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        基于PLC控制的小型泵閘站綜合信息化系統(tǒng)設(shè)計

        2020-11-27 08:29:42嵇鵬程石超磊
        江蘇水利 2020年11期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

        嵇鵬程,石超磊

        (常州市河道湖泊管理處,江蘇 常州 213022)

        目前常州城區(qū)大部分小型泵閘站采用的運行管理方式還處在基于本地現(xiàn)場的人工控制水平通常是開機時需要有人值守、人工操作和記錄數(shù)據(jù),無自動化和信息化,調(diào)度效率低下,不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一控制與調(diào)度,更不能實現(xiàn)運行參數(shù)的科學管理與決策分析,這與經(jīng)濟、社會發(fā)展水平極不相稱,不能夠滿足城市環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展以及常州市民對防汛抗旱、水環(huán)境整治、水資源綜合利用與管理的迫切需求,因此,為了解決上述問題,實現(xiàn)水資源的高效合理調(diào)度分配,利用可編程控制器(PLC)、多種傳感器、組態(tài)技術(shù)、GPRS、計算機遠程控制等技術(shù)建立一套集現(xiàn)代化科學技術(shù)、先進管理手段的泵閘站自動化監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)在現(xiàn)地及遠程控制室對泵站、涵閘運行進行監(jiān)控和管理[1],使其在防汛抗旱、水環(huán)境改善和日常的運行管理中發(fā)揮人工管理所不具備的效率,對于提高防洪調(diào)度能力,完善決策與管理水平,在新形勢下開拓水利發(fā)展的新空間,開創(chuàng)水利現(xiàn)代化事業(yè)的新時代,具有十分深遠的意義。

        1 總體架構(gòu)設(shè)計

        本工程結(jié)構(gòu)共分為3層:第一層為預(yù)留的局調(diào)度中心;第二層為泵閘站運行管理中心;第三層為對應(yīng)的現(xiàn)地控制單元。據(jù)此泵閘綜合自動監(jiān)控系統(tǒng)也采用三級控制,第一級為現(xiàn)地控制級,在布置于泵閘附近的現(xiàn)地控制單元上實現(xiàn)就地控制;第二級為遠程控制級,在運行管理控制中心的計算機上實現(xiàn)遠程控制;第三級為遠程調(diào)度級,在局調(diào)度中心進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢,根據(jù)系統(tǒng)查詢結(jié)果向運管中心下發(fā)調(diào)度指令。就地、管理中心二級控制互為閉鎖,現(xiàn)地控制為最高優(yōu)先級,且在現(xiàn)地控制柜上設(shè)置權(quán)限旋鈕開關(guān),可以切換現(xiàn)地運行模式和遠程運行模式;局調(diào)度中心只具有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢和調(diào)度功能,無設(shè)備遠程控制功能。

        在實現(xiàn)層面上分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)交換與服務(wù)、業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用等3個層次,系統(tǒng)總體框架如圖1所示。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制層主要完成泵閘站現(xiàn)場運行工況的信息采集、視頻信號的采集、現(xiàn)場泵閘站設(shè)備的控制;數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層主要實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層上傳數(shù)據(jù)的接收與數(shù)據(jù)整編入庫以及對外提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)與接口;業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用主要實現(xiàn)泵閘站設(shè)備的遠程控制與監(jiān)測以及工況與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢、挖掘與分析等功能。

        圖1 泵閘站信息化系統(tǒng)總體架構(gòu)

        1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制層

        該層以PLC為核心,觸摸屏MCGS通過交換機與同一局域網(wǎng)段的PLC相連,觸摸屏命名的點跟PLC里面的點地址通過中間地址進行關(guān)聯(lián),各臺機組設(shè)備的電壓、電流、功率等模擬量通過RS485串口上傳至多功能電參數(shù)儀表,超聲波水位計采集上、下游的水位值和閘位機采集節(jié)制閘的開度值通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字量,三類數(shù)據(jù)通過PLC中的算法程序進行換算和校正后顯示在機柜的觸摸屏上,泵閘站現(xiàn)場管理人員既可以觀測具體數(shù)據(jù),也可以通過現(xiàn)場觸摸屏控制機組設(shè)備的啟動和停止,同時PLC通過TCP/IP接口、現(xiàn)場交換機和路由器,與運行管理控制中心設(shè)備互聯(lián),實現(xiàn)監(jiān)測信息的上傳與控制命令的下發(fā)。

        1.2 數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層

        泵閘站工況、水位、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻流通過局域網(wǎng)上傳至運行管理控制中心,通過配置好的防火墻HillStone SA-2001映射至交換器,再傳輸至相應(yīng)的服務(wù)器和工控機,如圖2所示,泵閘站現(xiàn)場的觸摸屏、PLC控制器、運行管理控制中心工控機之間通過將IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段形成局域網(wǎng),并通過程序中設(shè)置的中間變量實現(xiàn)3個子系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)和控制信號的互聯(lián)互通,運行管理控制中心工控機組態(tài)軟件周期性地對上傳的數(shù)據(jù)進行采樣,按照數(shù)據(jù)整編規(guī)范對采樣數(shù)據(jù)進行處理并記錄到存儲數(shù)據(jù)庫-SQL中,工控機通過實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器-IFIX隨時查詢和寫入任意時刻的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),應(yīng)用服務(wù)器通過實時數(shù)據(jù)庫-IFIX支持的JAVA數(shù)據(jù)訪問接口定期采集存儲數(shù)據(jù)庫-SQL的數(shù)據(jù),向用戶展示業(yè)務(wù)與空間信息。泵閘站現(xiàn)場的視頻攝像機采集圖像信息,通過部署在泵閘站現(xiàn)場的硬盤錄像機進行磁盤存儲,同時硬盤錄像機通過現(xiàn)場路由器向部署在集控中心的視頻服務(wù)器發(fā)送現(xiàn)場視頻流,實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。

        圖2 數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層結(jié)構(gòu)圖

        1.3 業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用層

        業(yè)務(wù)與應(yīng)用層由綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、WEBGIS服務(wù)平臺、WEB應(yīng)用程序和瀏覽器客戶端組成,它采用GIS的客戶端平臺和WEB服務(wù)相結(jié)合的方式,是一套基于客戶端平臺的WEBGIS服務(wù)平臺,將前端客戶提出的空間查詢請求存入請求隊列,后臺服務(wù)系統(tǒng)從隊列中取出應(yīng)用請求,并調(diào)用客戶端GIS功能模塊,完成請求操作,并將結(jié)果發(fā)送到客戶端,實現(xiàn)WEBGIS的功能。

        WEB應(yīng)用程序使用基于.net的應(yīng)用框架,結(jié)合客戶端框架構(gòu)建可視化的B/S應(yīng)用界面,實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)的加工與融合,在接收到來自瀏覽器客戶端的請求后,利用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù),形成WEB頁面,向客戶提供查詢響應(yīng)。

        2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

        泵閘站機柜內(nèi)自帶網(wǎng)絡(luò)端口的PLC控制器型號為TWDLCAE40DRF,編程軟件采用了Twido Soft v3.5,觸摸屏TPC1062K編程軟件采用C語言,為確保日常換水和汛期排澇中的運行安全,按照運行現(xiàn)場實際的情況,在確保開機水位正常、流道閘門全開、節(jié)制閘全關(guān)的情況下,發(fā)送開機指令才會有效,在開機指令發(fā)出后,程序啟動電磁閥,引水至水泵橡膠軸承處進行30s潤滑,同時水管中水流信號通過示流器進一步反饋到系統(tǒng)中,當水管中無水時,程序就中止下一步運行。為方便日常維修和調(diào)試,在程序設(shè)計中,通過開機界面中的手動設(shè)置可以跳過相應(yīng)環(huán)節(jié),直接進入下一環(huán)節(jié),泵閘站每個設(shè)備既可以按照自動化流程運行,也可以分別實現(xiàn)單控。以單向水泵為例,開機流程圖設(shè)計如圖3所示。

        圖3 水泵信息化開機流程圖

        3 安全策略

        3.1 系統(tǒng)安全策略

        1)隔離:按安全等級的不同分為管理區(qū)和控制區(qū)。管理區(qū)內(nèi)分布的是本工程生產(chǎn)管理類的業(yè)務(wù)應(yīng)用,而控制區(qū)內(nèi)分布的則是本工程運行監(jiān)控類的生產(chǎn)應(yīng)用,后者的安全級別高于前者,因此兩區(qū)需通過現(xiàn)場路由器等物理隔離裝置進行隔離,以避免低安全區(qū)系統(tǒng)影響高安全區(qū)系統(tǒng)的正常運行。管理區(qū)與外網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng)等)的接口,通過配置防火墻、交換機等設(shè)備[2]。

        2)操作控制:泵閘站現(xiàn)場觸摸屏、查詢主機、查詢系統(tǒng)以及服務(wù)器均需要用戶名和口令,方可登錄進入系統(tǒng)。在運行管理中心進行遠程設(shè)備控制時,只有被授權(quán)的人員才能在指定的操作機上通過IFIX軟件進行遠程操作。

        3)病毒防護:主要在服務(wù)器中安裝服務(wù)器防病毒系統(tǒng),提供對病毒的檢測、清除、免疫和對抗能力。在各類主機上也安裝單機防病毒軟件,讓病毒軟件將病毒從本地清除,以免擴散到其他主機或服務(wù)器上[3]。

        3.2 數(shù)據(jù)安全策略

        1)備份手段:對數(shù)據(jù)庫進行備份時,采取定期備份和實時備份相結(jié)合的手段。定期備份就是對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器要求進行定期停機維護,此時可以對整個數(shù)據(jù)庫進行一次靜態(tài)備份,其目的是,當數(shù)據(jù)庫遭到破壞時,可以縮短恢復(fù)時間;實時備份就是數(shù)據(jù)庫支持實時備份進程,將數(shù)據(jù)庫所發(fā)生的所有操作備份到文檔中,這些歸檔文件也可以轉(zhuǎn)儲到磁帶上,其目的是保證數(shù)據(jù)庫遭到破壞時可以恢復(fù)到被破壞的前一刻。

        2)恢復(fù)措施:數(shù)據(jù)恢復(fù)分為全盤恢復(fù)和個別文件恢復(fù)。全盤恢復(fù)一般應(yīng)用在服務(wù)器發(fā)生意外災(zāi)難導(dǎo)致數(shù)據(jù)全部丟失、系統(tǒng)崩潰或是有計劃的系統(tǒng)升級、系統(tǒng)重組等,也稱為系統(tǒng)恢復(fù);個別文件恢復(fù)就是在日常操作中,利用備份系統(tǒng)的恢復(fù)功能,可以很容易恢復(fù)受損的個別文件。

        4 結(jié) 語

        本系統(tǒng)在運行管理控制中心可以通過工控機實現(xiàn)對泵閘站設(shè)備的遠程控制,也可以在泵閘站現(xiàn)場通過PLC柜觸摸屏現(xiàn)場控制設(shè)備;通過遠程查詢與分析系統(tǒng)可以查出各個泵閘站實時水位情況、任一時刻歷史水位、任一時段的內(nèi)外河水位變化趨勢以及引(排)水流量情況等。

        通過數(shù)據(jù)挖掘和比對可以查出任何時段的最高(低)水位、平均水位,可以分析河道的水位變化量和水泵開機時間量的關(guān)系;可以通過視頻系統(tǒng)實時遠程觀看泵閘站現(xiàn)場運行情況,也可以查詢?nèi)諆?nèi)泵閘站現(xiàn)場的錄像情況,此系統(tǒng)的建成為泵閘站的精細化、信息化管理提供了技術(shù)保障,大大縮短了工程管理者和運行現(xiàn)場的時空距離,工情、水情測報由傳統(tǒng)的人工觀測被遙測代替,從而真正實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的現(xiàn)代管理模式[4]。

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