偏遠(yuǎn)地區(qū)小型泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　1 引言

　　“無人值班、少人值守”，是工廠自動化領(lǐng)域常提到的理念，包含有設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)管理等兩方面的內(nèi)容。一方面，對工廠監(jiān)控主體提出了很高的要求;另一方面，為工廠生產(chǎn)管理的低成本、高效率提供了有效實(shí)現(xiàn)途徑。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)及運(yùn)用往往偏離了該理念的本質(zhì)。一方面，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或是不完善，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工程功效;另一方面，無視工廠周情復(fù)雜或生產(chǎn)管理低效，理想化配置生產(chǎn)管理人員和運(yùn)行維護(hù)人員，造成生產(chǎn)管理人員和運(yùn)行維護(hù)人員的工作壓力不降反升，從而對該理念產(chǎn)生抵觸情緒，讓該理念成為“水土不服”的“妄想”。以泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為例，地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，理想化的系統(tǒng)配置確實(shí)能解決生產(chǎn)管理人員難以保障以及運(yùn)行維護(hù)人員難以及時(shí)就位等造成的低效率問題，但現(xiàn)實(shí)問題是，出于造價(jià)的考慮，機(jī)組、plc或是電源往往不能達(dá)到冗余配置，一旦出現(xiàn)故障，備用機(jī)組、plc不夠或是備用電源不足，影響了生產(chǎn)任務(wù)的正常推進(jìn);而地處居民區(qū)的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，由于生產(chǎn)管理以及運(yùn)行維護(hù)的保障顯然不再是個(gè)問題，理想化的系統(tǒng)配置確實(shí)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(fù)雜帶來的運(yùn)行安全問題，勢必會加大巡視檢查和運(yùn)行維護(hù)頻率，從而不允許生產(chǎn)管理人員以及運(yùn)行維護(hù)人員按理想化配置。由此可見，對于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，首要解決的是系統(tǒng)的“物”的問題;至于地處居民區(qū)的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，首要解決的是系統(tǒng)的“人”的問題。作為工廠自動化的設(shè)計(jì)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(nèi)容以及所對應(yīng)的功能性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的需求，不可有所偏頗，否則無法發(fā)揮工廠自動化的作用，更無從談起該理念的優(yōu)勢及意義。本文結(jié)合工程實(shí)例(基礎(chǔ)資料略)，僅就地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)給出滿足“無人值班、少人值守”理念所包含的兩方面內(nèi)容要求的設(shè)計(jì)方案，拋磚引玉，以供同行探討，共同推動泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的高速高效發(fā)展。

　　2 系統(tǒng)硬件配置

　　2.1系統(tǒng)監(jiān)控對象

　　綜合考慮該小型泵站的位置、規(guī)模以及各組成部分保護(hù)等級對功能性和安全性的要求，系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有：

　　(1)機(jī)組部分：4臺機(jī)組(3用1備，必要時(shí)2用2備)及出口液控閥、進(jìn)出口檢修閥等附屬設(shè)備;

　　(2)公用部分：室外配電裝置(變電站)、室內(nèi)配電裝置(高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、廠用變壓器)、功率補(bǔ)償裝置(電容器柜)、直流系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、廠用輔助系統(tǒng)(技術(shù)供水系統(tǒng)、檢修滲漏排水系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))、水力監(jiān)測系統(tǒng)。

　　2.2 系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)

　　基于功能上和安全上的需求，宜采用分層(中控和現(xiàn)地雙層)分布式結(jié)構(gòu);同時(shí)，由于該小型泵站規(guī)模不大，使用功能簡單，監(jiān)控量僅約300點(diǎn)，經(jīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性，決定只配置1套lcu(現(xiàn)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(xiàn)地層機(jī)組lcu位于廠房電機(jī)層。

　　中控層上位機(jī)采用c/s結(jié)構(gòu)且雙機(jī)互相冗余，運(yùn)行操作系統(tǒng)采用微軟的win nt4.0，組態(tài)軟件采用施耐德的monitorpro，數(shù)據(jù)庫采取sql server 2000。

　　現(xiàn)地層lcu由plc柜、控制柜、電源柜構(gòu)成。控制柜為plc柜的冗余裝置，應(yīng)對plc失控時(shí)能在現(xiàn)地進(jìn)行緊急操作以將事故損失降到最低，該冗余設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)實(shí)用，控制柜上由權(quán)限切換開關(guān)進(jìn)行控制源(設(shè)于上位機(jī)、plc柜、控制柜上)切換，并設(shè)定在任意時(shí)刻，只有一個(gè)控制源有效。

　　中控層與現(xiàn)地層通過交換機(jī)聯(lián)接成分層分布式結(jié)構(gòu)。交換機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中控層與現(xiàn)地層間通信，上行網(wǎng)絡(luò)采用tcp/ip協(xié)議，下行網(wǎng)絡(luò)采用modbusplus協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)通信，設(shè)有將現(xiàn)地設(shè)備通信協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為通用的tcp/ip協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

　　gsm模塊用以發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)發(fā)出電話或短信報(bào)警，確保生產(chǎn)管理人員以及運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)就位。

　　2.3 系統(tǒng)功能模塊

　　(1)控制模。前面提到，由于泵站所需監(jiān)控量較少，因此不考慮各個(gè)機(jī)組采用獨(dú)立的lcu，而是用1套lcu代替流行的泵組lcu+公用lcu，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。但該設(shè)計(jì)方案對可靠性和實(shí)時(shí)性提出了較高要求，因此需采用性能優(yōu)異的plc，如在實(shí)時(shí)性上滿足開關(guān)量和報(bào)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(diǎn)(soe)分辨率等。本設(shè)計(jì)采用施耐德quantum系列且沒有i/o點(diǎn)限制的cpu31110，配有開入開出模塊、模入模出模塊、以太網(wǎng)模塊等眾多模塊功能強(qiáng)大，為增強(qiáng)擴(kuò)展性，還配有擴(kuò)展模塊，足以滿足該小型泵站正常的生產(chǎn)和實(shí)際的需求。

　　(2)電源模塊。服務(wù)對象主要包括常規(guī)的ups、交直流切換裝置、24v直流電源等。為了保證系統(tǒng)的正常工作，對電源模塊的設(shè)計(jì)必須采取冗余雙電源的設(shè)計(jì)方案，以保證監(jiān)控的連續(xù)帶電工作。同時(shí)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(shè)計(jì)i/o回路的抗干擾模塊，主要是為了保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠達(dá)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(hù)作用。由于現(xiàn)地設(shè)備與控制柜間存在較長距離，需要鋪設(shè)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(yán)重影響到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對這些開入開出模塊、模入模出模塊的抗干擾設(shè)計(jì)因而顯得非常必要和重要。在保證機(jī)組的對地電阻不大于1ω以及信號屏蔽線接地良好的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)主要采取瞬態(tài)二極管來抑制信號和過壓引起的強(qiáng)干擾。

　　(4)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。設(shè)計(jì)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要是出于保證plc、上位機(jī)能夠與現(xiàn)場的設(shè)備、儀表等監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行不同協(xié)議間正常通信的需要。本設(shè)計(jì)采用了modbusplus轉(zhuǎn)tcp/ip的方案，并使用施耐德的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 plc底層編程

　　plc底層采用易于掌握的梯形圖進(jìn)行編程，編程中應(yīng)特別注意如下問題：

　　(1)由于設(shè)計(jì)方案采取監(jiān)控量由1臺lcu集中控制的方式，因此任一時(shí)刻plc死機(jī)或陷入程序死循環(huán)或無法退出子程序均可能導(dǎo)致整個(gè)泵站監(jiān)控系統(tǒng)失控現(xiàn)象，解決辦法是除了嚴(yán)格的軟件測試外，還需要在每個(gè)子程序設(shè)定一定的時(shí)間限制，使在一定時(shí)間沒法完成相應(yīng)的動作，由plc自動返回子程序并復(fù)歸，減少失控時(shí)間從而降低失控?fù)p失。

　　(2)對于靠機(jī)械觸點(diǎn)來完成的信號，如流量計(jì)信號，要考慮觸點(diǎn)“抖動”的影響，以防程序亂跳，引起監(jiān)控失控現(xiàn)象。

　　3.2 上位機(jī)組態(tài)編程

　　通過上位機(jī)組態(tài)編程主要是提供一個(gè)友好的人機(jī)界面，方便監(jiān)控和報(bào)表打印，組態(tài)編程需實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　(1)數(shù)據(jù)采集和處理。采集所有i/o點(diǎn)的模擬量、開關(guān)量及脈沖量，記錄所有事件信息;對采集量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表或趨勢圖生成，對事件信息進(jìn)行順序記錄處理。

　　(2)監(jiān)視和報(bào)警。進(jìn)行狀態(tài)、越限、過程和故障等監(jiān)視;對越限和故障進(jìn)行判斷和動作(報(bào)警)并及時(shí)記錄以便查詢、打印和分析。

　　(3)控制和調(diào)節(jié)。泵組、公用設(shè)備及附屬設(shè)備啟停操作，泵組事故停機(jī)或緊急停機(jī)操作，斷路器、隔離開關(guān)的投切操作等方面控制;參數(shù)整定與限值修改，有功、無功負(fù)荷調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)方/本地、手動/自動等工作方式切換等方面的調(diào)節(jié)。

　　(4)人機(jī)對話和擴(kuò)展接口。能友好顯示狀態(tài)表、示意圖、操作流程、運(yùn)行指導(dǎo)、報(bào)警提示等畫面，并便于監(jiān)控量的增加和監(jiān)控設(shè)備的添設(shè)。

　　(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和運(yùn)行管理。用電量、供水量的累加計(jì)算，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、泵組抽水效率、泵組溫度等方面的統(tǒng)計(jì)和分析;生產(chǎn)報(bào)表的生成和數(shù)據(jù)查詢的打印，使用和管理權(quán)限的登陸。

　　(6)通訊和連網(wǎng)。與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊;與上級調(diào)度層連網(wǎng)通訊。

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

　　4 系統(tǒng)功效考核指標(biāo)

　　如前所述，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是否取得預(yù)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(nèi)容以及所對應(yīng)的功能性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的需求的響應(yīng)。具體考核指標(biāo)如下：

　　4.1 實(shí)時(shí)性

　　(1)數(shù)據(jù)采集時(shí)間：狀態(tài)圖或報(bào)警點(diǎn)≤1s，電氣模擬量《1s，非電氣模擬量1s-10s，事件順序記錄點(diǎn)(soe)分辨率1ms-2ms;

　　(2)控制命令響應(yīng)時(shí)間：《1s;

　　(3)數(shù)據(jù)庫刷新時(shí)間：實(shí)時(shí);

　　(4)人機(jī)接口響應(yīng)時(shí)間：調(diào)用新畫面時(shí)間(90%畫面)≤2s，在已顯示畫面上動態(tài)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間≤1s，報(bào)警或事件產(chǎn)生到畫面顯示和發(fā)出聲響的時(shí)間《1s。

　　4.2 可靠性

　　(1)中控層mtbf：》16000h;

　　(2)現(xiàn)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(yàn)和隔離故障斷開點(diǎn)，專用安裝拆卸工具，遠(yuǎn)程系統(tǒng)診斷和維護(hù)工具等。

　　4.4 可用率

　　(1)維修停機(jī)時(shí)間：包括故障維護(hù)時(shí)間、影響設(shè)備使用的預(yù)防性維修時(shí)間和擴(kuò)充停機(jī)時(shí)間，只計(jì)及從關(guān)鍵性功能損壞時(shí)算起到把事故設(shè)備恢復(fù)到正常運(yùn)行所需的時(shí)間;

　　(2)可用率：≥99.7%。

　　4.5 可擴(kuò)展性

　　(1)中控層cpu能力儲備：≥50%;

　　(2)現(xiàn)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(jī)通信中，設(shè)置操作員控制權(quán)口令，按控制層次實(shí)現(xiàn)操作閉鎖，其優(yōu)先順序?yàn)楝F(xiàn)地層第一、中控層第二;

　　(2)通信安全性：當(dāng)通信失效時(shí)，考慮2-5次重復(fù)通信并發(fā)出報(bào)警信息;

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

　　5 結(jié)束語

　　(1)偏遠(yuǎn)地區(qū)小型泵站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)充分貫徹了“無人值班、少人值守”理念，并對其包含的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)管理等兩方面的內(nèi)容均提出了較高要求;

　　(2)偏遠(yuǎn)地區(qū)小型泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)因所處位置關(guān)系對硬件的可靠性、維護(hù)的及時(shí)性和安全性等要求較高，這在系統(tǒng)功效考核指標(biāo)中予以充分體現(xiàn)，設(shè)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(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)方案應(yīng)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(tǒng)功效考核指標(biāo)，有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。