計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在泵閘站現(xiàn)代化改造中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，許 瑛

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213100；2.常州市武進(jìn)區(qū)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，江蘇 常州 213101）

0 引言

目前我國(guó)有大量泵站在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用，主要承擔(dān)著工農(nóng)業(yè)供水、城市防洪排澇等任務(wù)，與社會(huì)和諧發(fā)展息息相關(guān)。由于建設(shè)時(shí)間早，很多泵站存在著自動(dòng)化水平低、故障分析不準(zhǔn)確和設(shè)備運(yùn)行管理不規(guī)范的情況。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在泵站現(xiàn)代化改造中得到了廣泛應(yīng)用，它主要完成泵站現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)、運(yùn)行監(jiān)視與告警等功能，為提高泵站的運(yùn)行管理水平、減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度提供了較好的技術(shù)手段[1]。實(shí)現(xiàn)泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控已成為現(xiàn)階段泵站現(xiàn)代化改造的迫切需求，同時(shí)也代表了泵站技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 工程現(xiàn)狀

北塘河泵站位于北塘河與澡港河?xùn)|支交匯處西側(cè)的北塘河上，該工程由泵站和節(jié)制閘各一座組成，其中節(jié)制閘規(guī)模為單孔凈寬12 m，閘門為直升式平面鋼閘門。泵站為30 m3/s單向排澇泵站，采用3臺(tái)設(shè)計(jì)流量為10 m3/s的豎井貫流泵，配355 kW臥式10 kV高壓異步電動(dòng)機(jī)。泵站裝設(shè)1臺(tái)站變、3臺(tái)主機(jī)泵、1扇節(jié)制閘、4臺(tái)技術(shù)供水泵、2臺(tái)滲漏排水泵、1臺(tái)皮帶輸送機(jī)、3臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)、高低壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備等。

北塘河泵站已建成投運(yùn)多年，由于設(shè)備老舊，原控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差已無(wú)法正常使用。在2016年常州市城市防洪工程管理處信息化項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，由于北塘河泵站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的缺失，無(wú)法將北塘河泵站的數(shù)據(jù)整合并上傳至城市防洪平臺(tái)。因此在2018年管理處決定對(duì)北塘河泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，更換服務(wù)器、工控機(jī)、交換機(jī)、水位計(jì)、上位機(jī)組態(tài)軟件、操作系統(tǒng)軟件、PLC等，并根據(jù)泵站調(diào)度規(guī)程進(jìn)行上位機(jī)軟件編制、研發(fā)、安裝，以及數(shù)據(jù)接口整合等。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和架構(gòu)

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

北塘河泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多，為確保達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)改造方案遵循“實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性”的原則，緊密結(jié)合水利業(yè)務(wù)的需要，既要滿足泵站運(yùn)行的迫切要求，又要保證與城市防洪平臺(tái)的互聯(lián)互通。

2.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

從邏輯結(jié)構(gòu)上來(lái)劃分，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三大子系統(tǒng)的建設(shè)，即設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)。

設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng):主要負(fù)責(zé)對(duì)泵站內(nèi)的主機(jī)組、節(jié)制閘、高低壓柜、技術(shù)供水等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)。在正常運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制整個(gè)泵站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)、水位測(cè)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng):作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的輔助監(jiān)測(cè)部分，用于對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視，具有視頻采集、傳輸、切換控制、顯示、存儲(chǔ)和重放、遠(yuǎn)程瀏覽等功能[2]。通過(guò)設(shè)置視頻監(jiān)視設(shè)施，運(yùn)行人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接的觀察，同時(shí)又可兼顧泵站安防。

數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng):將現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理，一方面存儲(chǔ)入泵站數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，以備管理人員進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備定時(shí)將數(shù)據(jù)上傳入城市防洪平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)管理處的統(tǒng)一指揮和調(diào)度。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

北塘河泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目主要是從設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)三大子系統(tǒng)入手，更換服務(wù)器、工控機(jī)、攝像設(shè)備等硬件設(shè)備，并根據(jù)調(diào)度規(guī)程編寫上位機(jī)監(jiān)控軟件和整合數(shù)據(jù)接口。

3.1 設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是位于北塘河泵站的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式分層、分布的結(jié)構(gòu)[3]，由上位機(jī)監(jiān)控，上位機(jī)和現(xiàn)地控制單元通過(guò)光纖、以太環(huán)網(wǎng)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.1.1 設(shè)備配置設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，泵站進(jìn)線、站變、低壓系統(tǒng)等電氣設(shè)備共配置1套PLC（即公用PLC），1套PLC負(fù)責(zé)機(jī)組的程控啟停操作和狀態(tài)監(jiān)視（即機(jī)組PLC），泵組現(xiàn)地設(shè)備共配置3套PLC（即現(xiàn)地PLC），技術(shù)供水泵及供水系統(tǒng)配置1套PLC（即技術(shù)供水系統(tǒng)PLC），滲漏排水泵及風(fēng)機(jī)等輔機(jī)設(shè)備配置1套PLC（即輔機(jī)PLC），節(jié)制閘啟閉機(jī)配置1套PLC（即節(jié)制閘PLC），內(nèi)河側(cè)清污機(jī)、輸送機(jī)共配置1套PLC（即清污機(jī)PLC），共計(jì)9套。

現(xiàn)地控制PLC中機(jī)組控制PLC、公用設(shè)備控制PLC、現(xiàn)地PLC、技術(shù)供水系統(tǒng)PLC選用法國(guó)施耐德公司生產(chǎn)的Unity Quantum系列PLC，每套PLC配置1套液晶觸摸屏，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地操作功能；輔機(jī)PLC、節(jié)制閘控制PLC、清污機(jī)PLC選用法國(guó)施耐德公司生產(chǎn)的M340系列PLC。

上位機(jī)監(jiān)控軟件應(yīng)選用組態(tài)王Kingview，監(jiān)控軟件I/O點(diǎn)數(shù)留有40%以上的余量。北塘河泵站設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造主要設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 北塘河泵站設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造主要設(shè)備配置表

3.1.2 設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

在中心站設(shè)了2套監(jiān)控主機(jī)，主要對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)處理及各種報(bào)表曲線等功能。除此之外，針對(duì)突發(fā)狀況可以實(shí)現(xiàn)用戶端的遠(yuǎn)程操控命令下達(dá)與工作方式迅速切換以及故障報(bào)警功能。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理功能

系統(tǒng)對(duì)各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，需要記錄的數(shù)據(jù)主要有:電氣模擬量、狀態(tài)信號(hào)開(kāi)關(guān)量、水位模擬量、和事故信號(hào)開(kāi)關(guān)量等。

（2）統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能

主要包括事故及故障統(tǒng)計(jì)記錄、相關(guān)的參數(shù)出現(xiàn)異常的情況，設(shè)備正常運(yùn)行的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)這些數(shù)據(jù)主要是為了更好地了解設(shè)備工作情況。

（3）參數(shù)在線修改

管理人員可以對(duì)系統(tǒng)相關(guān)故障判斷預(yù)置條件、溫度標(biāo)定值、計(jì)算公式進(jìn)行在線修改。

（4）控制與調(diào)節(jié)功能

監(jiān)控主機(jī)上有控制機(jī)組的開(kāi)、停機(jī)操作的流程，操作人員可以通過(guò)操作上面的相應(yīng)指令完成操作，點(diǎn)擊完成后計(jì)算機(jī)將指令傳輸?shù)絇LC自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行，并將運(yùn)行情況反應(yīng)到機(jī)組操作流程圖上。水泵機(jī)組控制界面見(jiàn)圖2。

圖2 水泵機(jī)組控制界面圖

（5）設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄及生產(chǎn)管理

系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)都可以被實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作人員得到數(shù)據(jù)后，需對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)一步分析，另外系統(tǒng)可以自動(dòng)生成各類報(bào)表、日志、自動(dòng)生成和打印操作等。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用高清視頻設(shè)計(jì)，采用分布式存儲(chǔ)方式，前端采集為200萬(wàn)像素的高清網(wǎng)絡(luò)相機(jī)，硬盤錄像機(jī)NVR承擔(dān)錄像存儲(chǔ)、碼流轉(zhuǎn)發(fā)等重任，是系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。泵站控制室通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入到城市防洪工程監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心可以設(shè)置監(jiān)控管理平臺(tái)和監(jiān)視屏組，以對(duì)整個(gè)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行日常視頻監(jiān)控。

本視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備配置設(shè)計(jì)

本次改造項(xiàng)目中北塘河泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)中共有20個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)，其中13處為網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，7處為網(wǎng)絡(luò)槍機(jī)。根據(jù)北塘河泵站視頻監(jiān)視點(diǎn)數(shù)量及位置，配置視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 北塘河泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備配置表

3.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)圍繞以下功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì):遠(yuǎn)程監(jiān)視和錄像、實(shí)時(shí)控制、在線瀏覽等。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)視和錄像

攝像機(jī)能全天候清晰、有效地獲取視頻圖像。視頻監(jiān)視范圍滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視覆蓋范圍的要求，根據(jù)監(jiān)視要求配置固定攝像機(jī)或活動(dòng)攝像機(jī)。能對(duì)監(jiān)視的畫面進(jìn)行自動(dòng)錄像，存儲(chǔ)的圖像信息應(yīng)包含圖像編號(hào)/地址、存儲(chǔ)時(shí)的時(shí)間和日期。

（2）實(shí)時(shí)控制

系統(tǒng)能對(duì)活動(dòng)攝像機(jī)和云臺(tái)進(jìn)行全方位遙控，同時(shí)也能對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行變焦和光圈調(diào)節(jié)，能監(jiān)視圖像滿足泵站監(jiān)視要求。

（3）在線瀏覽

為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)的在線瀏覽功能，需要采用C/S和B/S模式兩種模式的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，這樣在以太網(wǎng)接口的連接下，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的在線上傳和下載，以此在監(jiān)控系統(tǒng)的終端，用戶可以完成在線遠(yuǎn)程瀏覽視頻以及圖像的功能。

3.3 數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用戴爾PowerEdge T320塔式服務(wù)器，主要用于對(duì)水位、故障報(bào)警信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電壓電流等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和傳輸。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)PLC采集到數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一方面把數(shù)據(jù)按照整編規(guī)范存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面按照預(yù)定規(guī)則，通過(guò)租用的移動(dòng)光纖，將泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至城市防洪平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，系統(tǒng)可提供多種數(shù)據(jù)查詢，主要包括閘門運(yùn)行記錄、主要電氣設(shè)備動(dòng)作及運(yùn)行記錄、操作記錄、定值變更記錄、事故及故障統(tǒng)計(jì)記錄、運(yùn)行日志及報(bào)表記錄等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

北塘河泵站在進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造后，泵站設(shè)備的智能化和自動(dòng)化程度得到了提高，一方面大大降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了“少人值守”的改造目標(biāo)，為泵站的安全運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障[4]；另一方面泵站監(jiān)控系統(tǒng)將采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)光纖上傳到城市防洪平臺(tái)，為調(diào)度人員做出正確決策提供有效支持。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在降低洪澇災(zāi)害損失中起到了重要作用，將進(jìn)一步發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。