偏遠地區小型泵站計算機監控系統的設計與應用

　　1 引言

　　“無人值班、少人值守”，是工廠自動化領域常提到的理念，包含有設計技術和生產管理等兩方面的內容。一方面，對工廠監控主體提出了很高的要求;另一方面，為工廠生產管理的低成本、高效率提供了有效實現途徑。但在實際工程應用中，設計及運用往往偏離了該理念的本質。一方面，設計標準低或是不完善，無法實現預期的工程功效;另一方面，無視工廠周情復雜或生產管理低效，理想化配置生產管理人員和運行維護人員，造成生產管理人員和運行維護人員的工作壓力不降反升，從而對該理念產生抵觸情緒，讓該理念成為“水土不服”的“妄想”。以泵站計算機監控系統為例，地處偏遠地區的泵站計算機監控系統，理想化的系統配置確實能解決生產管理人員難以保障以及運行維護人員難以及時就位等造成的低效率問題，但現實問題是，出于造價的考慮，機組、plc或是電源往往不能達到冗余配置，一旦出現故障，備用機組、plc不夠或是備用電源不足，影響了生產任務的正常推進;而地處居民區的泵站計算機監控系統，由于生產管理以及運行維護的保障顯然不再是個問題，理想化的系統配置確實能弱化“人”的作用從而為降低管理成本提供有力支撐，但周情復雜帶來的運行安全問題，勢必會加大巡視檢查和運行維護頻率，從而不允許生產管理人員以及運行維護人員按理想化配置。由此可見，對于地處偏遠地區的泵站計算機監控系統，首要解決的是系統的“物”的問題;至于地處居民區的泵站計算機監控系統，首要解決的是系統的“人”的問題。作為工廠自動化的設計者和使用者，對“無人值班、少人值守”理念所包含的兩方面的內容以及所對應的功能性、經濟性和安全性的需求，不可有所偏頗，否則無法發揮工廠自動化的作用，更無從談起該理念的優勢及意義。本文結合工程實例(基礎資料略)，僅就地處偏遠地區的泵站計算機監控系統給出滿足“無人值班、少人值守”理念所包含的兩方面內容要求的設計方案，拋磚引玉，以供同行探討，共同推動泵站計算機監控系統的高速高效發展。

　　2 系統硬件配置

　　2.1系統監控對象

　　綜合考慮該小型泵站的位置、規模以及各組成部分保護等級對功能性和安全性的要求，系統監控對象主要有：

　　(1)機組部分：4臺機組(3用1備，必要時2用2備)及出口液控閥、進出口檢修閥等附屬設備;

　　(2)公用部分：室外配電裝置(變電站)、室內配電裝置(高壓開關柜、低壓開關柜、廠用變壓器)、功率補償裝置(電容器柜)、直流系統、微機保護系統、廠用輔助系統(技術供水系統、檢修滲漏排水系統、消防供水系統、火災報警系統)、水力監測系統。

　　2.2 系統監控結構

　　基于功能上和安全上的需求，宜采用分層(中控和現地雙層)分布式結構;同時，由于該小型泵站規模不大，使用功能簡單，監控量僅約300點，經充分考慮經濟性，決定只配置1套lcu(現地控制單元)，代替流行的泵組lcu+公用lcu的配置模式，如附圖所示。中控層位于中控室，現地層機組lcu位于廠房電機層。

　　中控層上位機采用c/s結構且雙機互相冗余，運行操作系統采用微軟的win nt4.0，組態軟件采用施耐德的monitorpro，數據庫采取sql server 2000。

　　現地層lcu由plc柜、控制柜、電源柜構成。控制柜為plc柜的冗余裝置，應對plc失控時能在現地進行緊急操作以將事故損失降到最低，該冗余設計方案經濟實用，控制柜上由權限切換開關進行控制源(設于上位機、plc柜、控制柜上)切換，并設定在任意時刻，只有一個控制源有效。

　　中控層與現地層通過交換機聯接成分層分布式結構。交換機采用工業以太網實現中控層與現地層間通信，上行網絡采用tcp/ip協議，下行網絡采用modbusplus協議。為實現通信，設有將現地設備通信協議統一轉換為通用的tcp/ip協議的協議轉換器。

　　gsm模塊用以發生事故時能及時發出電話或短信報警，確保生產管理人員以及運行維護人員及時就位。

　　2.3 系統功能模塊

　　(1)控制模。前面提到，由于泵站所需監控量較少，因此不考慮各個機組采用獨立的lcu，而是用1套lcu代替流行的泵組lcu+公用lcu，經濟實用。但該設計方案對可靠性和實時性提出了較高要求，因此需采用性能優異的plc，如在實時性上滿足開關量和報警量的采集周期、電氣模擬量和非電氣模擬量的采集周期、事件順序記錄點(soe)分辨率等。本設計采用施耐德quantum系列且沒有i/o點限制的cpu31110，配有開入開出模塊、模入模出模塊、以太網模塊等眾多模塊功能強大，為增強擴展性，還配有擴展模塊，足以滿足該小型泵站正常的生產和實際的需求。

　　(2)電源模塊。服務對象主要包括常規的ups、交直流切換裝置、24v直流電源等。為了保證系統的正常工作，對電源模塊的設計必須采取冗余雙電源的設計方案，以保證監控的連續帶電工作。同時考慮到電源的抗干擾性，必須做2級和3級防雷措施，本方案采用菲尼克斯的防雷模塊。

　　(3)抗干擾模塊。設計i/o回路的抗干擾模塊，主要是為了保證整個監控系統能夠達到泵站防浪涌3級的要求以及起到對plc模塊、電源模塊的保護作用。由于現地設備與控制柜間存在較長距離，需要鋪設電源線路，方便起見，10kv動力線和信號線常同走一條槽，因此間距非常靠近，干擾很大，特別是在泵組啟動和停止的瞬間，其干擾已嚴重影響到監控系統的穩定性，對這些開入開出模塊、模入模出模塊的抗干擾設計因而顯得非常必要和重要。在保證機組的對地電阻不大于1ω以及信號屏蔽線接地良好的基礎上，本設計主要采取瞬態二極管來抑制信號和過壓引起的強干擾。

　　(4)協議轉換模塊。設計協議轉換模塊主要是出于保證plc、上位機能夠與現場的設備、儀表等監測點進行不同協議間正常通信的需要。本設計采用了modbusplus轉tcp/ip的方案，并使用施耐德的協議轉換器。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 plc底層編程

　　plc底層采用易于掌握的梯形圖進行編程，編程中應特別注意如下問題：

　　(1)由于設計方案采取監控量由1臺lcu集中控制的方式，因此任一時刻plc死機或陷入程序死循環或無法退出子程序均可能導致整個泵站監控系統失控現象，解決辦法是除了嚴格的軟件測試外，還需要在每個子程序設定一定的時間限制，使在一定時間沒法完成相應的動作，由plc自動返回子程序并復歸，減少失控時間從而降低失控損失。

　　(2)對于靠機械觸點來完成的信號，如流量計信號，要考慮觸點“抖動”的影響，以防程序亂跳，引起監控失控現象。

　　3.2 上位機組態編程

　　通過上位機組態編程主要是提供一個友好的人機界面，方便監控和報表打印，組態編程需實現如下功能：

　　(1)數據采集和處理。采集所有i/o點的模擬量、開關量及脈沖量，記錄所有事件信息;對采集量進行統計表或趨勢圖生成，對事件信息進行順序記錄處理。

　　(2)監視和報警。進行狀態、越限、過程和故障等監視;對越限和故障進行判斷和動作(報警)并及時記錄以便查詢、打印和分析。

　　(3)控制和調節。泵組、公用設備及附屬設備啟停操作，泵組事故停機或緊急停機操作，斷路器、隔離開關的投切操作等方面控制;參數整定與限值修改，有功、無功負荷調節，遠方/本地、手動/自動等工作方式切換等方面的調節。

　　(4)人機對話和擴展接口。能友好顯示狀態表、示意圖、操作流程、運行指導、報警提示等畫面，并便于監控量的增加和監控設備的添設。

　　(5)數據統計和運行管理。用電量、供水量的累加計算，設備運行時間、泵組抽水效率、泵組溫度等方面的統計和分析;生產報表的生成和數據查詢的打印，使用和管理權限的登陸。

　　(6)通訊和連網。與現場設備進行數據通訊;與上級調度層連網通訊。

　　(7)自診斷和冗余切換。設備自檢、互檢、故障自恢復;工作站間、打印機間、cpu間等自切或手切。

　　4 系統功效考核指標

　　如前所述，泵站計算機監控系統是否取得預期工程功效，取決于對“無人值班、少人值守”理念所包含的兩方面的內容以及所對應的功能性、經濟性和安全性的需求的響應。具體考核指標如下：

　　4.1 實時性

　　(1)數據采集時間：狀態圖或報警點≤1s，電氣模擬量《1s，非電氣模擬量1s-10s，事件順序記錄點(soe)分辨率1ms-2ms;

　　(2)控制命令響應時間：《1s;

　　(3)數據庫刷新時間：實時;

　　(4)人機接口響應時間：調用新畫面時間(90%畫面)≤2s，在已顯示畫面上動態數據刷新時間≤1s，報警或事件產生到畫面顯示和發出聲響的時間《1s。

　　4.2 可靠性

　　(1)中控層mtbf：》16000h;

　　(2)現地層mtbf：》30000h。

　　4.3 可維修性

　　(1)mttr：0.5h-1h;

　　(2)維修措施：包括自診斷和尋找故障程序，試驗和隔離故障斷開點，專用安裝拆卸工具，遠程系統診斷和維護工具等。

　　4.4 可用率

　　(1)維修停機時間：包括故障維護時間、影響設備使用的預防性維修時間和擴充停機時間，只計及從關鍵性功能損壞時算起到把事故設備恢復到正常運行所需的時間;

　　(2)可用率：≥99.7%。

　　4.5 可擴展性

　　(1)中控層cpu能力儲備：≥50%;

　　(2)現地層cpu能力儲備：≥40%;

　　(3)通道利用率：≤50%。

　　4.6 安全性

　　(1)操作安全性：在人機通信中，設置操作員控制權口令，按控制層次實現操作閉鎖，其優先順序為現地層第一、中控層第二;

　　(2)通信安全性：當通信失效時，考慮2-5次重復通信并發出報警信息;

　　(3)硬件、軟件及固件的安全性：具有電源故障保護和自動重新啟動、初始狀態預置和重置、自檢自報、自動切除和切換、防誤動作閉鎖、失電保持等功能。

　　5 結束語

　　(1)偏遠地區小型泵站采用計算機監控系統充分貫徹了“無人值班、少人值守”理念，并對其包含的設計技術和生產管理等兩方面的內容均提出了較高要求;

　　(2)偏遠地區小型泵站計算機監控系統因所處位置關系對硬件的可靠性、維護的及時性和安全性等要求較高，這在系統功效考核指標中予以充分體現，設置gsm模塊、回路抗干擾模塊以及電源防雷措施因而顯得非常必要和重要;

　　(3)工程實踐證明，本設計方案應用效果良好，文中對“無人值班、少人值守”理念的理解以及所提出的系統功效考核指標，有較強的實用性和可操作性。