计算机监控系统在长距离输水工程中的应用

2020-02-03张百敏

电子技术与软件工程 2020年11期

关键词：环网长距离通讯

张百敏

（南瑞集团有限公司江苏省南京市 210013）

随着传感器、计算机、通信及网络技术的发展，其中任何一种技术有了新的突破，必然带来计算机监控系统的进步和改革。计算机监控系统可以方便、安全、可靠的采集与处理、监视、控制被监控对象，使泵站能够更好的实现“无人值班，少人值守”。

1 概述

在长距离输水工程中计算机监控系统可以监视控制全线设备，为运行管理类人员提供了便利。本文内容主要介绍计算机监控系统在长距离输水工程的应用。

2 PLC是长距离输水工程计算机监控系统的核心

（1）PLC 因其可靠性、可扩展性、易操作性，使其成为计算机监控系统中控制器选择的主流，PLC 主要由电源模块、CPU 模块、IO 模块、网络模块几部分组成。电源模块为PLC 提供基本的供电保障，PLC 中CPU 模块就像人的大脑，它是整个PLC 系统的控制和运算的中心，PLC 模块中IO 模块就像人的感知系统, 与监控对象的信号传输主要以硬接线为主。网络模块是PLC 与其他系统信息交互的高速接口。

（2）大脑的控制和运算结果的准确性需要依赖于感知系统，因此IO 的稳定性和准确性是CPU 准确控制及运算执行的基础。为保证IO 系统的稳定性和准确性， IO 与CPU 通过环网结构保证之间链路的可靠性及稳定性。CPU 在高速运算和控制过程中，即使是链路系统内有任意一个节点断开，也都不会影响IO 与CPU 系统间信息的传输。看上去我们的系统已经很完善，但是其中还存在问题，当CPU 在高强度计算和控制过程中出现宕机问题，那整个系统也就瘫痪了。这时就引出了冗余CPU，主备PLC 互相连接并与整个IO 系统形成环网，这样就保证了IO 与CPU 中任何一个节点断开都不会影响整个系统，并且冗余间切换基本能达到无缝切换，因此在双CPU 和IO 系统环网的双重保证下，整个系统稳定性和可靠性以及准确性都有了突飞猛进的提高,为上层系统提供了强有力的保障。

（3）网络模块是PLC 通讯的接口，上位机计算机监控系统软件通过IP 和端口号标识在网络中来确定要通讯的PLC，一般为保证系统的稳定性也选用主备网络模块，为网络提供接口冗余。PLC与上位机计算机监控系统主要以网络通讯，应用层通讯协议主要采用简单易用ModbusTCP 协议，PLC 程序基本采用面向对象的思想，每个对象有独立的对象号，对每个对象的操作有不同的操作号。上层监控系统通过事先约定好的命令方式，发送控制请求，PLC 接收控制命令后会先判断控制命令的合法性，然后根据控制命令中包含的对象和操作，指定到相应的控制流程，控制流程触发并判断对象是否具备操作条件。如不具备条件则生成报警信息，并反馈给上层系统。如具备条件则控制流程正常执行，并在流程成功时向上位机计算机监控系统反馈成功信息。

图1

（4）PLC 可根据长距离输水工程中现场工艺定制编辑控制逻辑，输水工程中加压泵站是不可或缺的，以泵组中的水泵为例，计算机监控系统基本作用是采集水泵的状态信息，并在需要时向设备下发水泵控制命令，以启动控制为例，PLC 的CPU 接收到控制命令后，先进行合法性判断，确认合法后执行启动控制流程，流程第一步会对启动条件进行判断，如果具备开阀条件则CPU 将DO 模件的对应点置一导通，DO 对应的继电器线圈导通，线圈电生磁后吸合，导致常开触点闭合，水泵控制器接收到启动信号后动作，动作的同时，PLC 的DI 模件实时监测到水泵运行信号，并传输给CPU,CPU 通过网络通讯将信号传输给上位机计算机监控系统，流程判断中接收到运行信号后得知启动操作已经成功，便向上位机计算机监控系统发送启动成功提示，示意如图1。

3 配电是长距离输水工程计算机监控系统的心脏

（1）现地控制单元LCU 供电方式选用双电源及双回路供电。双电源是外部接入两组电源到LCU，一组为厂内市电输出，另一组为不间断电源UPS 输出。双回路供电是两路电源输入通过自动切换装置自动切换供电回路，当市电失去自动切换装置会将电源自动切换到UPS 供电，当市电恢复时又会自动切换回市电供电回路。

（2）双电源输入解决了系统内其中一组电源输入失去后备用供电方式的可选性，双电源起到了电源的冗余作用，但主电源市电的供电能力和备用电源UPS 能力相差悬殊，这样一来就需要为两个不同的电源输入源采用不同的供电回路，市电供电时供电回路为所有控制单元内设备供电，UPS 供电时因其供电能力有限，因此选择关键设备为其供电，如PLC、网络设备、人机界面触摸屏、通讯管理装置等。

（3）供电是整个现地控制单元的心脏，没了电什么都谈不了，所以必须要保证其供电的稳定性，特别是在紧急情况下，如正在运行的泵组因全厂失电导致电机停止，这时市电消失就需要备用电源基本无缝切换给予其供电保障，确保现地控制系统能够有条件迅速运算及处理后发出事故停机信号保证整个泵组安全。

4 通讯管理装置长距离输水工程计算机监控系统对外通讯的帮手

通讯管理装置是串口通讯管理装置，采集具有串口通讯方式的监控对象，如一些设备硬接线接口数量有限或模拟量信号必须要求很精确时，便采用串口通讯的方式取得数据，通讯管理装置对数据进行整装处理后并集中与PLC 之间通过网络通讯的方式进行数据交互，为计算机监控系统增加了更多的通讯方式，增强了整个系统的可扩展性。

5 触摸屏是长距离输水工程计算机监控系统中现地监控的人机交互终端

触摸屏通过网络通讯方式与PLC 进行通讯，包含对象数据和操作的展示接口，方便操作人员现场操作。降低了现地监控与上位机计算机监控软件系统之间耦合性，现地监控可独立于上位机监控软件系统运行。

6 电路保护措施是长距离输水工程计算机监控系统现地监控的平稳运行的关键

电路保护为电源正极引出增加保险丝及模拟量信号接入增加防雷器。现地控制单元内电源引出时，应在电源正极增加保险丝，在外界某些原因促成电流异常的升高并超过保险丝的额定值时，保险丝的温度升高后熔断熔丝切断电流，以确保整个电路的安全。所有模拟量输入信号输入模块前都需要经过防雷后再将信号接入模块，确保信号防雷保护。

7 网络是长距离输水工程计算机监控系统间数据交互的媒介

网络是现地监控与上位机计算机监控系统数据通讯及资源共享的媒介，计算机监控系统中的网络结构采用分层的分布式结构，在现地监控与上位机计算机监控系统间采用环网结构，当网络链路中一个节点出问题不会级联导致其他节点出问题，在可靠性要求特别高的工艺环境下，从采集控制设备、到服务器可以采用双机双网的冗余结构。

（1）现地控制层控制器采用双CPU 冗余及双网结构，其中一台主CPU 宕机，后，系统监测到会毫秒级切换到从CPU，有效的保证了链路的可靠性及稳定性。

（2）网络层采用双网传输环网结构，有效的保证了链路的可靠性及稳定性。环网内设一台环网管理者，其余为环网成员，环网管理者负责实时监测环网链路状态，当环网链路中任意一个节点断开时，环网管理者会自动切换到另一条链路，保证链路的联通。

（3）泵站软件监控系统层采用多机冗余的部署结构，任何一个主节点出了问题，从节点都会接管系统任务，有效的保证了链路的可靠性及稳定性。

（4）泵站与调度之间网络分区，分为数据区和业务区，数据区采用数据专线经过防火墙通过一些策略拦截后接入计算机监控系统核心交换机。业务区采用业务专线用于视频监视系统数据交互等。

8 长距离输水工程计算机监控系统间层级操作及权限分配，主要可分为三层，分别是调度中心层、管理中心层、现地监控层

（1）调度中心主要是与管理中心层进行信息交互完成全线数据采集与处理、控制命令下发、可视化数据展示、报表数据统计、语音报警等功能。管理中心主要是与现地监控层进行信息交互完成现地级数据采集与处理、控制命令下发、可视化数据展示、报表数据统计、操作记录、语音报警、模拟量越限报警设置等功能。现地监控层主要是与现地设备信息交互完成现地数据采集与处理、控制命令下发、可视化数据展示、操作记录、控制流程报警等功能。

（2）设备控制方式来源有调度中心、管理中心、现地触摸屏、现地控制柜按钮等，控制权限由高到低分别是设备现地控制按钮、监控层现地触摸屏、管理中心、调度中心。当现地触摸屏想对设备进行控制时必须向设备现地控制柜请求操作权限，获得操作权限后即可在现地触摸屏进行控制命令下发，对相应设备进行控制。当管理中心想要控制现地设备时，必须在现地监控层将权限给到管理中心，管理中心即可进行控制命令下发。当调度中心想要控制现地设备时，必须在管理中心层将权限给到调度中心，调度中心即可进行控制命令下发。

（3）监控系统软件功能主要有数据可视化展示、控制与调节、数据存储、曲线及报表查询、用户权限管理、报警提示及可配置管理。数据可视化通过3D 技术展示泵站工艺的立体效果，并且辅助相应的颜色动态效果等方式，动态展示设备运行状态。监控系统软件内通过按键的方式下发控制，通过数值输入的方式调节模拟量输出，如频率、电流调节等，软件层会对控制与调节命令进行合法性校验，来防止误操作或误输入，如何合法性符合要求则下发，不符合要求则弹出提示等。监控软件数据存储是可配置的，可根据需要进行存储，为曲线及报表查询提供历史数据，数据库采用主流的关系型数据库，通过数据库优化，索引优化，加快数据的查询相应速度。用户可根据需要进行用户管理，将系统内的一些权限授予给角色，再将角色和用户关联起来，那么用户就有了角色下被授予的权限，进入系统时不同的用户就享有不同的权限。因模拟量限位值不确定，增加报警限位配置画面，操作人员可对报警上下限位进行配置，增强了报警的灵活性。

（4）监控系统硬件基本采用多机冗余的思想，调度中心及管理中心主要由通讯服务器、数据库服务器、操作员工作站、语音报警双机冗余等计算机设备组成，具备良好的可靠性和稳定性，保障系统安全稳定运行。