水电站启闭设备远程智能综合管理系统设计

2020-04-09孟鹏飞刘昱芊

综合智慧能源 2020年2期

孟鹏飞，刘昱芊

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

0 引言

目前，国外发达国家生产的起重设备大多数都实现了智能化控制，远程控制技术也在部分起重设备中应用，可对多种参数进行监控和管理，智能化水平高，在一定程度上引领了起重设备监控系统的发展方向[1]。

国内针对起重设备的研发起步较晚，但对监控系统的研究发展迅速，国家相关部门从2010年着手开展安装监控管理系统的试点工作，相继制定并颁布了GB/T 28264—2012《起重机械安全监控管理系统》和GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》等国家标准并已开展相关工作[2]。标准实施以来，大部分起重设备都配置了单机版的监控系统，但只能对起重设备工作状态进行简单的采集和记录，功能较为单一，人机交互一般采用仪表或触摸屏的方式，远程监控管理系统也只在极少数起重设备上安装使用。

目前，大部分水电站都没有对启闭机的工作状态进行实时监控、记录和历史回放，当出现危险或安全事故时，由于无据可依，导致事故原因调查陷入困境，同时也不具备故障预警的功能，无法有效预警，杜绝安全隐患或事故的发生；即使安装了安全监控管理系统，也仅局限于单台设备，只能在启闭设备的司机室内单独显示与存储。1个水电站一般有6～10台启闭设备，1个公司管理1个流域的多个电站，因此，这种单机工作模式不利于设备的集中管理与监控。

水电站启闭设备属于起重设备的范畴，但目前市场上还没有针对水电站启闭设备开发的远程监控管理系统。随着物联网、大数据、云服务平台的迅速发展，工业现场设备的监控和管理也正朝着网络化、智能化、全球化的方向发展[3]。因此，有必要设计一套多个水电站启闭设备的远程智能管理与监控系统，实现多水电站启闭设备的现地以及远程集中管理和监控。

本文主要介绍水电站启闭设备远程智能综合管理系统的结构、发布方式、功能、安全性、拓展及应用前景等方面的内容。

1 系统结构

水电站启闭设备远程智能综合管理系统由现地信息采集系统和远程智能管理与监控系统2部分组成[4]，如图1所示。

图1 水电站启闭设备远程智能综合管理系统架构

1.1 现地信息采集系统

现地信息采集系统负责现场设备主要运行参数、数据和状态的采集、记录、显示和保存[5]，包括参数采集装置和视频采集装置，如图2所示。

图2 现地信息采集系统结构

现地设备参数采集装置包含可编程逻辑控制器(PLC)、工业交换机1、工业触摸一体机、工业无线智能网关1等。其中，PLC通过Profibus-DP、RS232/485/422、以太网等接口与原控制系统进行通信[6]，对现地设备的运行数据和运行状态进行采集；工业交换机1用于参数采集装置所有设备之间的网络通信连接；工业触摸一体机用于实时显示、记录和保存PLC采集到的运行数据和运行状态；工业无线智能网关1将参数采集装置与外网进行连接，建立远程通信网络，方便远程监控和管理。

现地设备视频采集装置包含工业交换机2、硬盘录像机、高清摄像头、工业液晶显示器、工业无线智能网关2等[7]。其中，工业交换机2用于视频采集装置所有设备之间的网络通信连接；硬盘录像机具有长时间录像、录音、远程监视和控制的功能，实现对现场设备工作状态视频信息的采集；高清摄像头是视频采集装置的前端采集设备，配合硬盘录像机使用，完成视频信息的采集；工业液晶显示器用于显示采集的视频信息，方便操作者了解设备周边及运行情况，杜绝事故的发生；工业无线智能网关2将视频采集装置与外网进行连接，建立远程通信网络，方便调阅现场视频信息。

1.2 远程智能管理与监控系统

现地信息采集系统已通过工业无线智能网关1，2连接至互联网(Internet)，远程监控管理系统通过Internet即可访问现地信息采集系统中的设备参数和视频信息。远程监控管理系统包含水电站监控中心和远程监控中心，如图3所示。

水电站监控中心用于水电站运行人员对设备进行远程综合管理和监控，由水电站工程师站、水电站中控室客户端、水电站中控室监控大屏等组成。

远程监控中心用于远程监控多个水电站的多台启闭设备，包含远程工程师站、远程监控服务器、远程手持监控设备等。通过现地信息采集系统和远程监控管理系统的配合，即可实现多地点、多平台、多终端的远程智能监控和管理。

2 系统发布方式

随着Internet技术和Web技术在各个领域的广泛应用，自动化监控系统也开始有了相应的需求，设备管理人员希望可以通过IE浏览器随时随地了解现场的运行情况，并能对现场设备进行远程控制。

图3 远程监控系统架构

为满足客户对客户端灵活性和便利性的要求，该系统软件的Web发布功能采用浏览器/服务器(B/S)架构[8]，运行该监控系统软件的计算机作为Web服务器，将工程中的画面以网页的形式发布到Internet上，客户端不需要安装该监控系统软件，使用IE浏览器就能直接访问工程画面。管理人员不用深入现场就能获得工业现场的数据，还能通过浏览器中的网页直接修改数据、执行用户指令，从而实现对现场设备跨地域、跨终端、跨平台的远程监控和管理[9]。

2.1 局域网应用

局域网应用是最简单的Web发布类型，运行监控系统的计算机和Web发布服务器为同一台计算机，其系统架构如图4所示。

图4 局域网应用Web发布系统架构

2.2 Internet 应用

运行监控系统的计算机和Web发布服务器为同一计算机，并且该计算机能直接访问Internet网络，其系统架构如图5所示。其发布过程与局域网应用基本相同，但在服务器配置和端口映射方面有所不同[10]。

图5 Internet 应用Web发布架构

2.3 客户端访问

当系统通过Web发布完成后，在客户端通过浏览器地址栏输入服务器IP地址(局域网应用)或输入Web服务器网络的公网IP地址及互联网信息服务(IIS)默认网站端口号(Internet应用)，即可浏览Web服务器发布的画面和数据[11]，其运行界面分为用户登录界面、监控总览界面、设备管理界面、运行数据界面、视频监控界面、统计报表界面、故障报警界面、吊重记录界面及系统设置界面。

3 系统功能

(1)系统根据相关国家标准配置有现地参数采集装置，采集设备运行参数和视频数据，分别存储于现地工业控制一体机和硬盘录像机内，方便现场操作人员查看。

(2)系统通过3G/4G工业无线智能网关，配合远程无线通信服务器，实现远程实时监控设备运行状态。

(3)系统结合地理信息系统(GIS)，实现平台对分散在全国各地电站启闭设备的记录和管理[12]。

(4)系统可实现智能预警分析、故障报警功能，对即将出现故障的设备及时给予报警提示，降低安全事故的发生率，保证水电站的安全生产[13]。

(5)经过水电站相关负责人授权后，系统可实现对设备的远程参数修改和故障诊断及修复工作，提高设备故障修复的效率。

(6)系统可对各类应用数据进行统计分析并生成相关报表，包括设备运行情况统计、设备故障统计、设备预警信息统计、设备运行时长统计等，方便相关人员导出和打印。

(7)系统具有强大的数据存储能力，可存储监控数据、故障报警记录、操作历史记录、参数报表等，为分析故障或事故原因提供依据。

4 系统安全

该系统涉及远程监控和管理，所以无论是局域网应用还是远程Internet应用，数据及系统的安全性都至关重要。针对系统及其数据的安全性，做了2点设计：(1)工业无线智能网关采用VPN over P2P远程安全通信方式，结合RSA加密算法确保通信安全，严防数据在传输过程中泄露；(2)采用安全级别高的SQL Server数据库，SQL Server的安全控制策略是一个层次结构系统的集合，只有满足上一层系统的安全性要求之后，才可以进入下一层，服务器中还安装有防火墙等安全防护软件，全方位保护系统和数据的安全[14]。

5 系统拓展

通信技术在这个高速发展的时代取得了前所未有的突破，5G通信技术目前在国内已经开始部分商用。5G通信技术是4G通信技术的延伸，其主要优势在于：数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10 Gbit/s，比当前的有线互联网要快，比先前的4G通信技术快100倍；另一个优点是网络延迟低于1 ms(响应速度快)，而4G通信技术网络延迟为30～70 ms[15-17]。

高传输速率和低延迟将为远程监控和管理提供更可靠的保障，该系统采用的工业无线智能网关目前结合WIFI、以太网、3G/4G等多种通信方式，适应各种工业环境，5G通信技术完全商用后更换支持5G网络的工业无线智能网关即可。

同时，系统还预置了多种通信接口，可兼容RS232/RS485/RS422/以太网等接口，满足系统后期升级改造的要求。