泵站計算機自動控制系統結構及原理

張晨曦

【摘 要】本文介紹了泵站計算機自動控制系統結構及原理，講述了泵站計算機控制系統分類，泵站計算機監控系統結構與功能。

【關鍵詞】泵站；自動；監控

計算機監控系統和早期常規的自動化系統有著本質的不同，它具有響應速度快、大容量信息存儲和記憶、復雜運算和邏輯思維判斷、管理能力豐富、組網能力強等一系列優點。因此，采用計算機監控技術已經開始成為當前泵站自動化的熱門課題，國內外有了諸多的應用研究與實施案例。

1.泵站計算機自動控制系統的結構

泵站計算機自動控制系統一般由計算機監控系統、計算機繼電保護系統、計算機直流系統、計算機勵磁系統、計算機視頻監控系統等構成。以實現對全站設備的數據采集和實時控制；通過通信服務器負責對監控系統以外的所有設備如保護、直流、勵磁等站內計算機自動化設備及整個樞紐中其他工程的自動化設備的數據采集與部分控制，并實時傳送給泵站內各監視站點；通過廠長終端使領導能及時了解到泵站機組運行工況，以實現對泵站機組的遠方啟停控制；通過視頻監控系統將現場圖像實時傳送至中控室，以直觀視頻圖像信號及時了解現場環境、人員工作、設備運行情況、安全保衛等。

2.泵站計算機控制系統分類

從目前采用計算機控制系統的泵站來看，常見的計算機控制系統類型主要有集中式處理系統和分層分布式處理系統兩種。

2.1 集中式處理系統

集中式處理系統指將該系統的各種功能，如數據采集、數據處理、人機通信等均集中完成。這里既包括邏輯上的集中，同時也含有物理上集中的意思。集中式處理系統是通過數據采集系統對水泵站運行過程及參數進行采集、處理、分析計算，并將結果用于控制水泵站的自動化運行操作和監督報警。該系統通常是全泵站只設置一臺或二臺監控計算機，對整個泵站進行集中監視、控制。由于水泵站所有信息都要送到計算機進行處理，所有操作、控制命令都由計算機發出，因而計算機的工作負荷大，對計算機可靠性要求很高，若計算機出現故障，將導致全系統癱瘓。其次，生產過程所需采集的狀態和參數均直接引入計算機，當泵站機組臺數較多時，現場敷設電纜會過多過長，不僅成本高，安裝維護不方便，而且抗干擾能力差，信號誤差大，且系統的可擴展性和可維護性較差。目前大型水泵站均不采用集中式處理系統，但在一些泵機組臺數不多、控制功能要求較簡單的中小型水泵站中，仍然可以采用這種方式的監控系統。其控制計算機的配置方式可采用雙機冗余配置方式。

2.2 分層分布式處理系統

美國電工電子學會計算機學會給分布系統的定義為：“分布計算系統是這樣一種系統，其中包含多個相連的物理資源，它們能夠在全系統范圍的統一控制下，對單一問題進行合作，而最少依賴集中的處理、集中的數據或集中的硬件”。而英國國家科學研究委員會下屬計算科學委員會的定義為：“分布計算系統是這樣一種系統，其中包含多個獨立但又有交互作用的計算機，它們對一個共同問題進行合作。這種系統的特性是包含多個控制路徑，它們執行一個程序的不同部分而又相互作用”。分布式系統最基本要求是：多個分布的資源；統一的操作系統；資源獨立而又相互作用。可按功能、對象以及兩種方式結合構成應用系統。

分層控制理論是20世紀80年代發展起來的一種新理論，它是控制系統理論的一個分支，是從控制論的角度來研究多個互相影響的系統的控制方法。它把“中央的控制中心”對“各予系統的控制中心”的監視，以及確定“各子系統控制中心”的控制方向問題提高到理論上來，從控制命令的產生、命令執行結果信息的反饋流向、被采集的信息上傳關系、各級的操作權限等來看，是一個典型的正置三角形的、中央——地方模式的、帶有一定程度中央集權性質的系統。

分層分布式處理系統是目前大中型水泵站較多采用的控制方式。它以控制對象分散為主要特征，即以水泵機組、變電站、公用設備（如輔機設備）、閥門等按控制對象為單元設置多套相應的裝置，構成水泵站的現地控制單元，完成控制對象的數據采集和處理、泵機組等主要設備的控制和調節，并可通過網絡完成泵站各裝置的數據通信功能。該系統有以下特點：

（1）可使水泵站受控設備大量的信息實現就地采集處理并完成控制任務，提高信息處理的效率和實時性，避免了因向控制室傳送大量信息而使電纜線過多而導致的一些不良后果。

（2）受控設備可以獨立完成其功能。當某一臺受控設備的控制系統出現故障時，不影響全站其他設備的正常工作；而當主控計算機出現故障時，雖說全站的功能會受到影響，但各子系統依然能夠照常工作。

2.3 全開放、全分布式監控系統

IEEE對開放系統的定義是“按照開放的接口、服務和支持格式規范而實現的系統，它使應用軟件能以最少修改，實現在不同系統中的移植；能同本地的或遠程系統中的應用實現互操作：能以方便用戶遷移的方式實現用戶間的交互”，即開放系統是指一個綜合性的有關信息方面的國際標準集，考慮數據、人員互操作性及可移植性而描述的對接口、格式、功能所作的規定。是建立在“正式的標準”和“事實上的標準”基礎之上的有關計算機和通信系統的公用協議。開放系統的特點主要是系統擴充或升級時最大限度地保護用戶的硬件投資，最大限度地利用已有的軟件資源，能以最簡便的方法升級，且具有非常友好完善的人機界面。開放技術的應用，極大地提高了系統開發與集成效率。

全開放、全分布式監控系統是近年來發展并得到廣泛采用的一種工業控制系統。這種新系統是圍繞著應用軟件接口標準、網絡通信接口標準和用戶操作接口標準，遵循國際組織IEEE、ISO、IEC等的有關標準組成一個開放式的總線網絡，采用以UNIX操作系統為基礎的操作系統；根據分布控制對象而設置的現地控制單元（LCU），也按標準通用規約接入總線網絡。

3.泵站計算機監控系統的一般結構和功能

（1）泵站控制層

泵站控制層是整個監控系統的核心。其站控級主要由主控機和工作站等數臺計算機構成，一般配有一臺打印機等輔助設備，并由一個單總線以太網形式聯成一個計算機網絡系統。在這一級上，硬件的配置比較靈活，一般可根據需要增加或減少工作站的個數。使用總線形網絡，增加或減少具有某些功能的工作站可在任意時間（系統組建或系統投運后）進行。在圖示的系統中，主控機主要用于完成計算機監控系統在這一級上的各種任務，如：安全監視、運行管理、系統自診斷與上、下層通訊等。而圖形工作站則主要完成人機接口功能，如各種畫面的顯示，各種控制命令的發出等。此外，當系統硬件資源較為緊張時還可增設：培訓工作站，用于人員的培訓；工程師工作站，用于系統的設置和軟件調試、開發；通信工作站實現與保護系統、勵磁系統及直流系統等的通信，通過串行口進行上述設備的實時數據采集和設備操作的控制：模擬屏工作站，用于模擬屏的控制等。

（2）現地控制單元層LCU

計算機監控系統的現地控制層在分布式控制系統中，主要是指針對某一特定的控制對象而設置的遠方終端設備（RTU），又稱現地控制單元（LCU）。它們分別通過各自的網絡硬件設備（網卡），在相應的軟件支持下，與站控級一起連成一個計算機局域網。它主要負責完成現場設備各種數據的采集、處理及事件的記錄，信息傳輸，設備控制、保護等工作，并通過以太網通訊協議與站控級計算機相連，傳送各運行設備的實時數據。一般主要有泵機組現地控制單元、公用現地控制單元和開關站現地控制單元等組成。四臺機組現地控制單元分別對四臺機組實施監控；一臺公用現地控制單元用于對泵站的公用系統，如油、水、風系統等進行監測和控制，而一臺開關站的現地控制單元對開關站實現監控。

參考文獻：

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[2]壬錦榮.棉花灘水電站計算機監控系統，水力發電，2001（7）

[3]文念筑，唐從福，謝勁松.分層分布式計算機監控保護系統，電氣時代，2001（12）

（作者單位：武漢市排水泵站管理處）