計算機監控系統在長距離輸水工程中的應用

張百敏

（南瑞集團有限公司 江蘇省南京市 210013）

隨著傳感器、計算機、通信及網絡技術的發展，其中任何一種技術有了新的突破，必然帶來計算機監控系統的進步和改革。計算機監控系統可以方便、安全、可靠的采集與處理、監視、控制被監控對象，使泵站能夠更好的實現“無人值班，少人值守”。

1 概述

在長距離輸水工程中計算機監控系統可以監視控制全線設備，為運行管理類人員提供了便利。本文內容主要介紹計算機監控系統在長距離輸水工程的應用。

2 PLC是長距離輸水工程計算機監控系統的核心

（1）PLC 因其可靠性、可擴展性、易操作性，使其成為計算機監控系統中控制器選擇的主流，PLC 主要由電源模塊、CPU 模塊、IO 模塊、網絡模塊幾部分組成。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PLC 系統的控制和運算的中心，PLC 模塊中IO 模塊就像人的感知系統, 與監控對象的信號傳輸主要以硬接線為主。網絡模塊是PLC 與其他系統信息交互的高速接口。

（2）大腦的控制和運算結果的準確性需要依賴于感知系統，因此IO 的穩定性和準確性是CPU 準確控制及運算執行的基礎。為保證IO 系統的穩定性和準確性， IO 與CPU 通過環網結構保證之間鏈路的可靠性及穩定性。CPU 在高速運算和控制過程中，即使是鏈路系統內有任意一個節點斷開，也都不會影響IO 與CPU 系統間信息的傳輸。看上去我們的系統已經很完善，但是其中還存在問題，當CPU 在高強度計算和控制過程中出現宕機問題，那整個系統也就癱瘓了。這時就引出了冗余CPU，主備PLC 互相連接并與整個IO 系統形成環網，這樣就保證了IO 與CPU 中任何一個節點斷開都不會影響整個系統，并且冗余間切換基本能達到無縫切換，因此在雙CPU 和IO 系統環網的雙重保證下，整個系統穩定性和可靠性以及準確性都有了突飛猛進的提高,為上層系統提供了強有力的保障。

（3）網絡模塊是PLC 通訊的接口，上位機計算機監控系統軟件通過IP 和端口號標識在網絡中來確定要通訊的PLC，一般為保證系統的穩定性也選用主備網絡模塊，為網絡提供接口冗余。PLC與上位機計算機監控系統主要以網絡通訊，應用層通訊協議主要采用簡單易用ModbusTCP 協議，PLC 程序基本采用面向對象的思想，每個對象有獨立的對象號，對每個對象的操作有不同的操作號。上層監控系統通過事先約定好的命令方式，發送控制請求，PLC 接收控制命令后會先判斷控制命令的合法性，然后根據控制命令中包含的對象和操作，指定到相應的控制流程，控制流程觸發并判斷對象是否具備操作條件。如不具備條件則生成報警信息，并反饋給上層系統。如具備條件則控制流程正常執行，并在流程成功時向上位機計算機監控系統反饋成功信息。

圖1

（4）PLC 可根據長距離輸水工程中現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，計算機監控系統基本作用是采集水泵的狀態信息，并在需要時向設備下發水泵控制命令，以啟動控制為例，PLC 的CPU 接收到控制命令后，先進行合法性判斷，確認合法后執行啟動控制流程，流程第一步會對啟動條件進行判斷，如果具備開閥條件則CPU 將DO 模件的對應點置一導通，DO 對應的繼電器線圈導通，線圈電生磁后吸合，導致常開觸點閉合，水泵控制器接收到啟動信號后動作，動作的同時，PLC 的DI 模件實時監測到水泵運行信號，并傳輸給CPU,CPU 通過網絡通訊將信號傳輸給上位機計算機監控系統，流程判斷中接收到運行信號后得知啟動操作已經成功，便向上位機計算機監控系統發送啟動成功提示，示意如圖1。

3 配電是長距離輸水工程計算機監控系統的心臟

（1）現地控制單元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，當市電失去自動切換裝置會將電源自動切換到UPS 供電，當市電恢復時又會自動切換回市電供電回路。

（2）雙電源輸入解決了系統內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不同的電源輸入源采用不同的供電回路，市電供電時供電回路為所有控制單元內設備供電，UPS 供電時因其供電能力有限，因此選擇關鍵設備為其供電，如PLC、網絡設備、人機界面觸摸屏、通訊管理裝置等。

（3）供電是整個現地控制單元的心臟，沒了電什么都談不了，所以必須要保證其供電的穩定性，特別是在緊急情況下，如正在運行的泵組因全廠失電導致電機停止，這時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地控制系統能夠有條件迅速運算及處理后發出事故停機信號保證整個泵組安全。

4 通訊管理裝置長距離輸水工程計算機監控系統對外通訊的幫手

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控對象，如一些設備硬接線接口數量有限或模擬量信號必須要求很精確時，便采用串口通訊的方式取得數據，通訊管理裝置對數據進行整裝處理后并集中與PLC 之間通過網絡通訊的方式進行數據交互，為計算機監控系統增加了更多的通訊方式，增強了整個系統的可擴展性。

5 觸摸屏是長距離輸水工程計算機監控系統中現地監控的人機交互終端

觸摸屏通過網絡通訊方式與PLC 進行通訊，包含對象數據和操作的展示接口，方便操作人員現場操作。降低了現地監控與上位機計算機監控軟件系統之間耦合性，現地監控可獨立于上位機監控軟件系統運行。

6 電路保護措施是長距離輸水工程計算機監控系統現地監控的平穩運行的關鍵

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

7 網絡是長距離輸水工程計算機監控系統間數據交互的媒介

網絡是現地監控與上位機計算機監控系統數據通訊及資源共享的媒介，計算機監控系統中的網絡結構采用分層的分布式結構，在現地監控與上位機計算機監控系統間采用環網結構，當網絡鏈路中一個節點出問題不會級聯導致其他節點出問題，在可靠性要求特別高的工藝環境下，從采集控制設備、到服務器可以采用雙機雙網的冗余結構。

（1）現地控制層控制器采用雙CPU 冗余及雙網結構，其中一臺主CPU 宕機，后，系統監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定性。

（2）網絡層采用雙網傳輸環網結構，有效的保證了鏈路的可靠性及穩定性。環網內設一臺環網管理者，其余為環網成員，環網管理者負責實時監測環網鏈路狀態，當環網鏈路中任意一個節點斷開時，環網管理者會自動切換到另一條鏈路，保證鏈路的聯通。

（3）泵站軟件監控系統層采用多機冗余的部署結構，任何一個主節點出了問題，從節點都會接管系統任務，有效的保證了鏈路的可靠性及穩定性。

（4）泵站與調度之間網絡分區，分為數據區和業務區，數據區采用數據專線經過防火墻通過一些策略攔截后接入計算機監控系統核心交換機。業務區采用業務專線用于視頻監視系統數據交互等。

8 長距離輸水工程計算機監控系統間層級操作及權限分配，主要可分為三層，分別是調度中心層、管理中心層、現地監控層

（1）調度中心主要是與管理中心層進行信息交互完成全線數據采集與處理、控制命令下發、可視化數據展示、報表數據統計、語音報警等功能。管理中心主要是與現地監控層進行信息交互完成現地級數據采集與處理、控制命令下發、可視化數據展示、報表數據統計、操作記錄、語音報警、模擬量越限報警設置等功能?，F地監控層主要是與現地設備信息交互完成現地數據采集與處理、控制命令下發、可視化數據展示、操作記錄、控制流程報警等功能。

（2）設備控制方式來源有調度中心、管理中心、現地觸摸屏、現地控制柜按鈕等，控制權限由高到低分別是設備現地控制按鈕、監控層現地觸摸屏、管理中心、調度中心。當現地觸摸屏想對設備進行控制時必須向設備現地控制柜請求操作權限，獲得操作權限后即可在現地觸摸屏進行控制命令下發，對相應設備進行控制。當管理中心想要控制現地設備時，必須在現地監控層將權限給到管理中心，管理中心即可進行控制命令下發。當調度中心想要控制現地設備時，必須在管理中心層將權限給到調度中心，調度中心即可進行控制命令下發。

（3）監控系統軟件功能主要有數據可視化展示、控制與調節、數據存儲、曲線及報表查詢、用戶權限管理、報警提示及可配置管理。數據可視化通過3D 技術展示泵站工藝的立體效果，并且輔助相應的顏色動態效果等方式，動態展示設備運行狀態。監控系統軟件內通過按鍵的方式下發控制，通過數值輸入的方式調節模擬量輸出，如頻率、電流調節等，軟件層會對控制與調節命令進行合法性校驗，來防止誤操作或誤輸入，如何合法性符合要求則下發，不符合要求則彈出提示等。監控軟件數據存儲是可配置的，可根據需要進行存儲，為曲線及報表查詢提供歷史數據，數據庫采用主流的關系型數據庫，通過數據庫優化，索引優化，加快數據的查詢相應速度。用戶可根據需要進行用戶管理，將系統內的一些權限授予給角色，再將角色和用戶關聯起來，那么用戶就有了角色下被授予的權限，進入系統時不同的用戶就享有不同的權限。因模擬量限位值不確定，增加報警限位配置畫面，操作人員可對報警上下限位進行配置，增強了報警的靈活性。

（4）監控系統硬件基本采用多機冗余的思想，調度中心及管理中心主要由通訊服務器、數據庫服務器、操作員工作站、語音報警雙機冗余等計算機設備組成，具備良好的可靠性和穩定性，保障系統安全穩定運行。

9 結束語

長距離輸水計算機監控系統在泵站運行管理過程中起到了舉足輕重的作用，雖然系統已經給日常管理提供了很多便捷，但是計算機監控系統的發展還沒有完全達到盡頭，相信隨著自動化設備、計算機、集成電路、工業以太網等高新技術的發展，計算監控系統還會面臨著很多機遇和挑戰。