基于PLC控制的小型泵闸站综合信息化系统设计

嵇鹏程，石超磊

(常州市河道湖泊管理处，江苏 常州 213022)

目前常州城区大部分小型泵闸站采用的运行管理方式还处在基于本地现场的人工控制水平通常是开机时需要有人值守、人工操作和记录数据，无自动化和信息化，调度效率低下，不能实现联网的统一控制与调度，更不能实现运行参数的科学管理与决策分析，这与经济、社会发展水平极不相称，不能够满足城市环境、社会经济发展以及常州市民对防汛抗旱、水环境整治、水资源综合利用与管理的迫切需求，因此，为了解决上述问题，实现水资源的高效合理调度分配，利用可编程控制器(PLC)、多种传感器、组态技术、GPRS、计算机远程控制等技术建立一套集现代化科学技术、先进管理手段的泵闸站自动化监控系统，实现在现地及远程控制室对泵站、涵闸运行进行监控和管理[1]，使其在防汛抗旱、水环境改善和日常的运行管理中发挥人工管理所不具备的效率，对于提高防洪调度能力，完善决策与管理水平，在新形势下开拓水利发展的新空间，开创水利现代化事业的新时代，具有十分深远的意义。

1 总体架构设计

本工程结构共分为3层：第一层为预留的局调度中心；第二层为泵闸站运行管理中心；第三层为对应的现地控制单元。据此泵闸综合自动监控系统也采用三级控制，第一级为现地控制级，在布置于泵闸附近的现地控制单元上实现就地控制；第二级为远程控制级，在运行管理控制中心的计算机上实现远程控制；第三级为远程调度级，在局调度中心进行业务数据查询，根据系统查询结果向运管中心下发调度指令。就地、管理中心二级控制互为闭锁，现地控制为最高优先级，且在现地控制柜上设置权限旋钮开关，可以切换现地运行模式和远程运行模式；局调度中心只具有业务数据查询和调度功能，无设备远程控制功能。

在实现层面上分为基础数据采集与控制、数据交换与服务、业务管理与应用等3个层次，系统总体框架如图1所示。基础数据采集与控制层主要完成泵闸站现场运行工况的信息采集、视频信号的采集、现场泵闸站设备的控制；数据交换与服务层主要实现对基础数据采集层上传数据的接收与数据整编入库以及对外提供数据访问服务与接口；业务管理与应用主要实现泵闸站设备的远程控制与监测以及工况与业务数据的查询、挖掘与分析等功能。

图1 泵闸站信息化系统总体架构

1.1 基础数据采集与控制层

该层以PLC为核心，触摸屏MCGS通过交换机与同一局域网段的PLC相连，触摸屏命名的点跟PLC里面的点地址通过中间地址进行关联，各台机组设备的电压、电流、功率等模拟量通过RS485串口上传至多功能电参数仪表，超声波水位计采集上、下游的水位值和闸位机采集节制闸的开度值通过模拟量输入模块转为数字量，三类数据通过PLC中的算法程序进行换算和校正后显示在机柜的触摸屏上，泵闸站现场管理人员既可以观测具体数据，也可以通过现场触摸屏控制机组设备的启动和停止，同时PLC通过TCP/IP接口、现场交换机和路由器，与运行管理控制中心设备互联，实现监测信息的上传与控制命令的下发。

1.2 数据交换与服务层

泵闸站工况、水位、业务数据、视频流通过局域网上传至运行管理控制中心，通过配置好的防火墙HillStone SA-2001映射至交换器，再传输至相应的服务器和工控机，如图2所示，泵闸站现场的触摸屏、PLC控制器、运行管理控制中心工控机之间通过将IP地址设置在同一网段形成局域网，并通过程序中设置的中间变量实现3个子系统中的信息数据和控制信号的互联互通，运行管理控制中心工控机组态软件周期性地对上传的数据进行采样，按照数据整编规范对采样数据进行处理并记录到存储数据库-SQL中，工控机通过实时数据库服务器-IFIX随时查询和写入任意时刻的业务数据，应用服务器通过实时数据库-IFIX支持的JAVA数据访问接口定期采集存储数据库-SQL的数据，向用户展示业务与空间信息。泵闸站现场的视频摄像机采集图像信息，通过部署在泵闸站现场的硬盘录像机进行磁盘存储，同时硬盘录像机通过现场路由器向部署在集控中心的视频服务器发送现场视频流，实现远程视频监控。

图2 数据交换与服务层结构图

1.3 业务管理与应用层

业务与应用层由综合业务数据库、空间数据库、WEBGIS服务平台、WEB应用程序和浏览器客户端组成，它采用GIS的客户端平台和WEB服务相结合的方式，是一套基于客户端平台的WEBGIS服务平台，将前端客户提出的空间查询请求存入请求队列，后台服务系统从队列中取出应用请求，并调用客户端GIS功能模块，完成请求操作，并将结果发送到客户端，实现WEBGIS的功能。

WEB应用程序使用基于.net的应用框架，结合客户端框架构建可视化的B/S应用界面，实现业务数据、空间数据的加工与融合，在接收到来自浏览器客户端的请求后，利用业务数据与空间数据，形成WEB页面，向客户提供查询响应。

2 软件系统设计

泵闸站机柜内自带网络端口的PLC控制器型号为TWDLCAE40DRF，编程软件采用了Twido Soft v3.5，触摸屏TPC1062K编程软件采用C语言，为确保日常换水和汛期排涝中的运行安全，按照运行现场实际的情况，在确保开机水位正常、流道闸门全开、节制闸全关的情况下，发送开机指令才会有效，在开机指令发出后，程序启动电磁阀，引水至水泵橡胶轴承处进行30s润滑，同时水管中水流信号通过示流器进一步反馈到系统中，当水管中无水时，程序就中止下一步运行。为方便日常维修和调试，在程序设计中，通过开机界面中的手动设置可以跳过相应环节，直接进入下一环节，泵闸站每个设备既可以按照自动化流程运行，也可以分别实现单控。以单向水泵为例，开机流程图设计如图3所示。

图3 水泵信息化开机流程图

3 安全策略

3.1 系统安全策略

1)隔离：按安全等级的不同分为管理区和控制区。管理区内分布的是本工程生产管理类的业务应用，而控制区内分布的则是本工程运行监控类的生产应用，后者的安全级别高于前者，因此两区需通过现场路由器等物理隔离装置进行隔离，以避免低安全区系统影响高安全区系统的正常运行。管理区与外网(互联网等)的接口，通过配置防火墙、交换机等设备[2]。

2)操作控制：泵闸站现场触摸屏、查询主机、查询系统以及服务器均需要用户名和口令，方可登录进入系统。在运行管理中心进行远程设备控制时，只有被授权的人员才能在指定的操作机上通过IFIX软件进行远程操作。

3)病毒防护：主要在服务器中安装服务器防病毒系统，提供对病毒的检测、清除、免疫和对抗能力。在各类主机上也安装单机防病毒软件，让病毒软件将病毒从本地清除，以免扩散到其他主机或服务器上[3]。

3.2 数据安全策略

1)备份手段：对数据库进行备份时，采取定期备份和实时备份相结合的手段。定期备份就是对数据库服务器要求进行定期停机维护，此时可以对整个数据库进行一次静态备份，其目的是，当数据库遭到破坏时，可以缩短恢复时间；实时备份就是数据库支持实时备份进程，将数据库所发生的所有操作备份到文档中，这些归档文件也可以转储到磁带上，其目的是保证数据库遭到破坏时可以恢复到被破坏的前一刻。

2)恢复措施：数据恢复分为全盘恢复和个别文件恢复。全盘恢复一般应用在服务器发生意外灾难导致数据全部丢失、系统崩溃或是有计划的系统升级、系统重组等，也称为系统恢复；个别文件恢复就是在日常操作中，利用备份系统的恢复功能，可以很容易恢复受损的个别文件。

4 结 语

本系统在运行管理控制中心可以通过工控机实现对泵闸站设备的远程控制，也可以在泵闸站现场通过PLC柜触摸屏现场控制设备；通过远程查询与分析系统可以查出各个泵闸站实时水位情况、任一时刻历史水位、任一时段的内外河水位变化趋势以及引(排)水流量情况等。

通过数据挖掘和比对可以查出任何时段的最高(低)水位、平均水位，可以分析河道的水位变化量和水泵开机时间量的关系；可以通过视频系统实时远程观看泵闸站现场运行情况，也可以查询三十日内泵闸站现场的录像情况，此系统的建成为泵闸站的精细化、信息化管理提供了技术保障，大大缩短了工程管理者和运行现场的时空距离，工情、水情测报由传统的人工观测被遥测代替，从而真正实现“无人值班、少人值守”的现代管理模式[4]。