太浦河泵站计算机监控系统（严玉峰）

关键词：监控 通讯 PLC 软件 特点

1 监控系统配置的基本原则

太浦河泵站采用开放式分层分布结构的全计算机监控方式，取消或简化常规控制手段。系统的配置和设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，并结合泵站自动化程度要求高的特点，使泵站运行管理智能化，并能方便地完成与其他管理信息计算机系统的连接。系统软硬件均采用模块化、结构化设计，具有高度的可靠性、安全性、实时性、实用性、灵活性和便于扩充。监控系统保证与泵站同步投运。

计算机监控系统利用世行贷款，国际招标，由中国水利电力物资有限公司中标，由上海东屋电器有限公司生产制造。

2 泵站运行控制方式

泵站设有三个等级的运行控制方式：

泵站主控级控制：操作人员在中控室下命令，通过计算机监控系统实现全部过程自动执行方式或采用分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，方可进行下一步或下一顺序组的操作。

现地控制：在泵组调试期或主控级故障时，操作人员可通过现地控制单元的人机界面实现控制。

调度级控制：吴江供电局通过调度计算机系统，经光纤通道与泵站监控系统通信，实现遥测、遥信、遥控。遥控对象仅为35kV进线断路器。泵站预留接口以便将来与上海市水务局通信。

在操作员工作站设有“吴江供电局”、“水务局”和“中控室”软选择开关，供运行人员确定控制方式，缺省选择为中控室控制。在泵组各现地控制单元，设有“就地/远方” 软选择开关，缺省选择为就地控制。紧急停机等的操作不受控制权设定的制约。

3系统的硬件结构和配置

3.1 网络系统

本系统采用开放式全分布结构，分主控级和现地控制单元级。网络采用100Mb/s快速交换式以太网光纤环网结构，采用TCP/IP协议。主干网采用4台RS2系列499NOS07100施耐德工业交换机，每台交换机有5个端口。根据设备的布置情况，其中2台交换机设置在计算机室，主控级的各计算机和变电站LCU通过RJ45端口电缆与其联接；2台交换机设置在现地，1~6号泵组LCU和公用设备LCU通过PLC以太网模块、RJ45端口电缆直接与其联接。

选择一个合理的网络拓扑结构，对提高网络通讯的可靠性和实时性非常重要。经过比选，系统采用以工业交换机为基础的光纤以太环网结构，具有以下优点：

（1）采用对等网工作方式，网上各节点设备（如PLC站、主控计算机）以对等（平等）方式交换信息，某一节点设备出故障不会影响其他设备和整个网络的正常工作。而如果采用以服务器为网络数据中心的主从网工作方式，则网络上节点设备均通过服务器数据库交换信息，服务器的工作负荷相对较重，其运行的可靠性和数据处理速度直接影响到整个系统的可靠性和通讯速率，一旦服务器发生故障将会导致整个网络的瘫痪。因此采用对等网的工作方式，系统的可靠性明显提高。

（2）采用环网结构，所有网络节点设备均挂接在一根首尾相接的环形线上。它具有故障冗余功能，当环上某一点出现断线时，环网结构500ms内自动转换为总线结构运行，断点两边的节点设备仍可通过总线进行通讯，可确保系统实现无扰动运行。而如果采用总线结构，所有网络节点设备均挂接在一根总线上。当总线上某一点出现断线故障时，断点两边的节点设备之间就无法进行通讯，从而影响系统的正常工作。

（3）采用工业级快速光纤交换机进一步提高了系统的可靠性和实时性。工业交换机在设计、制造上具有一些不同于商业交换机的特点：

工业交换机通常设计成4~5个端口，而不是商业交换机那样的多端口（12、24或更多端口），很好地适应了工业应用中分布式网络的特点。同时端口少也意味着工业交换机在网络联接中进行数据传输管理的速度更快、可靠性更高，能更好地满足工控场合的实时性要求。

工业交换机产品中所有关键芯片、集成电路等元器件均按军用或工业用较高标准筛选，具有极高的热稳定性和电气稳定性，从而为整个产品的长期稳定运行奠定了基础。

工业交换机在产品工艺设计上，包括印板布线、接地、屏蔽及结构方面，均充分考虑了工控场合的恶劣工作环境和条件，采取了更为严格的防静电、防电磁干扰、防震动等措施，具有很高的抗干扰能力和电磁兼容性，平均无故障时间不小于17万小时。

工业交换机被设计成具有10Mbps/100Mbps自适应特性和具有连接成光纤环网结构的功能，特别适用于那些具有较多PLC站和计算机作为网络节点的场合。

下面是采用工业交换机的PLC系统网络的部分技术指标：

网络传输速率100Mbps

网络拓扑结构总线型，星型，光纤环网

网络传输介质光纤，双绞线

网络传输距离光纤：3100米，双绞线：100米

网络通讯协议以太网TCP/IP

下表概括列出工业交换机与商业交换机的主要区别：（见表一）

2.2 主控级

主控级包括：

2台主计算机兼操作员工作站：双机冗余热备,可任选其中1台作为主控计算机运行,完成监视和控制,另1台作热备用。机型为HP Visualize X4000工作站，彩色液晶显示器为18.1”TFT。

1台厂长总工监视终端：只用于对泵站设备进行监视。机型为工控机+彩色液晶显示器。

2台通信服务器：负责系统的对外通讯。机型为工控机+彩色液晶显示器，其中1台供吴江供电局专用，1台供水务局用。

1台打印计算机和3台打印机

UPS电源系统：采用梅兰日兰Comet S31系列， 容量15kVA，后备时间1h，供全站计算机监控系统和辅助设备监控系统使用。输入：380V±15%，输出：220±1%。共设5面柜，其中1面主机柜、3面电池柜、1面配电柜，系统采用双回路供电，一主一备。

3.2 主控级

主控级包括：

2台主计算机兼操作员工作站：双机冗余热备,可任选其中1台作为主控计算机运行,完成监视和控制,另1台作热备用。机型为HP Visualize X4000工作站，彩色液晶显示器为18.1”TFT。

1台厂长总工监视终端：只用于对泵站设备进行监视。机型为工控机和彩色液晶显示器。

2台通信服务器：负责系统的对外通讯。机型为工控机和彩色液晶显示器。1台供吴江供电局专用，1台供水务局用。

1台打印计算机和3台A3打印机

UPS电源系统：采用梅兰日兰Comet S31系列， 容量15kVA，后备时间1h，供全站计算机监控系统和辅助设备监控系统使用。输入：380V±15%，输出：220±1%。共设5面柜，其中1面主机柜、3面电池柜、1面配电柜，系统采用双回路供电，一主一备，设置30回出线。

投影机：型号Barco SLMR6，屏幕SAS 150”NWA背投。

可刻写光盘设备和语音报警系统

3.3 现地控制单元

现地控制单元级包括1~6号泵组现地控制单元（1~6LCU）、公用设备现地控制单元（7LCU）、变电站现地控制单元（8LCU）。每个现地控制单元均以Modicon-quantum系列PLC为控制核心，采用10.4”彩色触摸屏作为人机界面。PLC为模块化结构，具有以太网模块，可直接连接100Mbps以太网，具有双电源热冗余，可靠性高。

泵组现地控制单元（1~6LCU）

1~6LCU各1面柜，布置在机旁，用于泵组的数据采集、处理和开停机控制。泵组LCU通过232/485转换接口采用Modbus通讯协议完成与泵组6kV开关柜的微机保护单元、测量单元的通讯。稀油站PLC控制装置通过Modbus Plus网络实现与泵组LCU通讯。水泵、电机及齿轮箱的各种自动化元件如压力变送器、温度传感器、电磁阀、示流信号器等经现地端子箱转接后引入LCU的I/O模块。

设置独立于PLC，硬布线的紧急停机按钮、手动开机按钮、开/关电磁阀按钮作为备用，以便在紧急情况和调试期手动开机时使用。

公用设备现地控制单元（7LCU）

7LCU共1面柜，布置在现地5LCU旁，用于全站公用设备的监控。

公用设备LCU通过Modbus Plus网络实现与技术供水泵PLC、渗漏排水泵PLC、消防供水泵PLC、清污机集中控制PLC、液压油泵站PLC以及亭子港闸桥PLC的通讯。各系统只将少量的信号以硬接点方式送至公用设备LCU，其它监控信号均通过通讯方式实现。少量的信号包括PLC装置本身故障和电源故障，这样即使网络通讯故障，上位机和LCU也能采集到该信号，确保可靠性。

变电站现地控制单元（8LCU）

8LCU共1面柜，布置在变电站继保室，用于变电站设备的监控。

变电站LCU通过Modbus 网络实现与Sepam继保单元、PM500测量单元、多功能电度表、micrologic5.0p低压400V智能测控单元、220V直流电源装置的通讯。主变、站变、35kV和6kV母线PT等设备的部分信号通过硬布线接入变电站LCU的I/O模块，以满足供电部门的要求和事件顺序记录（SOE）分辨率的需要，便于故障的分析和处理。

4　系统软件

系统软件配置如下：操作系统软件Window 2000；工业监控软件：intouch7.11；数据库软件：insql；系统编程软件：concept。

系统采用Intouch7.11组态软件，并由上海东屋电器有限公司在此基础上设计开发了一套完整的应用系统，从而为泵站提供了实时可靠、直观生动的监控平台。Intouch7.11是当今世界上最成熟、使用最普遍的主流工业监控软件之一，它具有以下主要技术特点：

开放易用的开发环境

Intouch采用通信技术的现有标准，并与微软的未来技术相结合，为应用开发人员提供了一个更加开放和易用的开发环境。Intouch支持所有最新的工具，包括Activex、OPC、Wonderware的SuiteLink以及标准的DDE。

良好的兼容性和设备集成能力

Intouch提供多达数百种的32位I/O Sever,使之可以非常方便地与世界上几乎所有PLC产品（如AB、西门子、Modicon、SguareD、三菱、欧姆龙、GE……等）和绝大多数DCS系统及智能仪表实现网络连接和数据通讯。

强大的组态功能

Intouch提供方便易用的图形处理和动态显示工具以及丰富的图形库。

强大的I/O处理能力。

Intouch可以处理最多达60000个标志的I/O信息，对这些信息实施动态监测和控制，从而满足各种大型自控系统和信息管理系统的需要。

2)系统采用施耐德Modicon PLC作为基本控制单元，采用基于Windows界面的调试编程软件Concept，可提供5种编程手段，既可用梯形图又可用高级语言编写应用程序，，并且提供大量功能块，使编程更加灵活方便。

5系统主要功能

5.1主控级功能

主控级设备在中控室和计算机室。主要功能如下：

数据采集：接收各现地控制单元发送的操作和事件数据，存入实时数据库，用于画面更新、控制调节、趋势分析、记录打印、操作指导及事故记录和分析。数据采集可以周期性进行，在所有时间内，可由操作员或应用程序发命令采集任何一个现地控制单元的过程输入信息。

数据处理：进行数据编码，校验传输误差及数据传输差错的控制。生成各种数据库，供显示、刷新、打印、检索等使用。对重要监视量如温度进行趋势分析，泵组流量、上下游水位、闸门开度等进行运行曲线显示。

监视：对泵站主要运行参数、事故、故障、状变以数字、文字、图形、表格、曲线、色彩变化、信号闪烁及不同频率的语音报警等形式进行动态显示。能对生产过程进行监视，监视过程中的主要操作参数变化及状变，并在LCD上显示。当发生过程阻滞时，给出阻滞原因及事故处理指导性画面供运行人员确认，将泵组等设备转移到安全运行状况或停机。

控制：运行人员通过键盘、鼠标对被控对象进行调节和控制。控制的主要内容包括泵站控制方式的选择、泵组的开/停、经济运行功能的投/切、开关的分/合、有载分接开关的升/降、闸门的启/闭、公用设备的操作、各种整定值和限值的设定等。

经济运行：根据操作员或上级主管部门给定的抽水总流量，自动计算出当前水头下泵站的最优泵组组合。最优化目标是在满足给定总流量的条件下电动机用电量最低，避免频繁启停和频繁调整的操作，按泵站进出水池的最佳流态选择运行水泵。

记录和打印：所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表都可记录下来，并送存贮设备作为历史数据。除在LCD显示外，还能在打印机实现定时或召唤打印。

运行管理：积累泵站运行数据，为提高泵站运行维护水平提供依据。包括：根据运行工况计算全站消耗总功率、用电量总和、抽水量、每台泵抽水效率；累计泵组开、停次数、累计开机运行时数、停机时数、检修退出时数；累计变压器、断路器等主设备运行时间、动作次数，检修次数和时间；累计油泵、供排水泵等间歇运行的辅助设备动作次数，检修次数和检修时间；统计各类主设备和辅助设备所发生的事故和故障次数及正常切除次数；运行操作指导和事故处理指导, 根据主设备状态和控制要求, 显示运行操作和调整的指导性画面, 供运行人员确认执行; 在泵站主设备出现异常和事故时, 提出对策和事故处理的指导性意见供运行人员确认执行或仅供参考等等。

系统诊断：可对系统的硬件设备进行在线和离线诊断，故障点的诊断到模板级。可对软件进行在线诊断，诊断出故障软件功能块并发报警信号。

软件开发：泵站软件编辑人员可以在线或离线地进行应用软件，显示画面，报表库等的编辑，调试，装入、卸除和修改。在线进行上述工作的同时能保证计算机监控系统功能的正常实施。

5.2现地控制单元功能

各现地控制单元LCU不因主控级发生故障而影响LCU各自的监控功能，即可接入网络协同工作，实现系统指定的功能。当与系统脱离时又可独立工作，实现LCU的现地监控功能。主要功能如下：

数据采集与处理：完成对监控对象各种模拟量、开关量和脉冲量的采集；将采集的电气量进行工程值变换和预处理，上送主控级并在现地上显示；将采集的电气量、温度量、泵组振动及摆度等非电量进行越限比较，及时将越限情况及数据送往主控级，并在现地显示和报警；将采集的过程控制状态量，电气保护报警量、机械保护报警量随时上送主控级，并在现地上显示和报警；事故和故障情况下能自动采集事故或故障发生时刻的有关数据，并按其发生的顺序记录事故或故障的性质，发生的时间等等。

显示监视：可显示泵站电气量、非电量及被控设备的状态，能对泵组起动前条件以及各种运行的情况进行显示监视。现地控制单元还留有与便携式计算机相连的插接口，通过连接，可在便携式计算机上显示设备运行状态和参数，单元控制器状态等。

控制调节：既可接受主控级指令，又可在现地进行操作，当现地控制单元上的远方/现地软开关处于“远方”位置时只接受主控级指令；当开关处于“现地”位置时，只可在现地操作，闭锁主控级控制指令，但不影响上送信息。

通讯控制：能完成与主控级和现场设备的通讯。

自诊断功能：可对系统的硬件设备和软件进行自诊断，故障点的诊断到模板级。当诊断出模块的故障时，自动闭锁控制出口，并将故障信息上送到主控级，同时在现地控制单元上有显示、报警。

6　系统性能指标

6.1主控级的响应能力

1) 数据采集响应时间

非电量、电量等模拟量和全部数字量每1秒钟一次采集存储到实时数据库或等效实时存储区中。

2) 人机通信响应时间

在正常的CPU负载率和通信负荷率情况下，从开始调用画面到完整画面出现的时间小于1S。

在已显示画面上动态数据刷新时间为2-5S可调。

操作命令发出到单元控制器接收命令并回答响应的时间小于2S。

报警或事故发生到LCD屏幕显示的时间小于2S。

3) 主控制级控制响应时间时间不超过2S。

4) 主控级对调度系统数据采集和控制的响应时间，能满足调度系统远动规约的要求。

6.2 单元控制级的响应能力

1) 数据采集时间

数字量输入点(DI、BCDI)采样周期小于0.5S。

电量，采样周期小于0.5s。

非电量，采样周期小于1s。

事件顺序点(SOE)分辨率小于5ms。

3)控制响应时间

控制命令回答响应时间小于1S。

接受控制命令到执行控制的响应时间小于1S。

6.3 系统的可靠性:系统的平均故障间隔时间MTBF大于10000h，现地控制单元MTBF大于16000h。

6.4系统的可利用率:整个系统的年可利用率不低于99.95％。

7　系统特点

采用以工业交换机为基础的光纤以太冗余环网结构，提高可靠性和实时性。

主控级采用100Mbps快速以太网构成系统的主通道，PLC具有双电源冗余，可直接连接100Mbps以太网，这是目前国际上先进的技术方案，比以前流行的PLC通过工控机连接以太网的方式，不仅提高了系统的可靠性，还使系统能更快速地进行各种数据的处理，提高了系统的实时性。

大量采用网络通讯技术。尽量采用同一厂家、同一系列的数字化的主、辅机控制和保护装置，例如：全站主、辅机PLC统一采用Modicon-quantum或Momentum系列，保护选用Merlin Gerin-Sepam系列，测量单元选用Merlin Gerin-PM500和Micrologic5.0p，这样避免了各种不同型号、不同系列的PLC和测保单元使用各种不同的规约，不需增加规约转换的硬件和软件接口，从而提高了通讯的可靠性和实时性，为网络通讯的顺利实施奠定了坚实的基础。

由于泵站地处多雷地区，系统采取多项措施以提高监控系统防雷击、抗干扰的能力，例如：电源防雷，UPS

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