计算机监控系统在泵闸站现代化改造中的应用

王 强，许 瑛

（1.常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州 213100；2.常州市武进区中西医结合医院，江苏 常州 213101）

0 引言

目前我国有大量泵站在国民经济生产中发挥着巨大的作用，主要承担着工农业供水、城市防洪排涝等任务，与社会和谐发展息息相关。由于建设时间早，很多泵站存在着自动化水平低、故障分析不准确和设备运行管理不规范的情况。

随着计算机技术的快速发展，计算机监控系统在泵站现代化改造中得到了广泛应用，它主要完成泵站现场的数据采集与处理、设备控制与调节、运行监视与告警等功能，为提高泵站的运行管理水平、减轻运行人员劳动强度提供了较好的技术手段[1]。实现泵站的计算机监控已成为现阶段泵站现代化改造的迫切需求，同时也代表了泵站技术未来的发展方向。

1 工程现状

北塘河泵站位于北塘河与澡港河东支交汇处西侧的北塘河上，该工程由泵站和节制闸各一座组成，其中节制闸规模为单孔净宽12 m，闸门为直升式平面钢闸门。泵站为30 m3/s单向排涝泵站，采用3台设计流量为10 m3/s的竖井贯流泵，配355 kW卧式10 kV高压异步电动机。泵站装设1台站变、3台主机泵、1扇节制闸、4台技术供水泵、2台渗漏排水泵、1台皮带输送机、3台回转式清污机、高低压开关柜设备等。

北塘河泵站已建成投运多年，由于设备老旧，原控制系统稳定性差已无法正常使用。在2016年常州市城市防洪工程管理处信息化项目实施过程中，由于北塘河泵站监控系统数据的缺失，无法将北塘河泵站的数据整合并上传至城市防洪平台。因此在2018年管理处决定对北塘河泵站计算机监控系统进行更新改造，更换服务器、工控机、交换机、水位计、上位机组态软件、操作系统软件、PLC等，并根据泵站调度规程进行上位机软件编制、研发、安装，以及数据接口整合等。

2 计算机监控系统的设计原则和架构

2.1 计算机监控系统的设计原则

北塘河泵站计算机监控系统改造项目结构复杂、功能多，为确保达到预期目标，系统改造方案遵循“实用性、可靠性、先进性、标准化、开放性”的原则，紧密结合水利业务的需要，既要满足泵站运行的迫切要求，又要保证与城市防洪平台的互联互通。

2.2 计算机监控系统的架构

从逻辑结构上来划分，泵站计算机监控系统主要包括三大子系统的建设，即设备自动化监控系统、视频监控系统和数据管理和传输系统。

设备自动化监控系统:主要负责对泵站内的主机组、节制闸、高低压柜、技术供水等设备进行自动控制、监测和保护。在正常运行时，自动化监控系统通过计算机控制整个泵站，通过网络对各设备运行状态、报警信号、水位测量等数据进行监测。

视频监控系统:作为计算机监控系统的辅助监测部分，用于对重点区域进行实时视频监视，具有视频采集、传输、切换控制、显示、存储和重放、远程浏览等功能[2]。通过设置视频监视设施，运行人员能够对现场关键设备的运行状态进行直接的观察，同时又可兼顾泵站安防。

数据管理和传输系统:将现场采集设备上传的数据进行格式化处理，一方面存储入泵站数据库服务器，以备管理人员进行查询和统计，另一方面通过网络设备定时将数据上传入城市防洪平台，以实现管理处的统一指挥和调度。

3 计算机监控系统改造方案

北塘河泵站计算机监控系统改造项目主要是从设备自动化监控系统、视频监控系统、数据管理和传输系统三大子系统入手，更换服务器、工控机、摄像设备等硬件设备，并根据调度规程编写上位机监控软件和整合数据接口。

3.1 设备自动化监控系统的设计及实现

本设计研究的对象是位于北塘河泵站的自动化监控系统，该系统采用符合国际标准的开放式分层、分布的结构[3]，由上位机监控，上位机和现地控制单元通过光纤、以太环网通信。系统网络拓扑结构见图1。

图1 设备自动化监控系统网络拓扑结构图

3.1.1 设备配置设计

在自动化监控系统中，泵站进线、站变、低压系统等电气设备共配置1套PLC（即公用PLC），1套PLC负责机组的程控启停操作和状态监视（即机组PLC），泵组现地设备共配置3套PLC（即现地PLC），技术供水泵及供水系统配置1套PLC（即技术供水系统PLC），渗漏排水泵及风机等辅机设备配置1套PLC（即辅机PLC），节制闸启闭机配置1套PLC（即节制闸PLC），内河侧清污机、输送机共配置1套PLC（即清污机PLC），共计9套。

现地控制PLC中机组控制PLC、公用设备控制PLC、现地PLC、技术供水系统PLC选用法国施耐德公司生产的Unity Quantum系列PLC，每套PLC配置1套液晶触摸屏，实现现地操作功能；辅机PLC、节制闸控制PLC、清污机PLC选用法国施耐德公司生产的M340系列PLC。

上位机监控软件应选用组态王Kingview，监控软件I/O点数留有40%以上的余量。北塘河泵站设备自动化监控系统改造主要设备配置见表1。

表1 北塘河泵站设备自动化监控系统改造主要设备配置表

3.1.2 设备自动化监控系统的主要功能

在中心站设了2套监控主机，主要对整个监控系统进行管理、数据处理及各种报表曲线等功能。除此之外，针对突发状况可以实现用户端的远程操控命令下达与工作方式迅速切换以及故障报警功能。

（1）数据采集与处理功能

系统对各类实时数据进行采集并存入相应的数据库，需要记录的数据主要有:电气模拟量、状态信号开关量、水位模拟量、和事故信号开关量等。

（2）统计与计算功能

主要包括事故及故障统计记录、相关的参数出现异常的情况，设备正常运行的时间，统计这些数据主要是为了更好地了解设备工作情况。

（3）参数在线修改

管理人员可以对系统相关故障判断预置条件、温度标定值、计算公式进行在线修改。

（4）控制与调节功能

监控主机上有控制机组的开、停机操作的流程，操作人员可以通过操作上面的相应指令完成操作，点击完成后计算机将指令传输到PLC自动控制相关设备运行，并将运行情况反应到机组操作流程图上。水泵机组控制界面见图2。

图2 水泵机组控制界面图

（5）设备运行统计记录及生产管理

系统的各种数据都可以被实时监控，操作人员得到数据后，需对整体系统的运行情况进一步分析，另外系统可以自动生成各类报表、日志、自动生成和打印操作等。

3.2 视频监控系统的设计及实现

视频监视系统采用高清视频设计，采用分布式存储方式，前端采集为200万像素的高清网络相机，硬盘录像机NVR承担录像存储、码流转发等重任，是系统的节点设备。泵站控制室通过移动网络接入到城市防洪工程监控中心，在监控中心可以设置监控管理平台和监视屏组，以对整个监控区域进行日常视频监控。

本视频监视系统拓扑结构见图3。

图3 视频监视系统拓扑结构图

3.2.1 视频监控系统的设备配置设计

本次改造项目中北塘河泵站视频监视系统中共有20个视频监视点，其中13处为网络球机，7处为网络枪机。根据北塘河泵站视频监视点数量及位置，配置视频监视系统设备见表2。

表2 北塘河泵站视频监视系统设备配置表

3.2.2 视频监控系统的功能

视频监控系统围绕以下功能实现进一步的优化设计:远程监视和录像、实时控制、在线浏览等。

（1）远程监视和录像

摄像机能全天候清晰、有效地获取视频图像。视频监视范围满足现场监视覆盖范围的要求，根据监视要求配置固定摄像机或活动摄像机。能对监视的画面进行自动录像，存储的图像信息应包含图像编号/地址、存储时的时间和日期。

（2）实时控制

系统能对活动摄像机和云台进行全方位遥控，同时也能对摄像机进行变焦和光圈调节，能监视图像满足泵站监视要求。

（3）在线浏览

为了实现相关的在线浏览功能，需要采用C/S和B/S模式两种模式的实时监控功能，这样在以太网接口的连接下，实现相关信息的在线上传和下载，以此在监控系统的终端，用户可以完成在线远程浏览视频以及图像的功能。

3.3 数据管理和传输系统设计及实现

数据库服务器采用戴尔PowerEdge T320塔式服务器，主要用于对水位、故障报警信号、设备运行状态、电压电流等基础数据进行管理和传输。当现场PLC采集到数据并上传至服务器时，数据库系统一方面把数据按照整编规范存入实时数据库，另一方面按照预定规则，通过租用的移动光纤，将泵站运行数据上传至城市防洪平台数据库。通过专业的数据库管理，系统可提供多种数据查询，主要包括闸门运行记录、主要电气设备动作及运行记录、操作记录、定值变更记录、事故及故障统计记录、运行日志及报表记录等。系统网络结构见图4。

图4 数据管理和传输系统网络结构图

4 结语

北塘河泵站在进行计算机监控系统改造后，泵站设备的智能化和自动化程度得到了提高，一方面大大降低了运行人员的劳动强度，实现了“少人值守”的改造目标，为泵站的安全运行提供了可靠的技术保障[4]；另一方面泵站监控系统将采集的运行数据通过光纤上传到城市防洪平台，为调度人员做出正确决策提供有效支持。泵站计算机监控系统在降低洪涝灾害损失中起到了重要作用，将进一步发挥工程的经济效益和社会效益。