通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)設(shè)計

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，濰坊 262500）

0 引言

由于通信閘站在重建前缺乏整體規(guī)劃方案，所以在管理中普遍存在系統(tǒng)自動化程度不高的問題。雖已發(fā)展出一套小型應(yīng)用系統(tǒng)，積累了豐富的基本安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，但缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)管理分散，流通規(guī)模小，碎片化嚴(yán)重，形成了許多“數(shù)據(jù)孤島”[1]。而這些監(jiān)測系統(tǒng)安全性要求較高，一般都運行在局域網(wǎng)內(nèi)。以往主要是采用集中式數(shù)據(jù)采集方法，建立自動化的系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)[2]。該架構(gòu)中只有一個測量與監(jiān)測主機，位于遠(yuǎn)離測量現(xiàn)場的監(jiān)測結(jié)構(gòu)中，盡管這種結(jié)構(gòu)的傳感器可以測量接入系統(tǒng)，而且還可以使用其它方法進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，但是每一附加的監(jiān)測信號都需要相應(yīng)的信號電纜鋪設(shè)到中央測量和控制裝置，尤其當(dāng)監(jiān)控中心距離實際位置較遠(yuǎn)時，接線和電纜費用會帶來很大不便，造成質(zhì)量控制效果不佳；利用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)，建立了一個自動化系統(tǒng)的質(zhì)量控制體系[3]。主要采用了RS232/485等各種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)包的遠(yuǎn)程傳輸。盡管該體系結(jié)構(gòu)具有良好的擴展性和兼容性，但不便于擴展。在需要增加或改變監(jiān)控變量時，需要對電纜進(jìn)行二次構(gòu)造，并重新編制相應(yīng)軟件程序，造成質(zhì)量控制效果不佳。

針對這一問題，提出了通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)設(shè)計。通信閘站改造工程整體規(guī)劃，信息共享，質(zhì)量控制效果好。根據(jù)通信閘站的工程實踐，介紹了船閘自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，完成了通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)設(shè)計。

1 自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制總體架構(gòu)設(shè)計

采用分層分布式設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于對不同分布、不同控制對象有效監(jiān)控。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三個層次：管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場檢測層。圖1顯示了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

主要控制方式是現(xiàn)場自控，而監(jiān)控室的集中監(jiān)控是二次控制。工藝監(jiān)控層主要由工控機和人機界面兩部分組成，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理、人機交互及與外部系統(tǒng)接口；采用可編程序控制器為核心控制單元，以軟起動器/逆變器等為驅(qū)動元件，結(jié)合現(xiàn)場儀表的各種反饋信號，形成局部閉環(huán)控制，控制升降機、電磁閥等[4,5]。該現(xiàn)場控制器既可獨立運行，在過程監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)督下，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，完成控制任務(wù)。

遙控管理主要是以網(wǎng)頁形式向管理者發(fā)布生產(chǎn)過程信息，管理人員可以瀏覽和查詢現(xiàn)場生產(chǎn)情況。

1.1 通信閘站數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)

圖1 自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制總體架構(gòu)

測控裝置主要負(fù)責(zé)儀表參數(shù)的上載和采集，中央處理機發(fā)出執(zhí)行指令。通信設(shè)備是本地測控設(shè)備與遠(yuǎn)程中控設(shè)備之間的中間鏈路，其實時數(shù)據(jù)包傳輸主要采用RS232/485通信協(xié)議。中控臺是遠(yuǎn)程監(jiān)控中的核心處理單元，通信閘站的遠(yuǎn)程自動監(jiān)控主要采用實時監(jiān)控軟件進(jìn)行操作，實現(xiàn)了先進(jìn)管理功能，如數(shù)據(jù)查詢、匯總管理、優(yōu)化調(diào)度等，還可通過專用信道或以太網(wǎng)向上級管理機構(gòu)發(fā)布信息[6]。圖2顯示了通信閘站的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 通信閘站數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)

1.2 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三個層次，最底層是中央監(jiān)控和管理系統(tǒng)，其中包括2臺工業(yè)控制計算機（包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)），1臺網(wǎng)絡(luò)計算機，1臺硬盤錄像機，以及互動式網(wǎng)絡(luò)交換機。電腦通過以太網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信和連接。中層為局部LCU控制層。左、右門均設(shè)有LCU，并通過以太網(wǎng)相互連接。設(shè)備層和設(shè)備層在底層。該系統(tǒng)還具有與其它通信閘站和低級主管機關(guān)的通信接口，能夠與低級主管機關(guān)和其他船閘進(jìn)行通信和連接，使低級主管機關(guān)能夠監(jiān)測和管理船閘之間的連接。通信閘站改造工程中自動控制系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)設(shè)計，以太網(wǎng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，容錯設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，保證不會出現(xiàn)任何部件故障造成系統(tǒng)誤操作[7]。

西門子57-300可編程序控制器（PLC）作為閘站局部控制單元，具備自控、自診斷功能。盡管主要電腦壞了，局部觸摸屏，仍可使用控制開關(guān)和按鈕，信號指示器、儀表等設(shè)備對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控。

2 質(zhì)量控制軟件開發(fā)

2.1 饋線自動化策略

配電自動化系統(tǒng)建設(shè)的一個重要指標(biāo)就是實現(xiàn)配電網(wǎng)的快速故障隔離和無故障區(qū)電網(wǎng)改造，在通信站改造工程中，網(wǎng)絡(luò)改造是饋線故障自動處理的最后一步。為確保各分布區(qū)供電安全，防止事故擴大，需要注意對網(wǎng)絡(luò)的改造[8]。配電網(wǎng)主站系統(tǒng)接收各配電網(wǎng)終端發(fā)送的故障信息，通過主站饋線自動化軟件定位故障區(qū)段，通過遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)故障自動隔離功能[9]。

線路故障在線路總故障中占2/3，永久性故障占1/30，均為暫態(tài)故障。高架線路故障診斷應(yīng)區(qū)別瞬態(tài)故障與永久故障。對瞬態(tài)故障，采用變電站出口斷路器二次重合閘的方法進(jìn)行處理。如果是永久故障，F(xiàn)TU將故障信息報告給主站[10]。

該系統(tǒng)采用了故障處理策略：FTU探測到變電所出口斷路器被切斷兩次，并在一段時間的線路失壓后報告給主站。根據(jù) FTU故障資料，通信閘站確定故障區(qū)域。利用遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)無故障區(qū)的故障隔離與供電恢復(fù)。圖3顯示了架空線路故障處理策略示意圖。

圖3 架空線路故障處理策略示意圖

從圖3可以看出，高架饋線自動化處理策略（箭頭表示故障點，黑色表示開關(guān)，白色表示開關(guān)開度）：

1）當(dāng)變電站發(fā)生故障時，斷路器D2跳閘(a)；

2）D2重合閘，一次短路故障重合成功，失敗處理過程結(jié)束；如果失敗繼續(xù)，則線路再次通過失敗電流（b）；

3）再一次的脫開、合好、FTU再次檢測到故障電流，線路失壓一段時間后，確認(rèn)變電站出口開關(guān)合閘，并報告主站（c）故障信息；

4）主站接收 FTU故障信息，判斷K4-K5開關(guān)故障，將K4、K5遠(yuǎn)程斷開，隔離成功后，關(guān)閉D2和關(guān)聯(lián)開關(guān)K3，恢復(fù)供電（d）。

2.2 故障點定位算法

在單功率樹型網(wǎng)絡(luò)或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，通常將饋線段視為故障段，其依據(jù)是饋線段兩端的現(xiàn)場監(jiān)控終端，發(fā)現(xiàn)故障電流存在及走向。在故障短路情況下，若故障電流從饋線段的一端流入，而從另一端流出時，該饋線段未發(fā)生故障；若故障電流從饋線段的一端流入而另一端無故障電流流出，則表明饋線段發(fā)生了故障。

為確定故障區(qū)域，配電網(wǎng)接線拓?fù)湫畔?，即網(wǎng)絡(luò)描述矩陣的形成D，此矩陣僅與配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆嘘P(guān)，與各節(jié)點的切換狀態(tài)無關(guān)，切換狀態(tài)改變后無需修改矩陣。帶有故障指示器的接線柱編號。若有N個節(jié)點，則可以構(gòu)造一個N×N方陣：

用有向圖描述網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系，必須先確定正方向的網(wǎng)絡(luò)連接。理論上，網(wǎng)絡(luò)連接的正向可以任意確定，但為了計算的方便，可將正向統(tǒng)一確定。單機供電和多機供電網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)運行可使網(wǎng)絡(luò)正常運行時，其功率方向與網(wǎng)絡(luò)連接的正向一致。假如在 i個節(jié)點和 j個節(jié)點之間有一條饋線，那么從 i的交換節(jié)點向 j的交換節(jié)點前進(jìn)。則矩陣D上位于第i行第j列的元素dij=1，而位于第j行第i列的元素dij=0，將矩陣D對應(yīng)于不連接饋線的節(jié)點的元素設(shè)置為0。所得矩陣為接地故障發(fā)生時的判斷矩陣，反映故障網(wǎng)絡(luò)的實際拓?fù)洹?/p>

2.3 閘門通信數(shù)據(jù)質(zhì)量控制服務(wù)

閘門通信數(shù)據(jù)質(zhì)量控制服務(wù)提供數(shù)據(jù)采集和控制功能，實現(xiàn)了云平臺應(yīng)用軟件間的通信傳輸，以及閘門遠(yuǎn)程自動化控制，并對基于瀏覽器的交互界面和移動應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。閘門控服務(wù)數(shù)據(jù)流如圖4所示。

閘門通信數(shù)據(jù)質(zhì)量控制服務(wù)如表1所示。

圖4 閘門通信數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

表1 閘門通信數(shù)據(jù)質(zhì)量控制服務(wù)

根據(jù)DTU 無線數(shù)據(jù)透明傳輸功能，可直接在Modbus協(xié)議中發(fā)出關(guān)閉命令，現(xiàn)場閘門系統(tǒng)根據(jù)指令中信息自動控制閘門上下移動。

3 實驗分析

為了驗證通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。

3.1 串口傳輸設(shè)置

串口是系統(tǒng)中的一種通用設(shè)備通訊協(xié)議，采用RS232內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器的兩個串口，使母線交叉連接。由于串口通信是異步的，因此，各個端口只能在同一根線上發(fā)送相同數(shù)據(jù)。通訊端口，參數(shù)設(shè)置是正確的，交叉連接線連接順序如圖5所示。

圖5 交叉連接線連接順序

利用串口通信傳輸數(shù)據(jù)，使9條線路數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)酵ㄐ砰l站之中，由此統(tǒng)計的數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

由圖6可知，在三個閘門下，具有9個通道，其中A端1口向B端1口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道1、2、3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2；A端2口向B端2口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道2、3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2；A端3口向B端3口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道2、3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2；A端4口向B端4口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道1、2、3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2；A端5口向B端5口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道2，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2、3；A端6口向B端6口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道2，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2、3；A端7口向B端7口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道2，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2、3；A端8口向B端8口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2、3；A端9口向B端9口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要通過閘門1下的通道3，閘門2下的通道2，閘門3下的通道2、3。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸完整性對比分析

分別使用集中式數(shù)據(jù)采集方法建立自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)采集方法建立自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)、通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)分析數(shù)據(jù)傳輸完整性，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)傳輸完整性對比分析

表2 （續(xù)）

由表2可知，使用通信閘站重建工程的自動化系統(tǒng)質(zhì)量控制架構(gòu)分析，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸完整性。

4 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)采用移動物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)，在現(xiàn)有現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了小型分散自動控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，無線透明傳輸技術(shù)在 DTU終端中的應(yīng)用擴大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。采用云平臺服務(wù)技術(shù)，可以動態(tài)增加硬件資源，實現(xiàn)后期閘控系統(tǒng)的靈活性增加，提高了系統(tǒng)的擴展性?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的分層分布控制系統(tǒng)是目前工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)就是基于此而發(fā)展起來的，它將結(jié)束不兼容現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的不穩(wěn)定模式，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)更為通用。在現(xiàn)場測控桿中，遠(yuǎn)程終端裝置將起到更加重要的作用，其現(xiàn)場抗干擾能力很強。