計算機監控系統在泵閘站現代化改造中的應用

王 強，許 瑛

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213100；2.常州市武進區中西醫結合醫院，江蘇 常州 213101）

0 引言

目前我國有大量泵站在國民經濟生產中發揮著巨大的作用，主要承擔著工農業供水、城市防洪排澇等任務，與社會和諧發展息息相關。由于建設時間早，很多泵站存在著自動化水平低、故障分析不準確和設備運行管理不規范的情況。

隨著計算機技術的快速發展，計算機監控系統在泵站現代化改造中得到了廣泛應用，它主要完成泵站現場的數據采集與處理、設備控制與調節、運行監視與告警等功能，為提高泵站的運行管理水平、減輕運行人員勞動強度提供了較好的技術手段[1]。實現泵站的計算機監控已成為現階段泵站現代化改造的迫切需求，同時也代表了泵站技術未來的發展方向。

1 工程現狀

北塘河泵站位于北塘河與澡港河東支交匯處西側的北塘河上，該工程由泵站和節制閘各一座組成，其中節制閘規模為單孔凈寬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臺設計流量為10 m3/s的豎井貫流泵，配355 kW臥式10 kV高壓異步電動機。泵站裝設1臺站變、3臺主機泵、1扇節制閘、4臺技術供水泵、2臺滲漏排水泵、1臺皮帶輸送機、3臺回轉式清污機、高低壓開關柜設備等。

北塘河泵站已建成投運多年，由于設備老舊，原控制系統穩定性差已無法正常使用。在2016年常州市城市防洪工程管理處信息化項目實施過程中，由于北塘河泵站監控系統數據的缺失，無法將北塘河泵站的數據整合并上傳至城市防洪平臺。因此在2018年管理處決定對北塘河泵站計算機監控系統進行更新改造，更換服務器、工控機、交換機、水位計、上位機組態軟件、操作系統軟件、PLC等，并根據泵站調度規程進行上位機軟件編制、研發、安裝，以及數據接口整合等。

2 計算機監控系統的設計原則和架構

2.1 計算機監控系統的設計原則

北塘河泵站計算機監控系統改造項目結構復雜、功能多，為確保達到預期目標，系統改造方案遵循“實用性、可靠性、先進性、標準化、開放性”的原則，緊密結合水利業務的需要，既要滿足泵站運行的迫切要求，又要保證與城市防洪平臺的互聯互通。

2.2 計算機監控系統的架構

從邏輯結構上來劃分，泵站計算機監控系統主要包括三大子系統的建設，即設備自動化監控系統、視頻監控系統和數據管理和傳輸系統。

設備自動化監控系統:主要負責對泵站內的主機組、節制閘、高低壓柜、技術供水等設備進行自動控制、監測和保護。在正常運行時，自動化監控系統通過計算機控制整個泵站，通過網絡對各設備運行狀態、報警信號、水位測量等數據進行監測。

視頻監控系統:作為計算機監控系統的輔助監測部分，用于對重點區域進行實時視頻監視，具有視頻采集、傳輸、切換控制、顯示、存儲和重放、遠程瀏覽等功能[2]。通過設置視頻監視設施，運行人員能夠對現場關鍵設備的運行狀態進行直接的觀察，同時又可兼顧泵站安防。

數據管理和傳輸系統:將現場采集設備上傳的數據進行格式化處理，一方面存儲入泵站數據庫服務器，以備管理人員進行查詢和統計，另一方面通過網絡設備定時將數據上傳入城市防洪平臺，以實現管理處的統一指揮和調度。

3 計算機監控系統改造方案

北塘河泵站計算機監控系統改造項目主要是從設備自動化監控系統、視頻監控系統、數據管理和傳輸系統三大子系統入手，更換服務器、工控機、攝像設備等硬件設備，并根據調度規程編寫上位機監控軟件和整合數據接口。

3.1 設備自動化監控系統的設計及實現

本設計研究的對象是位于北塘河泵站的自動化監控系統，該系統采用符合國際標準的開放式分層、分布的結構[3]，由上位機監控，上位機和現地控制單元通過光纖、以太環網通信。系統網絡拓撲結構見圖1。

圖1 設備自動化監控系統網絡拓撲結構圖

3.1.1 設備配置設計

在自動化監控系統中，泵站進線、站變、低壓系統等電氣設備共配置1套PLC（即公用PLC），1套PLC負責機組的程控啟停操作和狀態監視（即機組PLC），泵組現地設備共配置3套PLC（即現地PLC），技術供水泵及供水系統配置1套PLC（即技術供水系統PLC），滲漏排水泵及風機等輔機設備配置1套PLC（即輔機PLC），節制閘啟閉機配置1套PLC（即節制閘PLC），內河側清污機、輸送機共配置1套PLC（即清污機PLC），共計9套。

現地控制PLC中機組控制PLC、公用設備控制PLC、現地PLC、技術供水系統PLC選用法國施耐德公司生產的Unity Quantum系列PLC，每套PLC配置1套液晶觸摸屏，實現現地操作功能；輔機PLC、節制閘控制PLC、清污機PLC選用法國施耐德公司生產的M340系列PLC。

上位機監控軟件應選用組態王Kingview，監控軟件I/O點數留有40%以上的余量。北塘河泵站設備自動化監控系統改造主要設備配置見表1。

表1 北塘河泵站設備自動化監控系統改造主要設備配置表

3.1.2 設備自動化監控系統的主要功能

在中心站設了2套監控主機，主要對整個監控系統進行管理、數據處理及各種報表曲線等功能。除此之外，針對突發狀況可以實現用戶端的遠程操控命令下達與工作方式迅速切換以及故障報警功能。

（1）數據采集與處理功能

系統對各類實時數據進行采集并存入相應的數據庫，需要記錄的數據主要有:電氣模擬量、狀態信號開關量、水位模擬量、和事故信號開關量等。

（2）統計與計算功能

主要包括事故及故障統計記錄、相關的參數出現異常的情況，設備正常運行的時間，統計這些數據主要是為了更好地了解設備工作情況。

（3）參數在線修改

管理人員可以對系統相關故障判斷預置條件、溫度標定值、計算公式進行在線修改。

（4）控制與調節功能

監控主機上有控制機組的開、停機操作的流程，操作人員可以通過操作上面的相應指令完成操作，點擊完成后計算機將指令傳輸到PLC自動控制相關設備運行，并將運行情況反應到機組操作流程圖上。水泵機組控制界面見圖2。

圖2 水泵機組控制界面圖

（5）設備運行統計記錄及生產管理

系統的各種數據都可以被實時監控，操作人員得到數據后，需對整體系統的運行情況進一步分析，另外系統可以自動生成各類報表、日志、自動生成和打印操作等。

3.2 視頻監控系統的設計及實現

視頻監視系統采用高清視頻設計，采用分布式存儲方式，前端采集為200萬像素的高清網絡相機，硬盤錄像機NVR承擔錄像存儲、碼流轉發等重任，是系統的節點設備。泵站控制室通過移動網絡接入到城市防洪工程監控中心，在監控中心可以設置監控管理平臺和監視屏組，以對整個監控區域進行日常視頻監控。

本視頻監視系統拓撲結構見圖3。

圖3 視頻監視系統拓撲結構圖

3.2.1 視頻監控系統的設備配置設計

本次改造項目中北塘河泵站視頻監視系統中共有20個視頻監視點，其中13處為網絡球機，7處為網絡槍機。根據北塘河泵站視頻監視點數量及位置，配置視頻監視系統設備見表2。

表2 北塘河泵站視頻監視系統設備配置表

3.2.2 視頻監控系統的功能

視頻監控系統圍繞以下功能實現進一步的優化設計:遠程監視和錄像、實時控制、在線瀏覽等。

（1）遠程監視和錄像

攝像機能全天候清晰、有效地獲取視頻圖像。視頻監視范圍滿足現場監視覆蓋范圍的要求，根據監視要求配置固定攝像機或活動攝像機。能對監視的畫面進行自動錄像，存儲的圖像信息應包含圖像編號/地址、存儲時的時間和日期。

（2）實時控制

系統能對活動攝像機和云臺進行全方位遙控，同時也能對攝像機進行變焦和光圈調節，能監視圖像滿足泵站監視要求。

（3）在線瀏覽

為了實現相關的在線瀏覽功能，需要采用C/S和B/S模式兩種模式的實時監控功能，這樣在以太網接口的連接下，實現相關信息的在線上傳和下載，以此在監控系統的終端，用戶可以完成在線遠程瀏覽視頻以及圖像的功能。

3.3 數據管理和傳輸系統設計及實現

數據庫服務器采用戴爾PowerEdge T320塔式服務器，主要用于對水位、故障報警信號、設備運行狀態、電壓電流等基礎數據進行管理和傳輸。當現場PLC采集到數據并上傳至服務器時，數據庫系統一方面把數據按照整編規范存入實時數據庫，另一方面按照預定規則，通過租用的移動光纖，將泵站運行數據上傳至城市防洪平臺數據庫。通過專業的數據庫管理，系統可提供多種數據查詢，主要包括閘門運行記錄、主要電氣設備動作及運行記錄、操作記錄、定值變更記錄、事故及故障統計記錄、運行日志及報表記錄等。系統網絡結構見圖4。

圖4 數據管理和傳輸系統網絡結構圖

4 結語

北塘河泵站在進行計算機監控系統改造后，泵站設備的智能化和自動化程度得到了提高，一方面大大降低了運行人員的勞動強度，實現了“少人值守”的改造目標，為泵站的安全運行提供了可靠的技術保障[4]；另一方面泵站監控系統將采集的運行數據通過光纖上傳到城市防洪平臺，為調度人員做出正確決策提供有效支持。泵站計算機監控系統在降低洪澇災害損失中起到了重要作用，將進一步發揮工程的經濟效益和社會效益。