計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在長距離輸水工程中的應(yīng)用

張百敏

（南瑞集團(tuán)有限公司 江蘇省南京市 210013）

隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其中任何一種技術(shù)有了新的突破，必然帶來計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)步和改革。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以方便、安全、可靠的采集與處理、監(jiān)視、控制被監(jiān)控對象，使泵站能夠更好的實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”。

1 概述

在長距離輸水工程中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)視控制全線設(shè)備，為運(yùn)行管理類人員提供了便利。本文內(nèi)容主要介紹計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在長距離輸水工程的應(yīng)用。

2 PLC是長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心

（1）PLC 因其可靠性、可擴(kuò)展性、易操作性，使其成為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中控制器選擇的主流，PLC 主要由電源模塊、CPU 模塊、IO 模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊幾部分組成。電源模塊為PLC 提供基本的供電保障，PLC 中CPU 模塊就像人的大腦，它是整個(gè)PLC 系統(tǒng)的控制和運(yùn)算的中心，PLC 模塊中IO 模塊就像人的感知系統(tǒng), 與監(jiān)控對象的信號傳輸主要以硬接線為主。網(wǎng)絡(luò)模塊是PLC 與其他系統(tǒng)信息交互的高速接口。

（2）大腦的控制和運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要依賴于感知系統(tǒng)，因此IO 的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是CPU 準(zhǔn)確控制及運(yùn)算執(zhí)行的基礎(chǔ)。為保證IO 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， IO 與CPU 通過環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)保證之間鏈路的可靠性及穩(wěn)定性。CPU 在高速運(yùn)算和控制過程中，即使是鏈路系統(tǒng)內(nèi)有任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開，也都不會影響IO 與CPU 系統(tǒng)間信息的傳輸?？瓷先ノ覀兊南到y(tǒng)已經(jīng)很完善，但是其中還存在問題，當(dāng)CPU 在高強(qiáng)度計(jì)算和控制過程中出現(xiàn)宕機(jī)問題，那整個(gè)系統(tǒng)也就癱瘓了。這時(shí)就引出了冗余CPU，主備PLC 互相連接并與整個(gè)IO 系統(tǒng)形成環(huán)網(wǎng)，這樣就保證了IO 與CPU 中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開都不會影響整個(gè)系統(tǒng)，并且冗余間切換基本能達(dá)到無縫切換，因此在雙CPU 和IO 系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)的雙重保證下，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性以及準(zhǔn)確性都有了突飛猛進(jìn)的提高,為上層系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的保障。

（3）網(wǎng)絡(luò)模塊是PLC 通訊的接口，上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件通過IP 和端口號標(biāo)識在網(wǎng)絡(luò)中來確定要通訊的PLC，一般為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性也選用主備網(wǎng)絡(luò)模塊，為網(wǎng)絡(luò)提供接口冗余。PLC與上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要以網(wǎng)絡(luò)通訊，應(yīng)用層通訊協(xié)議主要采用簡單易用ModbusTCP 協(xié)議，PLC 程序基本采用面向?qū)ο蟮乃枷?，每個(gè)對象有獨(dú)立的對象號，對每個(gè)對象的操作有不同的操作號。上層監(jiān)控系統(tǒng)通過事先約定好的命令方式，發(fā)送控制請求，PLC 接收控制命令后會先判斷控制命令的合法性，然后根據(jù)控制命令中包含的對象和操作，指定到相應(yīng)的控制流程，控制流程觸發(fā)并判斷對象是否具備操作條件。如不具備條件則生成報(bào)警信息，并反饋給上層系統(tǒng)。如具備條件則控制流程正常執(zhí)行，并在流程成功時(shí)向上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)反饋成功信息。

圖1

（4）PLC 可根據(jù)長距離輸水工程中現(xiàn)場工藝定制編輯控制邏輯，輸水工程中加壓泵站是不可或缺的，以泵組中的水泵為例，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本作用是采集水泵的狀態(tài)信息，并在需要時(shí)向設(shè)備下發(fā)水泵控制命令，以啟動控制為例，PLC 的CPU 接收到控制命令后，先進(jìn)行合法性判斷，確認(rèn)合法后執(zhí)行啟動控制流程，流程第一步會對啟動條件進(jìn)行判斷，如果具備開閥條件則CPU 將DO 模件的對應(yīng)點(diǎn)置一導(dǎo)通，DO 對應(yīng)的繼電器線圈導(dǎo)通，線圈電生磁后吸合，導(dǎo)致常開觸點(diǎn)閉合，水泵控制器接收到啟動信號后動作，動作的同時(shí)，PLC 的DI 模件實(shí)時(shí)監(jiān)測到水泵運(yùn)行信號，并傳輸給CPU,CPU 通過網(wǎng)絡(luò)通訊將信號傳輸給上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，流程判斷中接收到運(yùn)行信號后得知啟動操作已經(jīng)成功，便向上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送啟動成功提示，示意如圖1。

3 配電是長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的心臟

（1）現(xiàn)地控制單元LCU 供電方式選用雙電源及雙回路供電。雙電源是外部接入兩組電源到LCU，一組為廠內(nèi)市電輸出，另一組為不間斷電源UPS 輸出。雙回路供電是兩路電源輸入通過自動切換裝置自動切換供電回路，當(dāng)市電失去自動切換裝置會將電源自動切換到UPS 供電，當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)又會自動切換回市電供電回路。

（2）雙電源輸入解決了系統(tǒng)內(nèi)其中一組電源輸入失去后備用供電方式的可選性，雙電源起到了電源的冗余作用，但主電源市電的供電能力和備用電源UPS 能力相差懸殊，這樣一來就需要為兩個(gè)不同的電源輸入源采用不同的供電回路，市電供電時(shí)供電回路為所有控制單元內(nèi)設(shè)備供電，UPS 供電時(shí)因其供電能力有限，因此選擇關(guān)鍵設(shè)備為其供電，如PLC、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人機(jī)界面觸摸屏、通訊管理裝置等。

（3）供電是整個(gè)現(xiàn)地控制單元的心臟，沒了電什么都談不了，所以必須要保證其供電的穩(wěn)定性，特別是在緊急情況下，如正在運(yùn)行的泵組因全廠失電導(dǎo)致電機(jī)停止，這時(shí)市電消失就需要備用電源基本無縫切換給予其供電保障，確?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)能夠有條件迅速運(yùn)算及處理后發(fā)出事故停機(jī)信號保證整個(gè)泵組安全。

4 通訊管理裝置長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對外通訊的幫手

通訊管理裝置是串口通訊管理裝置，采集具有串口通訊方式的監(jiān)控對象，如一些設(shè)備硬接線接口數(shù)量有限或模擬量信號必須要求很精確時(shí)，便采用串口通訊的方式取得數(shù)據(jù)，通訊管理裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行整裝處理后并集中與PLC 之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)增加了更多的通訊方式，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

5 觸摸屏是長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)地監(jiān)控的人機(jī)交互終端

觸摸屏通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式與PLC 進(jìn)行通訊，包含對象數(shù)據(jù)和操作的展示接口，方便操作人員現(xiàn)場操作。降低了現(xiàn)地監(jiān)控與上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)之間耦合性，現(xiàn)地監(jiān)控可獨(dú)立于上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)運(yùn)行。

6 電路保護(hù)措施是長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控的平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵

電路保護(hù)為電源正極引出增加保險(xiǎn)絲及模擬量信號接入增加防雷器?，F(xiàn)地控制單元內(nèi)電源引出時(shí)，應(yīng)在電源正極增加保險(xiǎn)絲，在外界某些原因促成電流異常的升高并超過保險(xiǎn)絲的額定值時(shí)，保險(xiǎn)絲的溫度升高后熔斷熔絲切斷電流，以確保整個(gè)電路的安全。所有模擬量輸入信號輸入模塊前都需要經(jīng)過防雷后再將信號接入模塊，確保信號防雷保護(hù)。

7 網(wǎng)絡(luò)是長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的媒介

網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)地監(jiān)控與上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及資源共享的媒介，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分層的分布式結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)地監(jiān)控與上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出問題不會級聯(lián)導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)出問題，在可靠性要求特別高的工藝環(huán)境下，從采集控制設(shè)備、到服務(wù)器可以采用雙機(jī)雙網(wǎng)的冗余結(jié)構(gòu)。

（1）現(xiàn)地控制層控制器采用雙CPU 冗余及雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中一臺主CPU 宕機(jī)，后，系統(tǒng)監(jiān)測到會毫秒級切換到從CPU，有效的保證了鏈路的可靠性及穩(wěn)定性。

（2）網(wǎng)絡(luò)層采用雙網(wǎng)傳輸環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效的保證了鏈路的可靠性及穩(wěn)定性。環(huán)網(wǎng)內(nèi)設(shè)一臺環(huán)網(wǎng)管理者，其余為環(huán)網(wǎng)成員，環(huán)網(wǎng)管理者負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)網(wǎng)鏈路狀態(tài)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)鏈路中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開時(shí)，環(huán)網(wǎng)管理者會自動切換到另一條鏈路，保證鏈路的聯(lián)通。

（3）泵站軟件監(jiān)控系統(tǒng)層采用多機(jī)冗余的部署結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)主節(jié)點(diǎn)出了問題，從節(jié)點(diǎn)都會接管系統(tǒng)任務(wù)，有效的保證了鏈路的可靠性及穩(wěn)定性。

（4）泵站與調(diào)度之間網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，分為數(shù)據(jù)區(qū)和業(yè)務(wù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)采用數(shù)據(jù)專線經(jīng)過防火墻通過一些策略攔截后接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機(jī)。業(yè)務(wù)區(qū)采用業(yè)務(wù)專線用于視頻監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互等。

8 長距離輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間層級操作及權(quán)限分配，主要可分為三層，分別是調(diào)度中心層、管理中心層、現(xiàn)地監(jiān)控層

（1）調(diào)度中心主要是與管理中心層進(jìn)行信息交互完成全線數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、可視化數(shù)據(jù)展示、報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、語音報(bào)警等功能。管理中心主要是與現(xiàn)地監(jiān)控層進(jìn)行信息交互完成現(xiàn)地級數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、可視化數(shù)據(jù)展示、報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、操作記錄、語音報(bào)警、模擬量越限報(bào)警設(shè)置等功能。現(xiàn)地監(jiān)控層主要是與現(xiàn)地設(shè)備信息交互完成現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、可視化數(shù)據(jù)展示、操作記錄、控制流程報(bào)警等功能。

（2）設(shè)備控制方式來源有調(diào)度中心、管理中心、現(xiàn)地觸摸屏、現(xiàn)地控制柜按鈕等，控制權(quán)限由高到低分別是設(shè)備現(xiàn)地控制按鈕、監(jiān)控層現(xiàn)地觸摸屏、管理中心、調(diào)度中心。當(dāng)現(xiàn)地觸摸屏想對設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)必須向設(shè)備現(xiàn)地控制柜請求操作權(quán)限，獲得操作權(quán)限后即可在現(xiàn)地觸摸屏進(jìn)行控制命令下發(fā)，對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制。當(dāng)管理中心想要控制現(xiàn)地設(shè)備時(shí)，必須在現(xiàn)地監(jiān)控層將權(quán)限給到管理中心，管理中心即可進(jìn)行控制命令下發(fā)。當(dāng)調(diào)度中心想要控制現(xiàn)地設(shè)備時(shí)，必須在管理中心層將權(quán)限給到調(diào)度中心，調(diào)度中心即可進(jìn)行控制命令下發(fā)。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能主要有數(shù)據(jù)可視化展示、控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲、曲線及報(bào)表查詢、用戶權(quán)限管理、報(bào)警提示及可配置管理。數(shù)據(jù)可視化通過3D 技術(shù)展示泵站工藝的立體效果，并且輔助相應(yīng)的顏色動態(tài)效果等方式，動態(tài)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件內(nèi)通過按鍵的方式下發(fā)控制，通過數(shù)值輸入的方式調(diào)節(jié)模擬量輸出，如頻率、電流調(diào)節(jié)等，軟件層會對控制與調(diào)節(jié)命令進(jìn)行合法性校驗(yàn)，來防止誤操作或誤輸入，如何合法性符合要求則下發(fā)，不符合要求則彈出提示等。監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)存儲是可配置的，可根據(jù)需要進(jìn)行存儲，為曲線及報(bào)表查詢提供歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫采用主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫優(yōu)化，索引優(yōu)化，加快數(shù)據(jù)的查詢相應(yīng)速度。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行用戶管理，將系統(tǒng)內(nèi)的一些權(quán)限授予給角色，再將角色和用戶關(guān)聯(lián)起來，那么用戶就有了角色下被授予的權(quán)限，進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)不同的用戶就享有不同的權(quán)限。因模擬量限位值不確定，增加報(bào)警限位配置畫面，操作人員可對報(bào)警上下限位進(jìn)行配置，增強(qiáng)了報(bào)警的靈活性。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)硬件基本采用多機(jī)冗余的思想，調(diào)度中心及管理中心主要由通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、操作員工作站、語音報(bào)警雙機(jī)冗余等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成，具備良好的可靠性和穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

9 結(jié)束語

長距離輸水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在泵站運(yùn)行管理過程中起到了舉足輕重的作用，雖然系統(tǒng)已經(jīng)給日常管理提供了很多便捷，但是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展還沒有完全達(dá)到盡頭，相信隨著自動化設(shè)備、計(jì)算機(jī)、集成電路、工業(yè)以太網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)還會面臨著很多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。