基于PLC控制的小型泵閘站綜合信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵇鵬程，石超磊

(常州市河道湖泊管理處，江蘇 常州 213022)

目前常州城區(qū)大部分小型泵閘站采用的運(yùn)行管理方式還處在基于本地現(xiàn)場的人工控制水平通常是開機(jī)時需要有人值守、人工操作和記錄數(shù)據(jù)，無自動化和信息化，調(diào)度效率低下，不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一控制與調(diào)度，更不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的科學(xué)管理與決策分析，這與經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展水平極不相稱，不能夠滿足城市環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及常州市民對防汛抗旱、水環(huán)境整治、水資源綜合利用與管理的迫切需求，因此，為了解決上述問題，實(shí)現(xiàn)水資源的高效合理調(diào)度分配，利用可編程控制器(PLC)、多種傳感器、組態(tài)技術(shù)、GPRS、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等技術(shù)建立一套集現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、先進(jìn)管理手段的泵閘站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)地及遠(yuǎn)程控制室對泵站、涵閘運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和管理[1]，使其在防汛抗旱、水環(huán)境改善和日常的運(yùn)行管理中發(fā)揮人工管理所不具備的效率，對于提高防洪調(diào)度能力，完善決策與管理水平，在新形勢下開拓水利發(fā)展的新空間，開創(chuàng)水利現(xiàn)代化事業(yè)的新時代，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程結(jié)構(gòu)共分為3層：第一層為預(yù)留的局調(diào)度中心；第二層為泵閘站運(yùn)行管理中心；第三層為對應(yīng)的現(xiàn)地控制單元。據(jù)此泵閘綜合自動監(jiān)控系統(tǒng)也采用三級控制，第一級為現(xiàn)地控制級，在布置于泵閘附近的現(xiàn)地控制單元上實(shí)現(xiàn)就地控制；第二級為遠(yuǎn)程控制級，在運(yùn)行管理控制中心的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；第三級為遠(yuǎn)程調(diào)度級，在局調(diào)度中心進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢，根據(jù)系統(tǒng)查詢結(jié)果向運(yùn)管中心下發(fā)調(diào)度指令。就地、管理中心二級控制互為閉鎖，現(xiàn)地控制為最高優(yōu)先級，且在現(xiàn)地控制柜上設(shè)置權(quán)限旋鈕開關(guān)，可以切換現(xiàn)地運(yùn)行模式和遠(yuǎn)程運(yùn)行模式；局調(diào)度中心只具有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢和調(diào)度功能，無設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能。

在實(shí)現(xiàn)層面上分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)交換與服務(wù)、業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用等3個層次，系統(tǒng)總體框架如圖1所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制層主要完成泵閘站現(xiàn)場運(yùn)行工況的信息采集、視頻信號的采集、現(xiàn)場泵閘站設(shè)備的控制；數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層上傳數(shù)據(jù)的接收與數(shù)據(jù)整編入庫以及對外提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)與接口；業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)泵閘站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測以及工況與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢、挖掘與分析等功能。

圖1 泵閘站信息化系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制層

該層以PLC為核心，觸摸屏MCGS通過交換機(jī)與同一局域網(wǎng)段的PLC相連，觸摸屏命名的點(diǎn)跟PLC里面的點(diǎn)地址通過中間地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，各臺機(jī)組設(shè)備的電壓、電流、功率等模擬量通過RS485串口上傳至多功能電參數(shù)儀表，超聲波水位計(jì)采集上、下游的水位值和閘位機(jī)采集節(jié)制閘的開度值通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字量，三類數(shù)據(jù)通過PLC中的算法程序進(jìn)行換算和校正后顯示在機(jī)柜的觸摸屏上，泵閘站現(xiàn)場管理人員既可以觀測具體數(shù)據(jù)，也可以通過現(xiàn)場觸摸屏控制機(jī)組設(shè)備的啟動和停止，同時PLC通過TCP/IP接口、現(xiàn)場交換機(jī)和路由器，與運(yùn)行管理控制中心設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的上傳與控制命令的下發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層

泵閘站工況、水位、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻流通過局域網(wǎng)上傳至運(yùn)行管理控制中心，通過配置好的防火墻HillStone SA-2001映射至交換器，再傳輸至相應(yīng)的服務(wù)器和工控機(jī)，如圖2所示，泵閘站現(xiàn)場的觸摸屏、PLC控制器、運(yùn)行管理控制中心工控機(jī)之間通過將IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段形成局域網(wǎng)，并通過程序中設(shè)置的中間變量實(shí)現(xiàn)3個子系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)和控制信號的互聯(lián)互通，運(yùn)行管理控制中心工控機(jī)組態(tài)軟件周期性地對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，按照數(shù)據(jù)整編規(guī)范對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并記錄到存儲數(shù)據(jù)庫-SQL中，工控機(jī)通過實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器-IFIX隨時查詢和寫入任意時刻的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器通過實(shí)時數(shù)據(jù)庫-IFIX支持的JAVA數(shù)據(jù)訪問接口定期采集存儲數(shù)據(jù)庫-SQL的數(shù)據(jù)，向用戶展示業(yè)務(wù)與空間信息。泵閘站現(xiàn)場的視頻攝像機(jī)采集圖像信息，通過部署在泵閘站現(xiàn)場的硬盤錄像機(jī)進(jìn)行磁盤存儲，同時硬盤錄像機(jī)通過現(xiàn)場路由器向部署在集控中心的視頻服務(wù)器發(fā)送現(xiàn)場視頻流，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

圖2 數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層結(jié)構(gòu)圖

1.3 業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用層

業(yè)務(wù)與應(yīng)用層由綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、WEBGIS服務(wù)平臺、WEB應(yīng)用程序和瀏覽器客戶端組成，它采用GIS的客戶端平臺和WEB服務(wù)相結(jié)合的方式，是一套基于客戶端平臺的WEBGIS服務(wù)平臺，將前端客戶提出的空間查詢請求存入請求隊(duì)列，后臺服務(wù)系統(tǒng)從隊(duì)列中取出應(yīng)用請求，并調(diào)用客戶端GIS功能模塊，完成請求操作，并將結(jié)果發(fā)送到客戶端，實(shí)現(xiàn)WEBGIS的功能。

WEB應(yīng)用程序使用基于.net的應(yīng)用框架，結(jié)合客戶端框架構(gòu)建可視化的B/S應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)的加工與融合，在接收到來自瀏覽器客戶端的請求后，利用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)，形成WEB頁面，向客戶提供查詢響應(yīng)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泵閘站機(jī)柜內(nèi)自帶網(wǎng)絡(luò)端口的PLC控制器型號為TWDLCAE40DRF，編程軟件采用了Twido Soft v3.5，觸摸屏TPC1062K編程軟件采用C語言，為確保日常換水和汛期排澇中的運(yùn)行安全，按照運(yùn)行現(xiàn)場實(shí)際的情況，在確保開機(jī)水位正常、流道閘門全開、節(jié)制閘全關(guān)的情況下，發(fā)送開機(jī)指令才會有效，在開機(jī)指令發(fā)出后，程序啟動電磁閥，引水至水泵橡膠軸承處進(jìn)行30s潤滑，同時水管中水流信號通過示流器進(jìn)一步反饋到系統(tǒng)中，當(dāng)水管中無水時，程序就中止下一步運(yùn)行。為方便日常維修和調(diào)試，在程序設(shè)計(jì)中，通過開機(jī)界面中的手動設(shè)置可以跳過相應(yīng)環(huán)節(jié)，直接進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，泵閘站每個設(shè)備既可以按照自動化流程運(yùn)行，也可以分別實(shí)現(xiàn)單控。以單向水泵為例，開機(jī)流程圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 水泵信息化開機(jī)流程圖

3 安全策略

3.1 系統(tǒng)安全策略

1)隔離：按安全等級的不同分為管理區(qū)和控制區(qū)。管理區(qū)內(nèi)分布的是本工程生產(chǎn)管理類的業(yè)務(wù)應(yīng)用，而控制區(qū)內(nèi)分布的則是本工程運(yùn)行監(jiān)控類的生產(chǎn)應(yīng)用，后者的安全級別高于前者，因此兩區(qū)需通過現(xiàn)場路由器等物理隔離裝置進(jìn)行隔離，以避免低安全區(qū)系統(tǒng)影響高安全區(qū)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。管理區(qū)與外網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng)等)的接口，通過配置防火墻、交換機(jī)等設(shè)備[2]。

2)操作控制：泵閘站現(xiàn)場觸摸屏、查詢主機(jī)、查詢系統(tǒng)以及服務(wù)器均需要用戶名和口令，方可登錄進(jìn)入系統(tǒng)。在運(yùn)行管理中心進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備控制時，只有被授權(quán)的人員才能在指定的操作機(jī)上通過IFIX軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3)病毒防護(hù)：主要在服務(wù)器中安裝服務(wù)器防病毒系統(tǒng)，提供對病毒的檢測、清除、免疫和對抗能力。在各類主機(jī)上也安裝單機(jī)防病毒軟件，讓病毒軟件將病毒從本地清除，以免擴(kuò)散到其他主機(jī)或服務(wù)器上[3]。

3.2 數(shù)據(jù)安全策略

1)備份手段：對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份時，采取定期備份和實(shí)時備份相結(jié)合的手段。定期備份就是對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器要求進(jìn)行定期停機(jī)維護(hù)，此時可以對整個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一次靜態(tài)備份，其目的是，當(dāng)數(shù)據(jù)庫遭到破壞時，可以縮短恢復(fù)時間；實(shí)時備份就是數(shù)據(jù)庫支持實(shí)時備份進(jìn)程，將數(shù)據(jù)庫所發(fā)生的所有操作備份到文檔中，這些歸檔文件也可以轉(zhuǎn)儲到磁帶上，其目的是保證數(shù)據(jù)庫遭到破壞時可以恢復(fù)到被破壞的前一刻。

2)恢復(fù)措施：數(shù)據(jù)恢復(fù)分為全盤恢復(fù)和個別文件恢復(fù)。全盤恢復(fù)一般應(yīng)用在服務(wù)器發(fā)生意外災(zāi)難導(dǎo)致數(shù)據(jù)全部丟失、系統(tǒng)崩潰或是有計(jì)劃的系統(tǒng)升級、系統(tǒng)重組等，也稱為系統(tǒng)恢復(fù)；個別文件恢復(fù)就是在日常操作中，利用備份系統(tǒng)的恢復(fù)功能，可以很容易恢復(fù)受損的個別文件。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)在運(yùn)行管理控制中心可以通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對泵閘站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，也可以在泵閘站現(xiàn)場通過PLC柜觸摸屏現(xiàn)場控制設(shè)備；通過遠(yuǎn)程查詢與分析系統(tǒng)可以查出各個泵閘站實(shí)時水位情況、任一時刻歷史水位、任一時段的內(nèi)外河水位變化趨勢以及引(排)水流量情況等。

通過數(shù)據(jù)挖掘和比對可以查出任何時段的最高(低)水位、平均水位，可以分析河道的水位變化量和水泵開機(jī)時間量的關(guān)系；可以通過視頻系統(tǒng)實(shí)時遠(yuǎn)程觀看泵閘站現(xiàn)場運(yùn)行情況，也可以查詢?nèi)諆?nèi)泵閘站現(xiàn)場的錄像情況，此系統(tǒng)的建成為泵閘站的精細(xì)化、信息化管理提供了技術(shù)保障，大大縮短了工程管理者和運(yùn)行現(xiàn)場的時空距離，工情、水情測報由傳統(tǒng)的人工觀測被遙測代替，從而真正實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”的現(xiàn)代管理模式[4]。