馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)淺析

成占五

（廣東省陽(yáng)江市機(jī)電排灌管理總站 廣東 陽(yáng)江 529500）

1 工程概述

馬南泵站是陽(yáng)江市首宗微機(jī)控制城市防洪泵站，由泵站、水閘兩部份組成。泵站設(shè)計(jì)排水流量為 38.08m3/s，共有 5臺(tái)QZD100-125型10kV高壓潛水軸流泵機(jī)組，配套電機(jī)功率450kW/臺(tái)，裝機(jī)總?cè)萘?250kW。

泵站設(shè)置監(jiān)控中心，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制泵站的運(yùn)行情況。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以“無(wú)人值班，少人值守”的監(jiān)控模式設(shè)計(jì)，采用分層分布式開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分站級(jí)主控層和現(xiàn)地控制層，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。

2 泵站運(yùn)行控制方式

馬南泵站有三種運(yùn)行控制方式：

⑴中控室計(jì)算機(jī)控制：在中控室計(jì)算機(jī)主機(jī)上對(duì)接入本系統(tǒng)的水泵及電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，操作過(guò)程有事先提示。

⑵LCU柜觸摸屏控制：在設(shè)備投運(yùn)初期、機(jī)組檢修期及中控室主機(jī)發(fā)生故障的情況下，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行控制。

⑶設(shè)備手動(dòng)按扭控制系統(tǒng)：在PLC發(fā)生故障時(shí)，由不依賴(lài)PLC的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制與計(jì)算機(jī)控制相互閉鎖，并在現(xiàn)場(chǎng)切換。現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，控制信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備上反映并反饋至中控室主機(jī)。

機(jī)組高壓開(kāi)關(guān)柜上設(shè)置了控制權(quán)切換開(kāi)關(guān)，切換開(kāi)關(guān)切至“PLC”，計(jì)算機(jī)實(shí)施控制命令；切至“現(xiàn)地”時(shí)，通過(guò)機(jī)組高壓開(kāi)關(guān)柜上的按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)施控制。切至“遠(yuǎn)方”時(shí)，可由機(jī)組控制箱直接啟動(dòng)機(jī)組。系統(tǒng)采取兩級(jí)控制，機(jī)旁箱、機(jī)組高壓開(kāi)關(guān)柜直接啟動(dòng)，為第一級(jí)，控制權(quán)限最高；中控室操作員站和LCU柜控制權(quán)限次之，按控制層次實(shí)現(xiàn)閉鎖。

3 馬南泵站監(jiān)控系統(tǒng)組成與配置

馬南泵站監(jiān)控系統(tǒng)所選用的上位機(jī)采用WEBAccess監(jiān)控軟件，下位機(jī)PLC選用的歐姆龍PLC是一種功能完善緊湊型可編程控制器。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)為分層分布式集散型系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有操作員站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制單元等組成（見(jiàn)圖1）。

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層共設(shè)四個(gè)現(xiàn)地LCU柜，布置于中控室。在四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端上均設(shè)有彩色觸摸屏，用于顯示測(cè)控參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備。各微機(jī)保護(hù)控制單元分散布置在各自設(shè)備內(nèi)，通過(guò)四芯多模光纖連接至LCU。

中控室設(shè)二臺(tái)計(jì)算機(jī)為測(cè)控管理主機(jī)，互為熱備，中控室主機(jī)定時(shí)巡檢四臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)PLC（安裝于LCU柜上）測(cè)控終端采集的數(shù)據(jù)，對(duì)各工藝參數(shù)和動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析、統(tǒng)計(jì)、事故報(bào)警和打印、存儲(chǔ)等。并能通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)全站的設(shè)備進(jìn)行集中控制。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選用冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，速率10Mbps，協(xié)議采用TCP/IP，上位機(jī)設(shè)備以及各現(xiàn)地控制單元PLC均掛在以太網(wǎng)上，PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線同直流系統(tǒng)、高低壓柜內(nèi)保護(hù)裝置及現(xiàn)場(chǎng)各種智能電力儀表、自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)采用透明通訊方式，在中控室主機(jī)中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)PLC站可以下載程序及訪問(wèn)數(shù)據(jù)、編程等。

3.2 站級(jí)主控層配置

3.2.1 上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備

馬南泵站在中控室設(shè)置2臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，1主1從，互為熱備份。計(jì)算機(jī)采用戴爾工業(yè)用計(jì)算機(jī)，具有完善的自診斷功能。奔IVCPU，2.8GHz，硬盤(pán)320GB，有足夠的存儲(chǔ)容量。

網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備為8口工業(yè)用以太網(wǎng)交換機(jī)，10M/100M自適應(yīng)。

3.2.2 操作軟件

馬南泵站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)操作系統(tǒng)是Windows XP。Windows操作系統(tǒng)中文界面友好，幫助功能強(qiáng)，軟件開(kāi)發(fā)很多，容易普及。Windows操作系統(tǒng)安裝容易，維護(hù)、管理、開(kāi)發(fā)都很方便，但也有一些缺點(diǎn)，如系統(tǒng)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)功能不高，而且基于Windows平臺(tái)的病毒很多。

組態(tài)軟件系統(tǒng)以Intouch為操作平臺(tái)，全中文圖形化操作界面監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供現(xiàn)場(chǎng)圖片、工藝流程圖、實(shí)時(shí)曲線圖、監(jiān)控點(diǎn)表、平面布置圖、設(shè)備操作動(dòng)畫(huà)效果圖等，以形象直觀的動(dòng)態(tài)圖形方式顯示設(shè)備運(yùn)行情況和生產(chǎn)情況。

圖1 馬南水閘電排站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 現(xiàn)地控制層配置

馬南泵站屬于城市排洪泵站，降雨量的大小決定了機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。泵站現(xiàn)地層機(jī)組LCU柜的布置主要考慮了分層設(shè)計(jì)需要，全站以泵組為安裝單位進(jìn)行劃分，1#、2#泵組配置1#LCU，3#、4# 泵組配置 2#LCU，5# 泵組配置3#LCU，4#LCU為公用LCU。各LCU由相互獨(dú)立的PLC組成，各LCU之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)泵站的全廠集控。這種控制模式下，各LCU相互獨(dú)立，劃分清楚，各泵組檢修方便，不互相干擾，是一種比較理想的控制模式。

強(qiáng)調(diào)分散控制，使得每個(gè)控制柜中選用的PLC檔次適當(dāng)降低。單個(gè)PLC出現(xiàn)故障將只影響到一臺(tái)泵組或者二臺(tái)泵組，各個(gè)單元功能劃分明確，可靠性更高，不會(huì)出現(xiàn)一旦PLC故障造成整個(gè)泵站停止運(yùn)行的嚴(yán)重事故，這對(duì)于像馬南泵站這樣一個(gè)城市防洪工程來(lái)講，尤為重要。因?yàn)殛P(guān)鍵時(shí)刻一旦出現(xiàn)這種情況，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。

系統(tǒng)配置一套GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)，其中包含時(shí)鐘同步信號(hào)擴(kuò)展器，在與上位機(jī)對(duì)時(shí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與各現(xiàn)地控制單元（PLC）的硬件對(duì)時(shí)功能。

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 主控級(jí)功能

主控級(jí)設(shè)備在中控室，主要功能如下：

數(shù)據(jù)采集：通過(guò)以太網(wǎng)把現(xiàn)場(chǎng)PLC的數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫(kù)，供上位機(jī)使用；

實(shí)時(shí)控制：通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等，對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)方控制；

運(yùn)行監(jiān)視：對(duì)泵站主要運(yùn)行參數(shù)、事故、故障、狀變以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線、色彩變化、信號(hào)閃爍及不同頻率的語(yǔ)音報(bào)警等形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

記錄和打?。核斜O(jiān)控對(duì)象的操作、報(bào)警事件及實(shí)時(shí)參數(shù)報(bào)表都可記錄下來(lái)，并送存貯設(shè)備作為歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)診斷：在線和離線方式自檢計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備故障；在線和離線方式下自檢各種應(yīng)用軟件和基本軟件故障。

軟件開(kāi)發(fā)：在線和離線方式下，方便地進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編輯、調(diào)試和修改等任務(wù)。

4.2 現(xiàn)地控制單元功能

各現(xiàn)地控制單元LCU不因主控級(jí)發(fā)生故障而影響LCU各自的監(jiān)控功能。即：可接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能；與系統(tǒng)脫離時(shí)也能獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)LCU的現(xiàn)地監(jiān)控功能。主要功能如下：

數(shù)據(jù)采集與處理：水位、流量、高低電壓、電流、變壓器溫度等各種模擬量；水泵的開(kāi)、停、故障狀態(tài)；高低壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

實(shí)時(shí)控制：現(xiàn)場(chǎng)人員可根據(jù)PLC的信號(hào)顯示、設(shè)備狀態(tài)指示用按鈕及開(kāi)關(guān)等，對(duì)所控制的設(shè)備進(jìn)行開(kāi)停操作；PLC通過(guò)以太網(wǎng)接受上位機(jī)指令，自動(dòng)完成對(duì)所控設(shè)備的操作。

顯示監(jiān)視：可顯示泵站電氣量、非電量及被控設(shè)備的狀態(tài)，能對(duì)泵組起動(dòng)前條件以及各種運(yùn)行情況進(jìn)行顯示監(jiān)視。

通訊控制：PLC通過(guò)接口及網(wǎng)絡(luò)將有關(guān)信息送達(dá)上位機(jī)。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

5.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由站級(jí)主控層和現(xiàn)地控制單元組成，主控級(jí)設(shè)備和現(xiàn)地控制單元通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接在一起，既實(shí)現(xiàn)了設(shè)備集中管理、分散控制的功能，又避免了集中控制危險(xiǎn)度集中、不易擴(kuò)展和控制電纜用量大等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息、控制、管理上的集中，功能及風(fēng)險(xiǎn)上的分散。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)50ms～500ms內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為總線結(jié)構(gòu)運(yùn)行，可確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行。一年來(lái)的運(yùn)行表明，使用效果非常好。

5.2 系統(tǒng)上位機(jī)

上位機(jī)采用雙機(jī)熱備，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從機(jī)首先向主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)注冊(cè)，報(bào)告本機(jī)地址并向主機(jī)不停發(fā)送時(shí)鐘同步請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)信息、組態(tài)畫(huà)面同步請(qǐng)求。如主機(jī)超過(guò)標(biāo)定時(shí)間不響應(yīng)從機(jī)請(qǐng)求，從機(jī)便接管控制，停止向主機(jī)發(fā)送同步請(qǐng)求，啟動(dòng)I/O驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù)，這時(shí)從機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)直至主機(jī)修復(fù)。這種雙機(jī)熱備有效地保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止數(shù)據(jù)丟失，并為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控服務(wù)器提供了一種故障自動(dòng)恢復(fù)能力。雙機(jī)熱備已成為我國(guó)目前泵站監(jiān)控設(shè)置首選。

5.3 系統(tǒng)可擴(kuò)性

馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)保留的備用點(diǎn)超過(guò)使用點(diǎn)設(shè)備的10%，上位機(jī)存貯器容量有50%以上的余度。留有擴(kuò)充現(xiàn)地控制裝置、外圍設(shè)備或系統(tǒng)通信的接口。屏柜內(nèi)均留有可擴(kuò)大充插槽的空間，今后可將該站納入整個(gè)城市防洪工程管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)控制管理。

5.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性

馬南泵站在現(xiàn)地LCU柜上加裝了通信管理裝置，這種通信管理裝置是一種用于通信管理的智能設(shè)備，利用該裝置提供的API函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的通信。該裝置與站內(nèi)保護(hù)、溫度等設(shè)備通信，通過(guò)串口數(shù)據(jù)送入PLC，再送上位機(jī)系統(tǒng)，即使上位機(jī)出現(xiàn)故障，運(yùn)行人員仍可通過(guò)LCU柜上的觸摸屏、操作把手、按鈕及指示燈正?？刂茩C(jī)組，監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性得到提升。上位機(jī)由于不必承擔(dān)通信和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，CPU負(fù)荷降低，機(jī)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰實(shí)用。

5.5 系統(tǒng)安全性

馬南泵站采用了10kV高壓電機(jī)直接啟動(dòng)的運(yùn)行方式，還設(shè)有當(dāng)泵組PLC故障時(shí)的硬接線冗余緊急停機(jī)回路，在設(shè)于高壓室的機(jī)組高壓開(kāi)關(guān)柜、主廠房?jī)?nèi)的機(jī)旁控制箱、中控室都設(shè)有緊急停機(jī)按鈕，通過(guò)硬接線冗余回路緊急停機(jī)，安全得到充分保障。

6 需要注意的幾點(diǎn)問(wèn)題

⑴服務(wù)器死機(jī)，數(shù)據(jù)庫(kù)連接故障。因數(shù)據(jù)庫(kù)存貯容量畢竟有限，若集控系統(tǒng)不自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)定期進(jìn)行清理，很多廢舊數(shù)據(jù)將占據(jù)有限的存儲(chǔ)空間，影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠。

⑵泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備中應(yīng)使用許多靜電屏蔽手段，如電源變壓器的靜電屏蔽層，局部空間或線路的屏蔽罩(設(shè)備外殼)，這些靜電屏蔽的導(dǎo)體只有良好接地才能充分發(fā)揮作用。

⑶必須及時(shí)對(duì)運(yùn)行管理人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，設(shè)備廠家要在人員培訓(xùn)和售后服務(wù)等方面提供長(zhǎng)期的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，運(yùn)行人員應(yīng)盡快地掌握自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行技能。

7 結(jié)語(yǔ)

馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站所有設(shè)備的監(jiān)視和控制調(diào)節(jié)。分層分布式集散型系統(tǒng)從現(xiàn)在泵站實(shí)際情況看，比較容易實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)以及星形與總線相結(jié)合的方式，極大地減少了運(yùn)行維護(hù)工作量，達(dá)到了減員增效的效果，從而提高了泵站工程管理水平。良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠和安全的監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，馬南泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為泵站工程的自動(dòng)化建設(shè)提供了參考。陜西水利

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