淺談太浦河泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)

1、淺談太浦河泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)    摘要：介紹太浦河泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則、運行控制方式、系統(tǒng)的硬件和軟件配置，并闡述系統(tǒng)功能和特點。系統(tǒng)采用全計算機監(jiān)控方式，是一個開放式全分布的信息統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)。其功能完善、控制對象全面、實時性強、可靠性高、人機界面友好，較好地滿足了泵站運行管理智能化、遠程化的需要。 關鍵詞：監(jiān)控 通訊 plc 軟件 特點   1 監(jiān)控系統(tǒng)配置的基本原則 太浦河泵站采用開放式分層分布結構的全計算機監(jiān)控方式，取消或簡化常規(guī)控制手段。系統(tǒng)的配置和設備選型符合計算機技術發(fā)展迅速的特點，充分利用計算機領域的先進技術，并結合泵

2、站自動化程度要求高的特點，使泵站運行管理智能化，并能方便地完成與其他管理信息計算機系統(tǒng)的連接。系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化、結構化設計，具有高度的可靠性、安全性、實時性、實用性、靈活性和便于擴充。監(jiān)控系統(tǒng)保證與泵站同步投運。 計算機監(jiān)控系統(tǒng)利用世行貸款，國際招標，由中國水利電力物資有限公司中標，由上海東屋電器有限公司生產(chǎn)制造。 2 泵站運行控制方式 泵站設有三個等級的運行控制方式：    泵站主控級控制：操作人員在中控室下命令，通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)全部過程自動執(zhí)行方式或采用分步按順序組執(zhí)行的方式，即每一步或每一順序組完成后需經(jīng)操作人員確認，方可進行下一步或下

3、一順序組的操作。 現(xiàn)地控制：在泵組調(diào)試期或主控級故障時，操作人員可通過現(xiàn)地控制單元的人機界面實現(xiàn)控制。 調(diào)度級控制：吳江供電局通過調(diào)度計算機系統(tǒng)，經(jīng)光纖通道與泵站監(jiān)控系統(tǒng)通信，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控。遙控對象僅為35kv進線斷路器。泵站預留接口以便將來與上海市水務局通信。 在操作員工作站設有“吳江供電局”、“水務局”和“中控室”軟選擇開關，供運行人員確定控制方式，缺省選擇為中控室控制。在泵組各現(xiàn)地控制單元，設有“就地/遠方” 軟選擇開關，缺省選擇為就地控制。緊急停機等的操作不受控制權設定的制約。 3系統(tǒng)的硬件結構和配置 3.1 網(wǎng)絡系統(tǒng) 本系統(tǒng)采用開放式全分布結構，分主控級和現(xiàn)地控制單元級。網(wǎng)絡

4、采用100mb/s快速交換式以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)結構，采用tcp/ip協(xié)議。主干網(wǎng)采用4臺rs2系列499nos07100施耐德工業(yè)交換機，每臺交換機有5個端口。根據(jù)設備的布置情況，其中2臺交換機設置在計算機室，主控級的各計算機和變電站lcu通過rj45端口電纜與其聯(lián)接；2臺交換機設置在現(xiàn)地，16號泵組lcu和公用設備lcu通過plc以太網(wǎng)模塊、rj45端口電纜直接與其聯(lián)接。 選擇一個合理的網(wǎng)絡拓撲結構，對提高網(wǎng)絡通訊的可靠性和實時性非常重要。經(jīng)過比選，系統(tǒng)采用以工業(yè)交換機為基礎的光纖以太環(huán)網(wǎng)結構，具有以下優(yōu)點： （1）采用對等網(wǎng)工作方式，網(wǎng)上各節(jié)點設備（如plc站、主控計算機）以對等（平等）方式交

5、換信息，某一節(jié)點設備出故障不會影響其他設備和整個網(wǎng)絡的正常工作。而如果采用以服務器為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心的主從網(wǎng)工作方式，則網(wǎng)絡上節(jié)點設備均通過服務器數(shù)據(jù)庫交換信息，服務器的工作負荷相對較重，其運行的可靠性和數(shù)據(jù)處理速度直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性和通訊速率，一旦服務器發(fā)生故障將會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。因此采用對等網(wǎng)的工作方式，系統(tǒng)的可靠性明顯提高。 （2）采用環(huán)網(wǎng)結構，所有網(wǎng)絡節(jié)點設備均掛接在一根首尾相接的環(huán)形線上。它具有故障冗余功能，當環(huán)上某一點出現(xiàn)斷線時，環(huán)網(wǎng)結構500ms內(nèi)自動轉換為總線結構運行，斷點兩邊的節(jié)點設備仍可通過總線進行通訊，可確保系統(tǒng)實現(xiàn)無擾動運行。而如果采用總線結構，所有網(wǎng)絡節(jié)點設備

6、均掛接在一根總線上。當總線上某一點出現(xiàn)斷線故障時，斷點兩邊的節(jié)點設備之間就無法進行通訊，從而影響系統(tǒng)的正常工作。 （3）采用工業(yè)級快速光纖交換機進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。工業(yè)交換機在設計、制造上具有一些不同于商業(yè)交換機的特點：    工業(yè)交換機通常設計成45個端口，而不是商業(yè)交換機那樣的多端口（12、24或更多端口），很好地適應了工業(yè)應用中分布式網(wǎng)絡的特點。同時端口少也意味著工業(yè)交換機在網(wǎng)絡聯(lián)接中進行數(shù)據(jù)傳輸管理的速度更快、可靠性更高，能更好地滿足工控場合的實時性要求。 工業(yè)交換機產(chǎn)品中所有關鍵芯片、集成電路等元器件均按軍用或工業(yè)用較高標準篩選，

7、具有極高的熱穩(wěn)定性和電氣穩(wěn)定性，從而為整個產(chǎn)品的長期穩(wěn)定運行奠定了基礎 工業(yè)交換機在產(chǎn)品工藝設計上，包括印板布線、接地、屏蔽及結構方面，均充分考慮了工控場合的惡劣工作環(huán)境和條件，采取了更為嚴格的防靜電、防電磁干擾、防震動等措施，具有很高的抗干擾能力和電磁兼容性，平均無故障時間不小于17萬小時。 工業(yè)交換機被設計成具有10mbps/100mbps自適應特性和具有連接成光纖環(huán)網(wǎng)結構的功能，特別適用于那些具有較多plc站和計算機作為網(wǎng)絡節(jié)點的場合。 下面是采用工業(yè)交換機的plc系統(tǒng)網(wǎng)絡的部分技術指標： 網(wǎng)絡傳輸速率100mbps 網(wǎng)絡拓撲結構總線型，星型，光纖環(huán)網(wǎng) 網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)光纖，雙絞線 網(wǎng)絡傳輸

8、距離光纖：3100米，雙絞線：100米 網(wǎng)絡通訊協(xié)議以太網(wǎng)tcp/ip 下表概括列出工業(yè)交換機與商業(yè)交換機的主要區(qū)別：    功能    施耐德工業(yè)交換機    3com3300交換機    元器件和設計    工業(yè)級    商業(yè)級    工作電壓    24vdc &

9、#160;  220vac    電源冗余    雙電源    一般沒有    安裝方式    din導軌安裝    桌面，機架    工作溫度    055    050    

10、工作濕度    1095%    1095%    冷卻方式    無需風扇    需要風扇    電磁兼容性標準    en50081-2（emc，工業(yè)）    en50081-1（emc，辦公室）    冗余環(huán)網(wǎng)故障切換時間 

11、   500ms    無法組成100m光纖環(huán)網(wǎng)    mtbf值    17萬小時    6105小時    要求備品備件供貨時間    10年    35年 以上參數(shù)分別摘自施耐德公司工業(yè)交換機和3com商業(yè)交換機產(chǎn)品技術資料。     

12、; 圖1太浦河泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構圖 2.2 主控級 主控級包括：    2臺主計算機兼操作員工作站：雙機冗余熱備,可任選其中1臺作為主控計算機運行,完成監(jiān)視和控制,另1臺作熱備用。機型為hp visualize x4000工作站，彩色液晶顯示器為18.1”tft。 1臺廠長總工監(jiān)視終端：只用于對泵站設備進行監(jiān)視。機型為工控機+彩色液晶顯示器。 2臺通信服務器：負責系統(tǒng)的對外通訊。機型為工控機+彩色液晶顯示器，其中1臺供吳江供電局專用，1臺供水務局用。 1臺打印計算機和3臺打印機 ups電源系統(tǒng)：采用梅蘭日蘭comet s31系列， 容量15kva，后

13、備時間1h，供全站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)使用。輸入：380v±15%，輸出：220±1%。共設5面柜，其中1面主機柜、3面電池柜、1面配電柜，系統(tǒng)采用雙回路供電，一主一備 3.2 主控級 主控級包括：    2臺主計算機兼操作員工作站：雙機冗余熱備,可任選其中1臺作為主控計算機運行,完成監(jiān)視和控制,另1臺作熱備用。機型為hp visualize x4000工作站，彩色液晶顯示器為18.1”tft。 1臺廠長總工監(jiān)視終端：只用于對泵站設備進行監(jiān)視。機型為工控機和彩色液晶顯示器。 2臺通信服務器：負責系統(tǒng)的對外通訊。機型為工控機

14、和彩色液晶顯示器。1臺供吳江供電局專用，1臺供水務局用。 1臺打印計算機和3臺a3打印機 ups電源系統(tǒng)：采用梅蘭日蘭comet s31系列， 容量15kva，后備時間1h，供全站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)使用。輸入：380v±15%，輸出：220±1%。共設5面柜，其中1面主機柜、3面電池柜、1面配電柜，系統(tǒng)采用雙回路供電，一主一備，設置30回出線。 投影機：型號barco slmr6，屏幕sas 150”nwa背投。 可刻寫光盤設備和語音報警系統(tǒng) 3.3 現(xiàn)地控制單元 現(xiàn)地控制單元級包括16號泵組現(xiàn)地控制單元（16lcu）、公用設備現(xiàn)地控制單元（7lcu）、變電站

15、現(xiàn)地控制單元（8lcu）。每個現(xiàn)地控制單元均以modicon-quantum系列plc為控制核心，采用10.4”彩色觸摸屏作為人機界面。plc為模塊化結構，具有以太網(wǎng)模塊，可直接連接100mbps以太網(wǎng)，具有雙電源熱冗余，可靠性高。    泵組現(xiàn)地控制單元（16lcu） 16lcu各1面柜，布置在機旁，用于泵組的數(shù)據(jù)采集、處理和開停機控制。泵組lcu通過232/485轉換接口采用modbus通訊協(xié)議完成與泵組6kv開關柜的微機保護單元、測量單元的通訊。稀油站plc控制裝置通過modbus plus網(wǎng)絡實現(xiàn)與泵組lcu通訊。水泵、電機及齒輪箱的各種自動化元

16、件如壓力變送器、溫度傳感器、電磁閥、示流信號器等經(jīng)現(xiàn)地端子箱轉接后引入lcu的i/o模塊。 設置獨立于plc，硬布線的緊急停機按鈕、手動開機按鈕、開/關電磁閥按鈕作為備用，以便在緊急情況和調(diào)試期手動開機時使用。    公用設備現(xiàn)地控制單元（7lcu） 7lcu共1面柜，布置在現(xiàn)地5lcu旁，用于全站公用設備的監(jiān)控。 公用設備lcu通過modbus plus網(wǎng)絡實現(xiàn)與技術供水泵plc、滲漏排水泵plc、消防供水泵plc、清污機集中控制plc、液壓油泵站plc以及亭子港閘橋plc的通訊。各系統(tǒng)只將少量的信號以硬接點方式送至公用設備lcu，其它監(jiān)控信號均通過通

17、訊方式實現(xiàn)。少量的信號包括plc裝置本身故障和電源故障，這樣即使網(wǎng)絡通訊故障，上位機和lcu也能采集到該信號，確保可靠性。    變電站現(xiàn)地控制單元（8lcu） 8lcu共1面柜，布置在變電站繼保室，用于變電站設備的監(jiān)控。 變電站lcu通過modbus 網(wǎng)絡實現(xiàn)與sepam繼保單元、pm500測量單元、多功能電度表、micrologic5.0p低壓400v智能測控單元、220v直流電源裝置的通訊。主變、站變、35kv和6kv母線pt等設備的部分信號通過硬布線接入變電站lcu的i/o模塊，以滿足供電部門的要求和事件順序記錄（soe）分辨率的需要，便于故障的

18、分析和處理。4系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件配置如下：操作系統(tǒng)軟件window 2000；工業(yè)監(jiān)控軟件：intouch7.11；數(shù)據(jù)庫軟件：insql；系統(tǒng)編程軟件：concept。    系統(tǒng)采用intouch7.11組態(tài)軟件，并由上海東屋電器有限公司在此基礎上設計開發(fā)了一套完整的應用系統(tǒng)，從而為泵站提供了實時可靠、直觀生動的監(jiān)控平臺。intouch7.11是當今世界上最成熟、使用最普遍的主流工業(yè)監(jiān)控軟件之一，它具有以下主要技術特點： 開放易用的開發(fā)環(huán)境 intouch采用通信技術的現(xiàn)有標準，并與微軟的未來技術相結合，為應用開發(fā)人員提供了一個更加開放和易用的開發(fā)環(huán)

19、境。intouch支持所有最新的工具，包括activex、opc、wonderware的suitelink以及標準的dde。    良好的兼容性和設備集成能力 intouch提供多達數(shù)百種的32位i/o sever,使之可以非常方便地與世界上幾乎所有plc產(chǎn)品（如ab、西門子、modicon、sguared、三菱、歐姆龍、ge等）和絕大多數(shù)dcs系統(tǒng)及智能儀表實現(xiàn)網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)通訊。    強大的組態(tài)功能 intouch提供方便易用的圖形處理和動態(tài)顯示工具以及豐富的圖形庫。   

20、60;強大的i/o處理能力。 intouch可以處理最多達60000個標志的i/o信息，對這些信息實施動態(tài)監(jiān)測和控制，從而滿足各種大型自控系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的需要。 2)系統(tǒng)采用施耐德modicon plc作為基本控制單元，采用基于windows界面的調(diào)試編程軟件concept，可提供5種編程手段，既可用梯形圖又可用高級語言編寫應用程序，并且提供大量功能塊，使編程更加靈活方便。 5系統(tǒng)主要功能 5.1主控級功能 主控級設備在中控室和計算機室。主要功能如下：    數(shù)據(jù)采集：接收各現(xiàn)地控制單元發(fā)送的操作和事件數(shù)據(jù)，存入實時數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新、控制調(diào)節(jié)、趨

21、勢分析、記錄打印、操作指導及事故記錄和分析。數(shù)據(jù)采集可以周期性進行，在所有時間內(nèi)，可由操作員或應用程序發(fā)命令采集任何一個現(xiàn)地控制單元的過程輸入信息。 數(shù)據(jù)處理：進行數(shù)據(jù)編碼，校驗傳輸誤差及數(shù)據(jù)傳輸差錯的控制。生成各種數(shù)據(jù)庫，供顯示、刷新、打印、檢索等使用。對重要監(jiān)視量如溫度進行趨勢分析，泵組流量、上下游水位、閘門開度等進行運行曲線顯示。 監(jiān)視：對泵站主要運行參數(shù)、事故、故障、狀變以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線、色彩變化、信號閃爍及不同頻率的語音報警等形式進行動態(tài)顯示。能對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視，監(jiān)視過程中的主要操作參數(shù)變化及狀變，并在lcd上顯示。當發(fā)生過程阻滯時，給出阻滯原因及事故處理指導性畫面供

22、運行人員確認，將泵組等設備轉移到安全運行狀況或停機。 控制：運行人員通過鍵盤、鼠標對被控對象進行調(diào)節(jié)和控制?？刂频闹饕獌?nèi)容包括泵站控制方式的選擇、泵組的開/停、經(jīng)濟運行功能的投/切、開關的分/合、有載分接開關的升/降、閘門的啟/閉、公用設備的操作、各種整定值和限值的設定等。 經(jīng)濟運行：根據(jù)操作員或上級主管部門給定的抽水總流量，自動計算出當前水頭下泵站的最優(yōu)泵組組合。最優(yōu)化目標是在滿足給定總流量的條件下電動機用電量最低，避免頻繁啟停和頻繁調(diào)整的操作，按泵站進出水池的最佳流態(tài)選擇運行水泵。 記錄和打?。核斜O(jiān)控對象的操作、報警事件及實時參數(shù)報表都可記錄下來，并送存貯設備作為歷史數(shù)據(jù)。除在lcd顯示

23、外，還能在打印機實現(xiàn)定時或召喚打印。 運行管理：積累泵站運行數(shù)據(jù)，為提高泵站運行維護水平提供依據(jù)。包括：根據(jù)運行工況計算全站消耗總功率、用電量總和、抽水量、每臺泵抽水效率；累計泵組開、停次數(shù)、累計開機運行時數(shù)、停機時數(shù)、檢修退出時數(shù)；累計變壓器、斷路器等主設備運行時間、動作次數(shù)，檢修次數(shù)和時間；累計油泵、供排水泵等間歇運行的輔助設備動作次數(shù)，檢修次數(shù)和檢修時間；統(tǒng)計各類主設備和輔助設備所發(fā)生的事故和故障次數(shù)及正常切除次數(shù)；運行操作指導和事故處理指導, 根據(jù)主設備狀態(tài)和控制要求, 顯示運行操作和調(diào)整的指導性畫面, 供運行人員確認執(zhí)行; 在泵站主設備出現(xiàn)異常和事故時, 提出對策和事故處理的指導性意

24、見供運行人員確認執(zhí)行或僅供參考等等。 系統(tǒng)診斷：可對系統(tǒng)的硬件設備進行在線和離線診斷，故障點的診斷到模板級?？蓪浖M行在線診斷，診斷出故障軟件功能塊并發(fā)報警信號。 軟件開發(fā)：泵站軟件編輯人員可以在線或離線地進行應用軟件，顯示畫面，報表庫等的編輯，調(diào)試，裝入、卸除和修改。在線進行上述工作的同時能保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能的正常實施。 5.2現(xiàn)地控制單元功能 各現(xiàn)地控制單元lcu不因主控級發(fā)生故障而影響lcu各自的監(jiān)控功能，即可接入網(wǎng)絡協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)指定的功能。當與系統(tǒng)脫離時又可獨立工作，實現(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：完成

25、對監(jiān)控對象各種模擬量、開關量和脈沖量的采集；將采集的電氣量進行工程值變換和預處理，上送主控級并在現(xiàn)地上顯示；將采集的電氣量、溫度量、泵組振動及擺度等非電量進行越限比較，及時將越限情況及數(shù)據(jù)送往主控級，并在現(xiàn)地顯示和報警；將采集的過程控制狀態(tài)量，電氣保護報警量、機械保護報警量隨時上送主控級，并在現(xiàn)地上顯示和報警；事故和故障情況下能自動采集事故或故障發(fā)生時刻的有關數(shù)據(jù)，并按其發(fā)生的順序記錄事故或故障的性質(zhì)，發(fā)生的時間等等。 顯示監(jiān)視：可顯示泵站電氣量、非電量及被控設備的狀態(tài)，能對泵組起動前條件以及各種運行的情況進行顯示監(jiān)視?，F(xiàn)地控制單元還留有與便攜式計算機相連的插接口，通過連接，可在便攜式計算機上

26、顯示設備運行狀態(tài)和參數(shù)，單元控制器狀態(tài)等。 控制調(diào)節(jié)：既可接受主控級指令，又可在現(xiàn)地進行操作，當現(xiàn)地控制單元上的遠方/現(xiàn)地軟開關處于“遠方”位置時只接受主控級指令；當開關處于“現(xiàn)地”位置時，只可在現(xiàn)地操作，閉鎖主控級控制指令，但不影響上送信息。 通訊控制：能完成與主控級和現(xiàn)場設備的通訊。 自診斷功能：可對系統(tǒng)的硬件設備和軟件進行自診斷，故障點的診斷到模板級。當診斷出模塊的故障時，自動閉鎖控制出口，并將故障信息上送到主控級，同時在現(xiàn)地控制單元上有顯示、報警。 6系統(tǒng)性能指標 6.1主控級的響應能力 1) 數(shù)據(jù)采集響應時間 非電量、電量等模擬量和全部數(shù)字量每1秒鐘一次采集存儲到實時數(shù)據(jù)庫或等效實時

27、存儲區(qū)中。 2) 人機通信響應時間    在正常的cpu負載率和通信負荷率情況下，從開始調(diào)用畫面到完整畫面出現(xiàn)的時間小于1s。 在已顯示畫面上動態(tài)數(shù)據(jù)刷新時間為2-5s可調(diào)。 操作命令發(fā)出到單元控制器接收命令并回答響應的時間小于2s。 報警或事故發(fā)生到lcd屏幕顯示的時間小于2s。 3) 主控制級控制響應時間時間不超過2s。 4) 主控級對調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的響應時間，能滿足調(diào)度系統(tǒng)遠動規(guī)約的要求。 6.2 單元控制級的響應能力 1) 數(shù)據(jù)采集時間    數(shù)字量輸入點(di、bcdi)采樣周期小于0.5s。 電

28、量，采樣周期小于0.5s。 非電量，采樣周期小于1s。 事件順序點(soe)分辨率小于5ms。 3)控制響應時間    控制命令回答響應時間小于1s。 接受控制命令到執(zhí)行控制的響應時間小于1s。 6.3 系統(tǒng)的可靠性:系統(tǒng)的平均故障間隔時間mtbf大于10000h，現(xiàn)地控制單元mtbf大于16000h。 6.4系統(tǒng)的可利用率:整個系統(tǒng)的年可利用率不低于99.95。 7系統(tǒng)特點    采用以工業(yè)交換機為基礎的光纖以太冗余環(huán)網(wǎng)結構，提高可靠性和實時性。 主控級采用100mbps快速以太網(wǎng)構成系統(tǒng)的主通道，plc具有雙電源冗余，可直接連接100mbps以太網(wǎng)，這是目前國際上先進的技術