通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构设计

（潍坊工程职业学院，潍坊 262500）

0 引言

由于通信闸站在重建前缺乏整体规划方案，所以在管理中普遍存在系统自动化程度不高的问题。虽已发展出一套小型应用系统，积累了丰富的基本安全监测数据，但缺乏统一的规划和标准，系统内数据管理分散，流通规模小，碎片化严重，形成了许多“数据孤岛”[1]。而这些监测系统安全性要求较高，一般都运行在局域网内。以往主要是采用集中式数据采集方法，建立自动化的系统质量控制架构[2]。该架构中只有一个测量与监测主机，位于远离测量现场的监测结构中，尽管这种结构的传感器可以测量接入系统，而且还可以使用其它方法进行远程数据传输，但是每一附加的监测信号都需要相应的信号电缆铺设到中央测量和控制装置，尤其当监控中心距离实际位置较远时，接线和电缆费用会带来很大不便，造成质量控制效果不佳；利用分布式数据采集技术，建立了一个自动化系统的质量控制体系[3]。主要采用了RS232/485等各种通信协议标准来实现实时数据包的远程传输。尽管该体系结构具有良好的扩展性和兼容性，但不便于扩展。在需要增加或改变监控变量时，需要对电缆进行二次构造，并重新编制相应软件程序，造成质量控制效果不佳。

针对这一问题，提出了通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构设计。通信闸站改造工程整体规划，信息共享，质量控制效果好。根据通信闸站的工程实践，介绍了船闸自动控制系统的总体结构设计。在此基础上，完成了通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构设计。

1 自动化系统质量控制总体架构设计

采用分层分布式设计的控制系统结构，便于对不同分布、不同控制对象有效监控。该系统总体结构分为三个层次：管理层、过程监控层、现场检测层。图1显示了系统结构示意图。

主要控制方式是现场自控，而监控室的集中监控是二次控制。工艺监控层主要由工控机和人机界面两部分组成，实现了数据采集与监控、数据库管理、人机交互及与外部系统接口；采用可编程序控制器为核心控制单元，以软起动器/逆变器等为驱动元件，结合现场仪表的各种反馈信号，形成局部闭环控制，控制升降机、电磁阀等[4,5]。该现场控制器既可独立运行，在过程监控设备的监督下，实现对生产过程远程控制，完成控制任务。

遥控管理主要是以网页形式向管理者发布生产过程信息，管理人员可以浏览和查询现场生产情况。

1.1 通信闸站数据自动化采集系统

图1 自动化系统质量控制总体架构

测控装置主要负责仪表参数的上载和采集，中央处理机发出执行指令。通信设备是本地测控设备与远程中控设备之间的中间链路，其实时数据包传输主要采用RS232/485通信协议。中控台是远程监控中的核心处理单元，通信闸站的远程自动监控主要采用实时监控软件进行操作，实现了先进管理功能，如数据查询、汇总管理、优化调度等，还可通过专用信道或以太网向上级管理机构发布信息[6]。图2显示了通信闸站的自动数据采集系统。

图2 通信闸站数据自动化采集系统

1.2 自动化控制系统设计

自动控制系统的网络拓扑结构分为三个层次，最底层是中央监控和管理系统，其中包括2台工业控制计算机（包括数据库系统），1台网络计算机，1台硬盘录像机，以及互动式网络交换机。电脑通过以太网与互联网进行通信和连接。中层为局部LCU控制层。左、右门均设有LCU，并通过以太网相互连接。设备层和设备层在底层。该系统还具有与其它通信闸站和低级主管机关的通信接口，能够与低级主管机关和其他船闸进行通信和连接，使低级主管机关能够监测和管理船闸之间的连接。通信闸站改造工程中自动控制系统采用分层分布式系统设计，以太网网结构，容错设计，采用标准系统，保证不会出现任何部件故障造成系统误操作[7]。

西门子57-300可编程序控制器（PLC）作为闸站局部控制单元，具备自控、自诊断功能。尽管主要电脑坏了，局部触摸屏，仍可使用控制开关和按钮，信号指示器、仪表等设备对现场设备进行操作和监控。

2 质量控制软件开发

2.1 馈线自动化策略

配电自动化系统建设的一个重要指标就是实现配电网的快速故障隔离和无故障区电网改造，在通信站改造工程中，网络改造是馈线故障自动处理的最后一步。为确保各分布区供电安全，防止事故扩大，需要注意对网络的改造[8]。配电网主站系统接收各配电网终端发送的故障信息，通过主站馈线自动化软件定位故障区段，通过远程控制，实现故障自动隔离功能[9]。

线路故障在线路总故障中占2/3，永久性故障占1/30，均为暂态故障。高架线路故障诊断应区别瞬态故障与永久故障。对瞬态故障，采用变电站出口断路器二次重合闸的方法进行处理。如果是永久故障，FTU将故障信息报告给主站[10]。

该系统采用了故障处理策略：FTU探测到变电所出口断路器被切断两次，并在一段时间的线路失压后报告给主站。根据 FTU故障资料，通信闸站确定故障区域。利用远程控制实现无故障区的故障隔离与供电恢复。图3显示了架空线路故障处理策略示意图。

图3 架空线路故障处理策略示意图

从图3可以看出，高架馈线自动化处理策略（箭头表示故障点，黑色表示开关，白色表示开关开度）：

1）当变电站发生故障时，断路器D2跳闸(a)；

2）D2重合闸，一次短路故障重合成功，失败处理过程结束；如果失败继续，则线路再次通过失败电流（b）；

3）再一次的脱开、合好、FTU再次检测到故障电流，线路失压一段时间后，确认变电站出口开关合闸，并报告主站（c）故障信息；

4）主站接收 FTU故障信息，判断K4-K5开关故障，将K4、K5远程断开，隔离成功后，关闭D2和关联开关K3，恢复供电（d）。

2.2 故障点定位算法

在单功率树型网络或环形网络中，通常将馈线段视为故障段，其依据是馈线段两端的现场监控终端，发现故障电流存在及走向。在故障短路情况下，若故障电流从馈线段的一端流入，而从另一端流出时，该馈线段未发生故障；若故障电流从馈线段的一端流入而另一端无故障电流流出，则表明馈线段发生了故障。

为确定故障区域，配电网接线拓扑信息，即网络描述矩阵的形成D，此矩阵仅与配电网络拓扑有关，与各节点的切换状态无关，切换状态改变后无需修改矩阵。带有故障指示器的接线柱编号。若有N个节点，则可以构造一个N×N方阵：

用有向图描述网络连接关系，必须先确定正方向的网络连接。理论上，网络连接的正向可以任意确定，但为了计算的方便，可将正向统一确定。单机供电和多机供电网络的开环运行可使网络正常运行时，其功率方向与网络连接的正向一致。假如在 i个节点和 j个节点之间有一条馈线，那么从 i的交换节点向 j的交换节点前进。则矩阵D上位于第i行第j列的元素dij=1，而位于第j行第i列的元素dij=0，将矩阵D对应于不连接馈线的节点的元素设置为0。所得矩阵为接地故障发生时的判断矩阵，反映故障网络的实际拓扑。

2.3 闸门通信数据质量控制服务

闸门通信数据质量控制服务提供数据采集和控制功能，实现了云平台应用软件间的通信传输，以及闸门远程自动化控制，并对基于浏览器的交互界面和移动应用程序进行远程监控和控制。闸门控服务数据流如图4所示。

闸门通信数据质量控制服务如表1所示。

图4 闸门通信数据质量控制流程

表1 闸门通信数据质量控制服务

根据DTU 无线数据透明传输功能，可直接在Modbus协议中发出关闭命令，现场闸门系统根据指令中信息自动控制闸门上下移动。

3 实验分析

为了验证通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构设计合理性，进行实验验证分析。

3.1 串口传输设置

串口是系统中的一种通用设备通讯协议，采用RS232内、外网络数据服务器的两个串口，使母线交叉连接。由于串口通信是异步的，因此，各个端口只能在同一根线上发送相同数据。通讯端口，参数设置是正确的，交叉连接线连接顺序如图5所示。

图5 交叉连接线连接顺序

利用串口通信传输数据，使9条线路数据全部传输到通信闸站之中，由此统计的数据传输路径如图6所示。

图6 数据统计结果

由图6可知，在三个闸门下，具有9个通道，其中A端1口向B端1口传输的数据，主要通过闸门1下的通道1、2、3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2；A端2口向B端2口传输的数据，主要通过闸门1下的通道2、3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2；A端3口向B端3口传输的数据，主要通过闸门1下的通道2、3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2；A端4口向B端4口传输的数据，主要通过闸门1下的通道1、2、3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2；A端5口向B端5口传输的数据，主要通过闸门1下的通道2，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2、3；A端6口向B端6口传输的数据，主要通过闸门1下的通道2，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2、3；A端7口向B端7口传输的数据，主要通过闸门1下的通道2，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2、3；A端8口向B端8口传输的数据，主要通过闸门1下的通道3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2、3；A端9口向B端9口传输的数据，主要通过闸门1下的通道3，闸门2下的通道2，闸门3下的通道2、3。

3.2 数据传输完整性对比分析

分别使用集中式数据采集方法建立自动化系统质量控制架构、分布式数据采集方法建立自动化系统质量控制架构、通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构分析数据传输完整性，如表2所示。

表2 数据传输完整性对比分析

表2 （续）

由表2可知，使用通信闸站重建工程的自动化系统质量控制架构分析，能够保证数据传输完整性。

4 结语

系统设计与开发采用移动物联网和云平台技术，在现有现场自动控制系统的基础上，实现了小型分散自动控制系统的远程控制应用，无线透明传输技术在 DTU终端中的应用扩大了系统的应用范围。采用云平台服务技术，可以动态增加硬件资源，实现后期闸控系统的灵活性增加，提高了系统的扩展性。基于现场总线技术的分层分布控制系统是目前工业控制领域发展的一个重要方向，工业以太网通信技术就是基于此而发展起来的，它将结束不兼容现场总线标准的不稳定模式，协议标准更为通用。在现场测控杆中，远程终端装置将起到更加重要的作用，其现场抗干扰能力很强。