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偏远地区小型泵站计算机监控系统的设计与应用

2019-05-25 11:47 出处:未知 人气: 评论(

1 引言

  无人值班、少人值守,是工厂自动化领域常提到的理念,包含有设计技术和生产管理等两方面的内容。一方面,对工厂监控主体提出了很高的要求;另一方面,为工厂生产管理的低成本、高效率提供了有效实现途径。但在实际工程应用中,设计及运用往往偏离了该理念的本质。一方面,设计标准低或是不完善,无法实现预期的工程功效;另一方面,无视工厂周情复杂或生产管理低效,理想化配置生产管理人员和运行维护人员,造成生产管理人员和运行维护人员的工作压力不降反升,从而对该理念产生抵触情绪,让该理念成为水土不服的妄想。以泵站计算机监控系统为例,地处偏远地区的泵站计算机监控系统,理想化的系统配置确实能解决生产管理人员难以保障以及运行维护人员难以及时就位等造成的低效率问题,但现实问题是,出于造价的考虑,机组、plc或是电源往往不能达到冗余配置,一旦出现故障,备用机组、plc不够或是备用电源不足,影响了生产任务的正常推进;而地处居民区的泵站计算机监控系统,由于生产管理以及运行维护的保障显然不再是个问题,理想化的系统配置确实能弱化人的作用从而为降低管理成本提供有力支撑,但周情复杂带来的运行安全问题,势必会加大巡视检查和运行维护频率,从而不允许生产管理人员以及运行维护人员按理想化配置。由此可见,对于地处偏远地区的泵站计算机监控系统,首要解决的是系统的物的问题;至于地处居民区的泵站计算机监控系统,首要解决的是系统的人的问题。作为工厂自动化的设计者和使用者,对无人值班、少人值守理念所包含的两方面的内容以及所对应的功能性、经济性和安全性的需求,不可有所偏颇,否则无法发挥工厂自动化的作用,更无从谈起该理念的优势及意义。本文结合工程实例(基础资料略),仅就地处偏远地区的泵站计算机监控系统给出满足无人值班、少人值守理念所包含的两方面内容要求的设计方案,抛砖引玉,以供同行探讨,共同推动泵站计算机监控系统的高速高效发展。

2 系统硬件配置

  2.1系统监控对象

  综合考虑该小型泵站的位置、规模以及各组成部分保护等级对功能性和安全性的要求,系统监控对象主要有:

  (1)机组部分:4台机组(3用1备,必要时2用2备)及出口液控阀、进出口检修阀等附属设备;

  (2)公用部分:室外配电装置(变电站)、室内配电装置(高压开关柜、低压开关柜、厂用变压器)、功率补偿装置(电容器柜)、直流系统、微机保护系统、厂用辅助系统(技术供水系统、检修渗漏排水系统、消防供水系统、火灾报警系统)、水力监测系统。

  2.2 系统监控结构

  基于功能上和安全上的需求,宜采用分层(中控和现地双层)分布式结构;同时,由于该小型泵站规模不大,使用功能简单,监控量仅约300点,经充分考虑经济性,决定只配置1套lcu(现地控制单元),代替流行的泵组lcu+公用lcu的配置模式,如附图所示。中控层位于中控室,现地层机组lcu位于厂房电机层。

  中控层上位机采用c/s结构且双机互相冗余,运行操作系统采用微软的win nt4.0,组态软件采用施耐德的monitorpro,数据库采取sql server 2000。

  现地层lcu由plc柜、控制柜、电源柜构成。控制柜为plc柜的冗余装置,应对plc失控时能在现地进行紧急操作以将事故损失降到最低,该冗余设计方案经济实用,控制柜上由权限切换开关进行控制源(设于上位机、plc柜、控制柜上)切换,并设定在任意时刻,只有一个控制源有效。

  中控层与现地层通过交换机联接成分层分布式结构。交换机采用工业以太网实现中控层与现地层间通信,上行网络采用tcp/ip协议,下行网络采用modbusplus协议。为实现通信,设有将现地设备通信协议统一转换为通用的tcp/ip协议的协议转换器。

  gsm模块用以发生事故时能及时发出电话或短信报警,确保生产管理人员以及运行维护人员及时就位。

  2.3 系统功能模块

  (1)控制模。前面提到,由于泵站所需监控量较少,因此不考虑各个机组采用独立的lcu,而是用1套lcu代替流行的泵组lcu+公用lcu,经济实用。但该设计方案对可靠性和实时性提出了较高要求,因此需采用性能优异的plc,如在实时性上满足开关量和报警量的采集周期、电气模拟量和非电气模拟量的采集周期、事件顺序记录点(soe)分辨率等。本设计采用施耐德quantum系列且没有i/o点限制的cpu31110,配有开入开出模块、模入模出模块、以太网模块等众多模块功能强大,为增强扩展性,还配有扩展模块,足以满足该小型泵站正常的生产和实际的需求。

  (2)电源模块。服务对象主要包括常规的ups、交直流切换装置、24v直流电源等。为了保证系统的正常工作,对电源模块的设计必须采取冗余双电源的设计方案,以保证监控的连续带电工作。同时考虑到电源的抗干扰性,必须做2级和3级防雷措施,本方案采用菲尼克斯的防雷模块。

  (3)抗干扰模块。设计i/o回路的抗干扰模块,主要是为了保证整个监控系统能够达到泵站防浪涌3级的要求以及起到对plc模块、电源模块的保护作用。由于现地设备与控制柜间存在较长距离,需要铺设电源线路,方便起见,10kv动力线和信号线常同走一条槽,因此间距非常靠近,干扰很大,特别是在泵组启动和停止的瞬间,其干扰已严重影响到监控系统的稳定性,对这些开入开出模块、模入模出模块的抗干扰设计因而显得非常必要和重要。在保证机组的对地电阻不大于1以及信号屏蔽线接地良好的基础上,本设计主要采取瞬态二极管来抑制信号和过压引起的强干扰。

  (4)协议转换模块。设计协议转换模块主要是出于保证plc、上位机能够与现场的设备、仪表等监测点进行不同协议间正常通信的需要。本设计采用了modbusplus转tcp/ip的方案,并使用施耐德的协议转换器。

3 系统软件设计

  3.1 plc底层编程

  plc底层采用易于掌握的梯形图进行编程,编程中应特别注意如下问题:

  (1)由于设计方案采取监控量由1台lcu集中控制的方式,因此任一时刻plc死机或陷入程序死循环或无法退出子程序均可能导致整个泵站监控系统失控现象,解决办法是除了严格的软件测试外,还需要在每个子程序设定一定的时间限制,使在一定时间没法完成相应的动作,由plc自动返回子程序并复归,减少失控时间从而降低失控损失。

  (2)对于靠机械触点来完成的信号,如流量计信号,要考虑触点抖动的影响,以防程序乱跳,引起监控失控现象。

  3.2 上位机组态编程

  通过上位机组态编程主要是提供一个友好的人机界面,方便监控和报表打印,组态编程需实现如下功能:

  (1)数据采集和处理。采集所有i/o点的模拟量、开关量及脉冲量,记录所有事件信息;对采集量进行统计表或趋势图生成,对事件信息进行顺序记录处理。

  (2)监视和报警。进行状态、越限、过程和故障等监视;对越限和故障进行判断和动作(报警)并及时记录以便查询、打印和分析。

  (3)控制和调节。泵组、公用设备及附属设备启停操作,泵组事故停机或紧急停机操作,断路器、隔离开关的投切操作等方面控制;参数整定与限值修改,有功、无功负荷调节,远方/本地、手动/自动等工作方式切换等方面的调节。

  (4)人机对话和扩展接口。能友好显示状态表、示意图、操作流程、运行指导、报警提示等画面,并便于监控量的增加和监控设备的添设。

  (5)数据统计和运行管理。用电量、供水量的累加计算,设备运行时间、泵组抽水效率、泵组温度等方面的统计和分析;生产报表的生成和数据查询的打印,使用和管理权限的登陆。

  (6)通讯和连网。与现场设备进行数据通讯;与上级调度层连网通讯。

  (7)自诊断和冗余切换。设备自检、互检、故障自恢复;工作站间、打印机间、cpu间等自切或手切。

4 系统功效考核指标

  如前所述,泵站计算机监控系统是否取得预期工程功效,取决于对无人值班、少人值守理念所包含的两方面的内容以及所对应的功能性、经济性和安全性的需求的响应。具体考核指标如下:

  4.1 实时性

  (1)数据采集时间:状态图或报警点1s,电气模拟量《1s,非电气模拟量1s-10s,事件顺序记录点(soe)分辨率1ms-2ms;

  (2)控制命令响应时间:《1s;

  (3)数据库刷新时间:实时;

  (4)人机接口响应时间:调用新画面时间(90%画面)2s,在已显示画面上动态数据刷新时间1s,报警或事件产生到画面显示和发出声响的时间《1s。

  4.2 可靠性

  (1)中控层mtbf:》16000h;

  (2)现地层mtbf:》30000h。

  4.3 可维修性

  (1)mttr:0.5h-1h;

  (2)维修措施:包括自诊断和寻找故障程序,试验和隔离故障断开点,专用安装拆卸工具,远程系统诊断和维护工具等。

  4.4 可用率

  (1)维修停机时间:包括故障维护时间、影响设备使用的预防性维修时间和扩充停机时间,只计及从关键性功能损坏时算起到把事故设备恢复到正常运行所需的时间;

  (2)可用率:99.7%。

  4.5 可扩展性

  (1)中控层cpu能力储备:50%;

  (2)现地层cpu能力储备:40%;

  (3)通道利用率:50%。

  4.6 安全性

  (1)操作安全性:在人机通信中,设置操作员控制权口令,按控制层次实现操作闭锁,其优先顺序为现地层第一、中控层第二;

  (2)通信安全性:当通信失效时,考虑2-5次重复通信并发出报警信息;

  (3)硬件、软件及固件的安全性:具有电源故障保护和自动重新启动、初始状态预置和重置、自检自报、自动切除和切换、防误动作闭锁、失电保持等功能。

5 结束语

  (1)偏远地区小型泵站采用计算机监控系统充分贯彻了无人值班、少人值守理念,并对其包含的设计技术和生产管理等两方面的内容均提出了较高要求;

  (2)偏远地区小型泵站计算机监控系统因所处位置关系对硬件的可靠性、维护的及时性和安全性等要求较高,这在系统功效考核指标中予以充分体现,设置gsm模块、回路抗干扰模块以及电源防雷措施因而显得非常必要和重要;

  (3)工程实践证明,本设计方案应用效果良好,文中对无人值班、少人值守理念的理解以及所提出的系统功效考核指标,有较强的实用性和可操作性。

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