辛莊泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造研究

王志平

（山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心招遠(yuǎn)管理站 山東省招遠(yuǎn)市 265400）

1 引言

針對我國水資源有南北分配不均的特點(diǎn)，泵站作為水利工程組成部分，在解決洪澇、干旱、水資源環(huán)境日益惡化等當(dāng)今社會(huì)面臨的眾多問題中占據(jù)至關(guān)重要的地位，特別是大中型泵站，承擔(dān)著發(fā)電、灌溉、跨流域供水和改善下游通航條件的重任，因此需要建立高效穩(wěn)定的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，保證泵站的平穩(wěn)運(yùn)行[1]。

山東調(diào)水辛莊泵站有8 臺(tái)機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組功率為1400kW。截止當(dāng)前，整套控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用了十幾年，系統(tǒng)各模塊均存在不同損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性以及穩(wěn)定性存在一定程度的影響，偶爾存在系統(tǒng)上傳信息不完整等現(xiàn)象，因此，對整個(gè)泵站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，是目前山東調(diào)水辛莊泵站亟待解決的一大問題。

2 泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)介紹

通常情況下，當(dāng)前的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括泵站控制層、現(xiàn)地層及網(wǎng)絡(luò)傳輸層幾大部分。

2.1 泵站控制層

泵站控制層是整個(gè)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)最為重要的一級，通常包括工作站以及主控機(jī)組成，并通過以太網(wǎng)方式進(jìn)行構(gòu)建，結(jié)合泵站的實(shí)際所需，能夠?qū)ぷ髡具M(jìn)行靈活配置[2]。通過采取總線型的組網(wǎng)方式，能夠?qū)λO(jiān)測的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對泵站各機(jī)組的勵(lì)磁、溫度、保護(hù)等系統(tǒng)的全面監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，主要包括系統(tǒng)診斷、運(yùn)行監(jiān)測以及系統(tǒng)設(shè)置與控制等。

2.2 現(xiàn)地層

現(xiàn)地層是整個(gè)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，主要用于實(shí)現(xiàn)泵站各個(gè)機(jī)組的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集以及處理等操作，通過借助相應(yīng)的采集設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)各機(jī)組的勵(lì)磁、溫度、保護(hù)等數(shù)據(jù)信息的獲取，并將采集后的信息通過串口或者網(wǎng)絡(luò)方式傳輸至PLC 或遠(yuǎn)程的泵站控制層主控機(jī)中進(jìn)行處理或存儲(chǔ)，同時(shí)，還能夠被遠(yuǎn)程的泵站控制層進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度和指令控制，當(dāng)控制層發(fā)生相應(yīng)故障，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制時(shí)，現(xiàn)地層各機(jī)組能夠與控制層主機(jī)相脫離，各自完成相關(guān)受控對象的監(jiān)測，在一定程度上能夠增加泵站系統(tǒng)的可靠性[3]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是整個(gè)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，能夠有效保證各機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的快速可靠傳輸。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸層中通常采用串行通信以及以太網(wǎng)方式進(jìn)行[4]。由于泵站各機(jī)組中的勵(lì)磁、保護(hù)等裝置或設(shè)備的通信能力受裝置本身硬件配置所限制，導(dǎo)致不能采取統(tǒng)一的總線方式進(jìn)行連接，所以與上述設(shè)備通信主要采用串行數(shù)據(jù)通信方式，由通信工作站等承擔(dān)此功能，采集的信息經(jīng)預(yù)處理，經(jīng)以太網(wǎng)送各上位機(jī)進(jìn)行顯示。

3 泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造分析與設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案分析

對辛莊泵站計(jì)算級監(jiān)控系統(tǒng)的改造過程中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工作人員對泵站8 臺(tái)機(jī)組及配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)行的高效管控，首先需要對老的辛莊泵站計(jì)算級監(jiān)控系統(tǒng)的方案所存問題進(jìn)行全面分析，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，早期的山東調(diào)水辛莊泵站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1：早期的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2：改造后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3：遠(yuǎn)程控制邏輯圖

從早期的辛莊泵站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖能夠看出，各個(gè)機(jī)組的PLC 主要通過串口線與相應(yīng)的工控機(jī)進(jìn)行信息交互，將實(shí)時(shí)監(jiān)測的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)首先需要送入至工控機(jī)中，然后通過工控機(jī)利用以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程的調(diào)度室進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，在本地也可以直接通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)與調(diào)用。此種方式，由于各個(gè)機(jī)組的PLC 不能夠直接與遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，在一定程度上降低了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)，難以充分發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而且容易受到工控機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，難以有效保證系統(tǒng)的監(jiān)測效率。

3.2 改造方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合辛莊泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案的具體分析可知，通過借助以太網(wǎng)能夠?qū)囟妊矙z、勵(lì)磁裝置以及流量計(jì)等數(shù)據(jù)信息通過PLC 獲取后與調(diào)度級的操作站等相關(guān)上位機(jī)進(jìn)行直接通信，各種外圍的監(jiān)控設(shè)備均可以直接與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，調(diào)度級的上位機(jī)可以直接利用Web 方式訪問服務(wù)器或現(xiàn)地級的各個(gè)PLC 的監(jiān)控情況，對各泵站的具體運(yùn)行工況進(jìn)行直觀掌握，各監(jiān)測數(shù)據(jù)也能夠通過局域網(wǎng)進(jìn)行高效傳遞，具體的改造后的辛莊泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖2。從改造后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以看出，該辛莊泵站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕涩F(xiàn)地級、調(diào)度級以及網(wǎng)絡(luò)傳輸層三級構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過采取以太網(wǎng)傳輸方式，利用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通信。

結(jié)合具體改造方案，以及老的辛莊泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所存問題，改造后的整個(gè)山東調(diào)水辛莊泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊主要包括信息采集和傳輸、信息處理及預(yù)警以及遠(yuǎn)程調(diào)度控制三大核心模塊。

3.2.1 信息采集和傳輸模塊

信息采集和傳輸模塊主要針對的是辛莊泵站現(xiàn)地級，具體通過PLC 對需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。在實(shí)際的采集過程中，主要利用PLC 系統(tǒng)對各個(gè)機(jī)組的溫度巡檢、勵(lì)磁裝置以及數(shù)據(jù)等運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在各設(shè)備上進(jìn)行現(xiàn)地顯示，供巡檢人員現(xiàn)場核查。PLC 與上位機(jī)系統(tǒng)使用TCP/IP 通訊協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度層，在調(diào)度層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中進(jìn)行保存、處理以及調(diào)度等相關(guān)操作。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理及預(yù)警模塊

從現(xiàn)地級傳輸至調(diào)度級的數(shù)據(jù)，待PLC 獲取后，利用以太網(wǎng)可以直接將其傳輸至調(diào)度級數(shù)據(jù)服務(wù)器中，調(diào)度層對各機(jī)組所傳輸過來的數(shù)據(jù)信息主要能夠進(jìn)行以下處理：

（1）對各機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收和處理后，能夠?qū)?shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)更新，當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)超出相應(yīng)閾值或預(yù)設(shè)值時(shí)，能夠?qū)ο鄳?yīng)的報(bào)警信息進(jìn)行及時(shí)記錄，并能夠結(jié)合圖文或者音頻等多種方式對其預(yù)警信息進(jìn)行展示。

（2）能夠?qū)Ω鳈C(jī)組的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，并通過上位機(jī)界面對各機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)利用指示燈或數(shù)據(jù)圖表等對其進(jìn)行直觀展示。

（3）對泵站各機(jī)組的具體巡檢情況進(jìn)行全方位的記錄，具體包括巡檢人員的操作信息、巡檢項(xiàng)目以及操作時(shí)間等。

在預(yù)警模塊中，由于辛莊泵站各機(jī)組的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在改造前已運(yùn)行多年，設(shè)備相對老化，因此在數(shù)據(jù)采集精度上不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致預(yù)警功能不夠理想，在此次的改造過程中，首先需要對其數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行更換，并在老的預(yù)警方案的基礎(chǔ)上，能夠較好實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示，同時(shí)還能夠支持參數(shù)越界報(bào)警以及發(fā)生事故后能夠及時(shí)追憶，對其記錄能夠借助調(diào)度級的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)生成，并便于后續(xù)調(diào)度所用，進(jìn)一步提高預(yù)警模塊的完善性和精度。

3.2.3 遠(yuǎn)程調(diào)度控制模塊

調(diào)度級對現(xiàn)地級監(jiān)控站的遠(yuǎn)程調(diào)度控制方式主要包括兩種：調(diào)度指令方式以及直接下發(fā)控制指令方式。

調(diào)度指令方式：調(diào)度級中心通過業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)將調(diào)度目標(biāo)下發(fā)到各個(gè)分中心，由各個(gè)分中心通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將調(diào)度目標(biāo)分解為針對相關(guān)現(xiàn)場監(jiān)控站的控制指令，然后由分中心將控制指令下發(fā)到相應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)控站的PLC，再由PLC 執(zhí)行控制指令；

直接下發(fā)控制指令方式：調(diào)度級中心直接將控制指令下發(fā)到分中心，然后分中心轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)控站的PLC，或中心直接將控制指令下發(fā)到現(xiàn)場監(jiān)控站的PLC，由PLC 執(zhí)行控制指令。

結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，具體的辛莊泵站遠(yuǎn)程調(diào)度控制模塊中的遠(yuǎn)程控制邏輯圖設(shè)計(jì)見圖3。

4 總結(jié)

隨著國內(nèi)水利建設(shè)的不斷飛速發(fā)展，我國的各大中型泵站也相繼開始建設(shè)，機(jī)組容量也隨之?dāng)U增，泵站安全穩(wěn)定可靠且高效運(yùn)行是各泵站所需考慮的重大問題。本文結(jié)合山東調(diào)水辛莊泵站實(shí)際建設(shè)情況，對泵站早期的監(jiān)控系統(tǒng)所存問題進(jìn)行分析，結(jié)合泵站實(shí)際業(yè)務(wù)需求，對泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的具體改造進(jìn)行了全面分析，設(shè)計(jì)出了新的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并對其重要的三大模塊展開了詳細(xì)闡述，整個(gè)新設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)改造方案具有較強(qiáng)的可行性，為山東調(diào)水辛莊泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)全面升級改造能夠提供參考。