閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的探討

張綠原 馬軍建 許小鋒 李 虎

（南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

“十五”以來，國家加大了對水利工程項目的投入，新建、改造了一批閘泵站工程（項目），這些工程都把實現(xiàn)自動控制作為一個重要目標，在建設過程中基本都配置了計算機監(jiān)控系統(tǒng)［1］。

現(xiàn)如今，最早的一批計算機監(jiān)控系統(tǒng)已運行多年，這些監(jiān)控系統(tǒng)為閘泵站安全可靠運行做出了巨大貢獻。但受電子產品的使用壽命限制，監(jiān)控系統(tǒng)運行已趨于不穩(wěn)定，監(jiān)控設備保養(yǎng)維護成本逐年增大，隨著新技術的不斷出現(xiàn)，這批自動化系統(tǒng)已進入更新?lián)Q代階段，亟需進行改造。

作為最早的一批閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，在建設時投入了巨大的成本，建成后肩負著日常生產任務。因此，如何合理地升級改造，使投入的成本最少，同時對生產運行的影響降到最低，是改造建設單位面臨的首要問題。

筆者根據多個閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的更新改造經驗，提煉出系統(tǒng)改造的一般原則、范圍、常見問題及準備工作，拋磚引玉，以求為今后自動化系統(tǒng)的改造提供借鑒。并以某工程的某監(jiān)控系統(tǒng)升級改造為例，說明改造的過程方法。

1 升級改造的原則

監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造，既要考慮升級后系統(tǒng)的先進性，又要考慮升級后新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)的兼容性。根據工程經驗，系統(tǒng)的升級一般遵循如下原則：

1.1 先進性

升級后的系統(tǒng)應當是當前最流行或較為先進的系統(tǒng)，不能受價格等因素影響，采購性能下降或多年前的硬件設備、軟件產品，掉入頻繁改造的陷阱。如：某些單位依據多年前相似產品的合同價格，壓低改造合同中產品價格，結果造成采購產品內在配置或性能下降，為改造后的長期運行埋下了隱患。

1.2 軟硬件并重

軟件也是一種產品，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心和靈魂，有好的硬件設備，沒有好的軟件產品，系統(tǒng)不但無法發(fā)揮最佳功能，反而會增加運行人員的工作量。如：某些單位在年末統(tǒng)計工程的運行年鑒時，因監(jiān)控系統(tǒng)無法生成年鑒報表，操作人員只能通過歷史查詢手動編寫。因此，在系統(tǒng)升級改造時，必須將軟件成本考慮在內，根據既往的運行和管理模式，對采購軟件產品的功能提出具體的要求。

1.3 廣泛性

新的系統(tǒng)應當是水利工程上廣泛應用的監(jiān)控系統(tǒng)，以便于后續(xù)的應用和維護。采用在水利工程上不常用的監(jiān)控系統(tǒng)，將對建設和維護帶來不可控風險。如：某些組態(tài)軟件本來是針對化工等行業(yè)開發(fā)的，不能根據水利工程監(jiān)控特點做出變通，采用該類軟件會造成軟件組態(tài)的人力成本過高，集成商無法投入足夠的人力，從而導致建成后的系統(tǒng)性能不佳，系統(tǒng)欠穩(wěn)定，給系統(tǒng)后續(xù)運行管理帶來困擾。此外，采用行業(yè)內非主流組態(tài)軟件，在原有廠商無法提供質保服務時，不易從新的集成商處獲得維保服務，會陷入進退兩難的困境。

2 升級改造的范圍確定

在閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)建設的早期，建設規(guī)范尚不完善，自動化建設的結構和模式也是多種多樣，但總體來說，監(jiān)控系統(tǒng)在結構上可分為現(xiàn)地測控裝置層、現(xiàn)地控制層、集中控制層三個層級，如圖1 所示。

現(xiàn)地測控裝置層包含各類傳感設備、繼保設備等，這些設備屬于日常運行管理的常規(guī)維護內容，設備損壞后造成的影響直觀，能夠及時維修更換。因此，在升級改造過程中，一般較少涉及現(xiàn)地測控裝置層。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

現(xiàn)地控制層包含各類PLC、觸摸屏或當地工控機等，早期的閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)一般采用進口PLC 或觸摸屏，這些PLC 或觸摸屏性能穩(wěn)定，在信號采集和響應速度上仍能滿足系統(tǒng)需求，故一般無須改造。若現(xiàn)地控制層采用當地工控機，受工控機的使用壽命限制，持續(xù)運行多年后，工控機易出現(xiàn)故障，這種情況下，現(xiàn)地層需要進行改造，可取消工控機甚至更換PLC。

集中控制層將所有信號匯至中控室，一般采用品牌服務器或工控機作為硬件平臺，以Windows/Linux/Unix系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺、組態(tài)軟件作為上位機監(jiān)控軟件。經過多年運行，集中控制層計算機死機、藍屏等現(xiàn)象頻發(fā)。根據摩爾定律［2］，近10年來，計算機產品的性能和功能得到了大幅度提升，計算機操作系統(tǒng)已升級多次，上位機組態(tài)軟件也已更新?lián)Q代多次。集中控制層硬件、軟件產品不但早已被淘汰，而且維護成本逐年攀升，典型的狀況是：原有計算機系統(tǒng)損壞后，重新購置的計算機無法安裝原有操作系統(tǒng)，更無法運行原有上位機監(jiān)控軟件。因此，集中控制層成了泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的重點，現(xiàn)筆者對此作重點研究和探討。

3 升級改造中的問題

監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造是個系統(tǒng)、細致的工程，若考慮不周或不細致，很有可能陷入誤區(qū)，造成工期延誤或改造失敗。根據多個工程改造的經驗，在系統(tǒng)升級改造過程中主要存在如下問題：

（1）上位機操作系統(tǒng)與采購的服務器（工作站）硬件系統(tǒng)不兼容。常見的問題如：操作系統(tǒng)為32 位，服務器為64 位，造成系統(tǒng)性能無法充分發(fā)揮；操作系統(tǒng)版本過低，如Windows采用Server2008 版本操作系統(tǒng)，而當前某些新型號服務器（工作站）硬件最低支持到Server2012 版本操作系統(tǒng)。

（2）應用系統(tǒng)軟件與操作系統(tǒng)不兼容。如：應用系統(tǒng)需要Linux/Unix操作系統(tǒng)環(huán)境，卻采購了Windows 操作系統(tǒng)軟件。

（3）組態(tài)軟件與現(xiàn)場PLC 或測控設備通訊不兼容。如：升級后的組態(tài)軟件與既有PLC 或測控設備無通訊驅動程序，需要重新開發(fā)或單獨購買驅動程序，增加系統(tǒng)更新改造投資成本，延誤工期。

（4）組態(tài)軟件與上級集控站點通訊不兼容。如：某些工程在升級改造后，需要將監(jiān)控數據送入新建設的上級集控中心，而新建設的集控中心僅支持有限的通訊協(xié)議，此時就需要考慮新的組態(tài)軟件是否支持此類協(xié)議。

4 升級改造的準備

4.1 舊系統(tǒng)完整性測試

在改造開始前對舊系統(tǒng)的完整性測試非常必要，這既是對舊系統(tǒng)運行狀態(tài)的把握，也是一次熟悉舊系統(tǒng)的過程。有的項目改造前未做完整性測試，改造開始后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和現(xiàn)地設備通訊異常，系統(tǒng)部分測點無法正常顯示，存在系統(tǒng)控制異常等問題。但是，由于改造已經開始，無法判斷是改造后帶來的問題，還是舊系統(tǒng)本來就存在問題，增加了系統(tǒng)調試工作量，延長了改造工期。因此，在改造前必須對舊系統(tǒng)作完整性測試。

一般來說，完整性測試的內容和順序如下：

（1）PLC 開入量、模入量檢查

在每個開入、模入模件上抽樣選取開入量、模入量點位，改變當前狀態(tài)，觀察上位機系統(tǒng)是否正常響應。若正常，則進入步驟（2）；若異常則檢查判斷原因，并做記錄。

（2）PLC 開出量、模出量檢查

在每個開出、模出模件上抽樣選取開出量、模出量點位，上位機發(fā)令測試，觀察PLC 是否正常響應。若正常，則進入步驟（3）；若異常則檢查判斷原因，并做記錄。

（3）通訊檢查

通訊檢查主要是檢查上位機與現(xiàn)場測控設備（不含PLC）的通訊狀況，測試的內容主要包括通斷數據正常測試和自愈測試。數據正常測試參考步驟（1）和（2），自愈測試是指斷開通訊鏈路，然后恢復，觀察通訊鏈路是否恢復，數據是否正常。若正常，則進入步驟（4）；若異常則檢查判斷原因，并做記錄。

（4）上位機系統(tǒng)檢查

上位機系統(tǒng)檢查主要是檢查上位機的時鐘是否一致，上位機的節(jié)點狀態(tài)是否正常，若系統(tǒng)有冗余配置，測試冗余切換后的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常。若正常，則進入改造步驟，若異常則進行記錄。

4.2 舊系統(tǒng)的備份

原有集中控制層的上位機系統(tǒng)經過多年的運行和維護，功能上已比較準確、全面，因此，若原有上位機系統(tǒng)計算機準備移作它用或進入報廢階段，必須對舊系統(tǒng)做詳細備份。備份的內容一般包括：組態(tài)文件、關鍵系統(tǒng)文件（如hosts 文件等）、歷史數據庫等。也可以借助第三方工具如再生龍（Clonezilla），進行全硬盤備份。

4.3 新系統(tǒng)基本性能測試

新的監(jiān)控系統(tǒng)在替換舊系統(tǒng)前，應進行基本的調試工作，以確保舊系統(tǒng)拆除后，新系統(tǒng)能立即接替舊系統(tǒng)的工作。

新系統(tǒng)的調試工作主要包括：操作系統(tǒng)安裝，應用組態(tài)軟件安裝，工程組態(tài)，歷史庫出入庫狀況查詢，PLC通訊驅動程序測試，其它通訊驅動程序測試等。

5 升級改造的方法

在準備工作完成后，將在現(xiàn)場進行上位機監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造。以某典型工程改造為例進行說明：

表1 基本配置信息

該工程的基本配置信息如表1所示，升級改造的任務是將運行多年的HP XW4600 工作站更換為HP DL388-G9 服務器，同時升級操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件。歷史服務器的性能可滿足工程需求，硬件暫不升級，但操作系統(tǒng)須升級為RHLinux6.5，組態(tài)軟件須升級為NC3.0。系統(tǒng)按照雙網模式配置，通訊服務器具有與調度中心104 通訊功能。

設備發(fā)運前，對新系統(tǒng)進行了基本的調試，包括：安裝操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件；對照原有NC2000 環(huán)境下工程文件進行NC3.0 環(huán)境下的工程文件組態(tài)；根據現(xiàn)場PLC 的類別，進行PLC 驅動程序的測試；模擬現(xiàn)場104主站環(huán)境，進行104 通訊驅動程序測試；根據測試要求，對硬件、軟件及通訊程序進行3×24 h 連續(xù)運行測試。

測試完畢后，設備發(fā)至現(xiàn)場，將新機器就位。對舊系統(tǒng)進行完整性測試，對測試結果進行記錄。新舊系統(tǒng)的過渡、測試方法如下：

（1）將舊系統(tǒng)A 網B 網雙網模式切換為A 網單網運行模式。

（2）檢查舊系統(tǒng)的節(jié)點狀態(tài)，OP1為主機，OP2 為從機，斷開舊系統(tǒng)從機OP2 與交換機的網絡聯(lián)接。

（3）測試新系統(tǒng)OP2 機基本功能：將新系統(tǒng)的OP2 機啟動，接入A 網。斷開舊系統(tǒng)OP1 與A 網聯(lián)接，此時觀察新系統(tǒng)的OP2 機通訊、采集、發(fā)令是否正常。若異常，則將舊系統(tǒng)的OP1 恢復，檢查原因；若正常，進入步驟（4）。

（4）測試新系統(tǒng)COM 機在A 網下與調度中心的104 通訊功能：斷開舊系統(tǒng)COM 機，將新系統(tǒng)COM 機接入A 網。觀察新系統(tǒng)COM 機與調度中心通訊是否正常。若異常，恢復舊系統(tǒng)COM 機，檢查原因；若正常，進入步驟（5）。

（5）測試新系統(tǒng)的歷史庫功能：啟用備用機器BAK，安裝Linux6.5、NC3.0、歷史數據庫，并進行配置后，斷開舊系統(tǒng)HIS 機與A 網聯(lián)接，將BAK 機接入A 網，此時觀察BAK 機采集歷史數據是否正常。若異常，檢查原因；若正常，對舊系統(tǒng)HIS 機進行備份，備份結束進入步驟（6）。

（6）斷開舊系統(tǒng)OP2 與A 網聯(lián)接，將新系統(tǒng)OP1 接入A 網，并切為主機，觀察新系統(tǒng)OP1 通訊、采集、發(fā)令是否正常，與新系統(tǒng)COM 機、HIS機的通訊是否正常。若異常，檢查原因；若正常，進入步驟（7）。

（7）斷開舊系統(tǒng)ENG 與A 網聯(lián)接，將新系統(tǒng)ENG 接入A 網，測試新系統(tǒng)ENG 機語音報警、打印功能是否正常。若異常，檢查原因；若正常，進入步驟（8）。

（8）在A 網單網模式下對新系統(tǒng)進行24 h 連續(xù)運行測試，觀察通訊、采集、發(fā)令等是否正常，期間進行1～2 次主從機切換，觀察新系統(tǒng)運行是否正常。若異常，檢查原因；若正常，進入步驟（9）。

（9）將舊系統(tǒng)HIS 機安裝Linux6.5、NC3.0、歷史數據庫，并進行配置，斷開BAK 機與A 網聯(lián)接，將新系統(tǒng)HIS機接入A 網，此時觀察新系統(tǒng)HIS 機采集歷史數據是否正常。若異常，檢查原因；若正常，進入步驟（10）。

（10）對新系統(tǒng)進行B 網單網模式下測試，A、B 網雙網模式下測試，A、B 網切換測試，以及以上模式下主從冗余測試。測試時，觀察通訊、采集、發(fā)令、歷史數據等是否正常。若異常，檢查原因；若正常，進入步驟（11）。

（11）對新系統(tǒng)進行7×24 h 連續(xù)運行測試。若異常，檢查原因，測試重新開始；若正常，則進行工程、文檔備份，清理現(xiàn)場。

經測試，按照以上改造步驟執(zhí)行后，新系統(tǒng)運行穩(wěn)定，新老系統(tǒng)過渡平穩(wěn)，達到了預期的改造效果。本系統(tǒng)的改造中，因HIS 機未新購置硬件，故啟用了BAK 機作為中間過渡。HIS 機在安裝新系統(tǒng)前，將新系統(tǒng)在A 網單網模式下連續(xù)運行24 h 測試，主要是考慮新系統(tǒng)與原現(xiàn)場設備的通訊穩(wěn)定性，若通訊有較大問題，可能要恢復使用舊系統(tǒng)HIS 機。

6 結語

隨著國家水利信息化戰(zhàn)略的持續(xù)推進，功能更強大、運行更安全的計算機監(jiān)控系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。按照國家安全生產的基本要求，“十五”期間建設的閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)已將面臨大范圍升級改造。筆者分析總結了閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造原則、范圍，升級改造中易出現(xiàn)的問題，以及升級改造前的準備，改造的過程方法等，以期為參與閘泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造的單位和企業(yè)提供有力的借鑒和參考。

［1］霍寧，泵站監(jiān)控系統(tǒng)及其結構的發(fā)展趨勢［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2004，28（4）：81～85.

［2］翁壽松，摩爾定律與半導體設備［J］.電子工業(yè)專用設備，2002，31（4），196-199.