，
以控制变频器7输出最大频率，从而控制卷扬机8以最高速率正向运行，以快速提起闸门，同
时控制闸门达到最大开度，当闸位计6检测到闸门开度到达最大值时，工控机4能够控制变
频器7停止输出频率信号，以使卷扬机8停止运行，从而使闸门停止运行。
当水位计5所检测到的水位值低于最低水位时，工控机4响应于控制台1的运行指
令，以控制变频器7输出相应频率，从而控制卷扬机8以相应的速率反向运行，以控制闸门下
降，从而关闭闸门。且工控机4根据闸门闸位的降低以逐渐减小变频器7的输出频率，以使卷
扬机8在运行过程中，能够随着闸门闸位的降低而减速运行，从而使闸门在下降的过程中能
够减速，既减小了闸门与水流间的阻力，又能避免闸门因快速下落而导致损坏。直至闸位计
6检测到的闸门开度为零，工控机4响应于控制台1的控制指令，以控制变频器7停止输出频
率信号，从而使卷扬机8停止运行，以使闸门关闭。
工控机4通过水位计5监测水库中的水位上升速率，当水位的上升速率高于最高限
制速率时，工控机4发送报警信号至控制台1，以使控制台1进行警示，从而提醒工作人员水
库水位发生了异常。
工控机4每隔一段时间通过水位计5获取一次水库的水位值，以生成对应的变化曲
线，并将该变化曲线记录在存储器中；工控机4将相邻时间点的水位值做差，并将该差值除
以读取水位值时的时间间隔，以得到水位变化曲线的斜率；当工控机4检测到某一段时间内
的正向曲线斜率持续高于最高限制速率时，工控机4将警示信号传送至控制台1，以使控制
台1进行警示。
具体步骤如下：
步骤一、工控机4在每隔一段相等的时间t后，通过水位计5对水库中的当前水位值进行
记录，依次记录为Q1、Q2、Q3、Q4……Qn、Q（n+1），并将这组数据绘制成水位值随时间变化的
曲线S。
步骤二、将步骤一中的曲线S中相邻的水位值做差，即差值d=Q（n+1）-Qn。
步骤三、将步骤二中的差值d除以时间间隔t，以得到曲线S在单位时间t内的平均
斜率k。
步骤四、将步骤三中的斜率k与标准斜率K进行比较，若在规定的时间段T内，曲线S
中的斜率k持续大于标准斜率K，工控机4网络通信将报警信号传递至控制台1，以使控制台1
进行警示。
变频器7上还耦接有用于手动控制变频器7运行的手动控制面板13，当网络通信出
现故障后，操作人员能够通过手动控制面板13应急控制闸门的启闭，从而保证闸门能够正
常运行，更加人性化。
网络交换机2上还连接有用于存储采集数据的数据服务器14，数据服务器14设有
两个，两个数据服务器14之间进行双机热备份。在平时，两个数据服务器14之间能够进行互
相备份，共同执行同一服务；当其中一台服务器停机时，可以由双机中的另一台服务器自动
将停机服务器的业务接管，从而在不需要人工干预的情况下，保证系统能持续提供服务。
数据服务器14上还连接有打印机15，通过打印机15能够将数据服务器14内的数据
打印出来，方便工作人员进行传阅与分析。
网络交换机2上还设有访问接口16，访问接口16上连接有网页控制端17和用于发
送无线信号的GPRS模块18，网页控制端17与GPRS模块18均能与访问接口16进行实时的数据
交换，网页控制端17上设有用于控制变频器7运行状态的控制界面，该控制界面包括用于控
制闸门启闭的控制按钮以及用于显示摄像头10所拍图像的显示窗。
还包括APP控制端19，其可安装于手机、平板电脑、个人电脑等移动终端内，APP控
制端19通过移动终端接收GPRS模块18所发出的无线信号并通过该无线信号控制变频器7的
运行。
访问接口16与网络交换机2之间衔接有防火墙20，防火墙20能够保证网络交换机2
与外网连接时的安全性。
如图2所示，还包括耦接于APP控制端19的GPS模块和环设于水库四周的若干检测
点21，GPS模块用于获取APP控制端19的位置，APP控制端19用于比较当前位置于检测点21之
间的距离，以此判断人的位置是否已经到达检测点21，当GPS模块获取到的位置与检测点21
的位置一致时，APP控制端19对该检测点21进行标记，并将标记的记号显示于APP控制端19
内置的地图上，以使工作人员能够清楚了解已经巡检过的地点。