1 概述
根據(jù)深圳市泵站管理所提出的《深圳市泵站集散監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計方案》，經(jīng)過多次對泵站工藝流程、泵站設(shè)備工作原理、泵站設(shè)備與遠動系統(tǒng)接口情況的分析，并結(jié)合對類似的多種實時監(jiān)控制系統(tǒng)的調(diào)研，對在泵站管理所和泵站內(nèi)實施集散監(jiān)控系統(tǒng)的可行性進行了多次論證，提出本技術(shù)設(shè)計方案。
設(shè)計方案遵循了先進、可靠、實用、經(jīng)濟及“一次設(shè)計、分步實施”的原則。
2 系統(tǒng)功能簡介
本系統(tǒng)在泵站管理所內(nèi)的監(jiān)控中心和各泵站內(nèi)的當(dāng)?shù)乜刂婆_實現(xiàn)對各泵站設(shè)備的遙測、遙信和遙控功能，實時監(jiān)視泵站狀態(tài)和運行參數(shù)、接收故障報警信息、通過智能終端設(shè)備下達控制信號（現(xiàn)場手動優(yōu)先），并具有分級報警功能、操作權(quán)限管理功能、報表統(tǒng)計打印功能、圖像（或視頻）監(jiān)控功能、電話報警功能等。系統(tǒng)功能詳見《深圳市泵站集散監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計方案》。
3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
3.1總體結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)總體上設(shè)計為兩級管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對泵站設(shè)備的集散監(jiān)控。
圖3.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
第一，由設(shè)在設(shè)備現(xiàn)場的PLC，實現(xiàn)對設(shè)備的定時控制、閉環(huán)控制以及信號的采集和預(yù)處理等監(jiān)控功能。
第二，在泵站管理所設(shè)置泵站監(jiān)控中心，通過CDPD無線蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、ISDN、DDN通道來構(gòu)成聯(lián)接全市各泵站的星形網(wǎng)絡(luò)，通過PLC對泵站設(shè)備進行監(jiān)控。
本系統(tǒng)由四大部分構(gòu)成：
設(shè)在泵站管理所的監(jiān)控中心：它由多臺PC機/服務(wù)器構(gòu)成局域網(wǎng)，配以打印機、顯示器、大型模擬屏或投影儀等，處理人機接口命令, 進行各種數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)信息共享等。
通道：通道是連接監(jiān)控中心與泵站的通信信道。本系統(tǒng)采用CDPD無線蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN構(gòu)成互為備用的通信通道。其中，采用CDPD通道時，監(jiān)控中心的計算機需經(jīng)DDN與CDPD服務(wù)器連接。
RTU：RTU為設(shè)在各泵站內(nèi)的遠方終端單元。它們一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)上送監(jiān)控中心;另一方面執(zhí)行監(jiān)控中心的控制命令、自動執(zhí)行定時控制指令和控制邏輯。
RTU采用單個或多個PLC分別監(jiān)控啟閉機、格柵機、泵及配電柜。多個PLC之間采用RS-485聯(lián)成網(wǎng)。
圖像監(jiān)控系統(tǒng)：本系統(tǒng)配置圖像監(jiān)控系統(tǒng)。圖像監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與本系統(tǒng)其它部分相對獨立，具有獨立的通道和硬件配置。
在控制中心，配置一臺多媒體圖像監(jiān)控終端。在該終端的顯示器上，可以顯示所關(guān)心的泵站現(xiàn)場圖像，并通過該終端，可對泵站內(nèi)的攝像機鏡頭和云臺進行遙控。
由于圖像數(shù)據(jù)雖然經(jīng)過壓縮，但仍然比較大，因此采用具有較高傳輸速率的ISDN通道。
3.2工作方式
由于遠期泵站管理所將有近30個泵站/泵房要納入該集散監(jiān)控系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的實時性及系統(tǒng)運行的可靠性等，監(jiān)控中心對泵站實施分群管理，即正常情況下一臺計算機管理7-10個泵站/泵房;當(dāng)其中有計算機故障時，可配置使管理其它群的計算機代為管理;當(dāng)故障排除后，恢復(fù)到原有分群方式運行。
通訊采用Polling查詢方式。
當(dāng)監(jiān)控中心查詢RTUi（i表示第i個泵站）或向RTUi發(fā)送命令時，數(shù)據(jù)通過設(shè)在監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、DTU接口設(shè)備），經(jīng)通道送到RTU。
當(dāng)啟用CDPD通道時，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)經(jīng)DDN專線進入數(shù)據(jù)通信局CDPD網(wǎng)絡(luò)。安裝在泵站內(nèi)的CDPD無線MODEM，接收從CDPD網(wǎng)絡(luò)發(fā)射來的無線信號，并將其解調(diào)為串行數(shù)據(jù)下送給RTU。反之，當(dāng)RTU要應(yīng)答監(jiān)控中心的查詢或?qū)⑷b數(shù)據(jù)上送監(jiān)控中心時，數(shù)據(jù)由RTU經(jīng)上述鏈路逆向上傳至監(jiān)控中心。
當(dāng)啟用ISDN通道時，則監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)經(jīng)TA、ISDN網(wǎng)絡(luò)、TA下傳到RTU。RTU的數(shù)據(jù)通過同樣的通道上送到監(jiān)控中心。
CDPD通道與ISDN通道的切換，是靠軟件“看門狗”對通道進行實時監(jiān)視并根據(jù)切換邏輯實現(xiàn)的。
4 系統(tǒng)硬件、軟件配置及工作方式
4.1監(jiān)控中心
4.1.1硬件配置
監(jiān)控中心配置多臺PC機作為操作工作站和一臺服務(wù)器構(gòu)成局域網(wǎng)，其中一臺工作站用于顯示報警信號。外設(shè)配置多臺（與計算機數(shù)量相同）彩色顯示器，一臺彩色打印機，一個路由器，一個DTU接口設(shè)備，一個集線器，一臺TA，一臺UPS，一塊語音卡，若干網(wǎng)卡、網(wǎng)線及電源接插件，一套EA01107配電柜、控制臺EA01104 三個單元。
控制臺上擺放多臺顯示器，相應(yīng)的鍵盤及鼠標(biāo)，兩臺打印機，電話等。
控制臺內(nèi)擺放工作站、服務(wù)器、集線器、路由器、DTU設(shè)備、電源接插件、各種電纜及電纜槽等。
在經(jīng)費允許的情況下，在監(jiān)控中心可配置大型模擬屏或大屏幕投影儀。
監(jiān)控中心模擬盤由模擬盤驅(qū)動器和盤體組成，模擬盤驅(qū)動器亦采用美國 ICS P2BX PentiumⅡ32位工控微機，并通過網(wǎng)絡(luò)適配器與計算機網(wǎng)絡(luò)相連。
該工業(yè)PC機具備支持不少于4個I/O設(shè)備的驅(qū)動能力，網(wǎng)卡為Inter Ether Express/10，網(wǎng)絡(luò)軟/硬件資源豐富，支持10 Base 2（10 Base T），并提供圖形加速卡Mach64等。配置靈活，使用、維護方便。
監(jiān)控中心模擬盤，采用分體自立式結(jié)構(gòu)，馬賽克拼裝元件，平面鑲嵌毛玻璃的LED顯示方式。模擬盤架采用鋼結(jié)構(gòu)，具有足夠的機械強度以保證設(shè)備安裝后無晃動、盤架無變形，同時裝備有檢修用照明燈。模擬盤的防護等級為IP40。馬賽克拼裝元件采用抗腐蝕、阻燃材料，模塊大小為25mm×25mm，燈元件為雙色三態(tài)單體結(jié)構(gòu)。
大型投影儀采用高亮度、高清晰度的工業(yè)監(jiān)控用投影儀。
4.1.2 軟件選型
工作站系統(tǒng)軟件平臺選用Microsoft Windows98/95，服務(wù)器系統(tǒng)平臺為Microsoft Windows NT4.0，應(yīng)用軟件平臺選取美國Intellution Fix7.0、Microsoft Office97等。
Fix7.0，是美國Intellution公司的工業(yè)自動化組態(tài)軟件，居全世界各種監(jiān)控組態(tài)軟件中銷量第一。Fix7.0在組網(wǎng)、系統(tǒng)靈活配置、系統(tǒng)的擴展以及為用戶提供友好的界面等方面具有獨特的優(yōu)點。FIX自動化軟件還具有易學(xué)習(xí)、易開發(fā)、易使用、易連接、易生長、易運行的特點。
4.2泵站RTU
4.2.1配置
RTU可以由一個PLC構(gòu)成，也可由多個PLC構(gòu)成RS485網(wǎng)絡(luò)（如圖4.2.2示意）。
每個PLC外圍電路配置如圖4.2.1示意。
泵站內(nèi)的RTU以日本三菱公司FX2N系列PLC作為其核心部件，配以相應(yīng)系列的輸入/輸出模塊，采用日本OMRON公司繼電器，并配置電流變送器、電壓變送器、脈沖電度表、CDPD無線MODEM、TA、各種報警傳感器（包括門禁、紅外、煙霧、水浸、溫度傳感器）、一臺UPS電源，一個機柜。
電纜采用鎧裝電纜，接線采用標(biāo)準(zhǔn)的端子排，所有電子器件盡量采用進口器件。
4.2.2 RTU運行方式
泵站RTU可工作在兩種狀態(tài)下：“遠動態(tài)”、“當(dāng)?shù)貞B(tài)”。
當(dāng)泵站處于“當(dāng)?shù)貞B(tài)”時，遠動系統(tǒng)只具有監(jiān)視功能，一切遠程控制如單控、時控等均失效，被控設(shè)備的開關(guān)，由目前設(shè)于泵站內(nèi)的控制系統(tǒng)（如飛力泵控制柜）監(jiān)控。
當(dāng)泵站處于“遠動態(tài)”時，所有監(jiān)控功能均由遠動系統(tǒng)完成。
“當(dāng)?shù)貞B(tài)”通常是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了保證檢修人員安全檢查，由檢修人員親自設(shè)置。
4.2.3 RTU硬件選型、功能設(shè)計及施工工藝的特點
值得一提的是，由于RTU工作在相對惡劣的環(huán)境當(dāng)中，因此，要求其設(shè)備的選型要充分考慮可靠性指標(biāo)，尤其要考慮設(shè)備的防水、防塵和防腐蝕。
本方案所選取的主要設(shè)備如可編程控制器PLC、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、繼電器，分別采用世界著名的日本三菱公司和日本OMRON公司原裝的產(chǎn)品，其性能指標(biāo)均達到工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于世界各地各種復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，其可靠性是有保證的。其中，PLC和AD模塊平均無故障運行時間可達60萬小時以上，繼電器動作次數(shù)25萬次以上。
電纜選擇鎧裝電纜，則考慮了防水、防老化、防鼠及電氣性能等。
采用標(biāo)準(zhǔn)的接線端子排，為設(shè)備擴展、維護提供方便。
通信線路加保安器進行防雷處理，信號地浮空，機箱進行接地處理。
本方案選用的可編程邏輯控制器PLC，同原有監(jiān)控系統(tǒng)中采用的PLC具有一致性，可降低系統(tǒng)維護的復(fù)雜性。
4.3 通信方式及運行費用
CDPD是國家投資建設(shè)的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，使用開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、AIRLINK加密和世界標(biāo)準(zhǔn)的IP尋址模式，性能優(yōu)良、可擴充性好、安全可靠。 CDPD的初期投入成本及運行維護成本都較低（150元/月點）。目前在美國等發(fā)達國家，CDPD已廣泛應(yīng)用于交通運輸、金融交易、水電監(jiān)控、移動辦公等領(lǐng)域，是公認的最佳無線數(shù)據(jù)傳輸方式。CDPD的缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率較低（最高傳輸速度19.2Kb/s）。
ISDN是通過公用電話網(wǎng)來實現(xiàn)有線通訊的，其通訊的可靠性高、傳輸速度快（2B最高傳輸速度128Kb/s），但初期投入成本及運行維護成本都較高（3000元/月點）。
考慮到泵站被監(jiān)控量的變化均較緩慢，所以，泵站的工況數(shù)據(jù)及控制命令可以采用CDPD網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。
考慮到CDPD通訊覆蓋范圍，也為了提高系統(tǒng)通信的可靠性，采用ISDN作為CDPD通道的備用通道。
絕大多數(shù)情況下，CDPD正常運行時，ISDN處于掛機狀態(tài)，運行費用僅為CDPD月租費150元/月.點，加上ISDN座機費30元/月.點，共 180元/月.點;個別情況下，當(dāng)CDPD通信故障，啟用ISDN，運行費用僅為CDPD月租費150元/月.點，加上ISDN月租費3000元/月.點（該費用就是一個月不間斷通信所需電話費），共3150元/月.點。
雖然圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后已大大減小，但仍然較大，因此圖像的傳輸需要ISDN通道。
4.4圖像監(jiān)控系統(tǒng)
4.4.1監(jiān)控中心硬件配置
一臺PC機作為操作工作站，及TA。
4.4.2分站硬件配置
在泵站端，配置一臺多媒體工控計算機及通訊接口設(shè)備，一臺視頻矩陣切換器，數(shù)個解碼控制器，數(shù)個攝像機，數(shù)臺可控云臺，以及配套的防護罩等附件。分站圖像監(jiān)控硬件配置如下圖所示。
5 監(jiān)控系統(tǒng)性能指標(biāo)
本系統(tǒng)將達到如下技術(shù)指標(biāo)：
使用TCP/IP協(xié)議對各個分控點進行巡檢時，單點平均POLLING時間小于4秒。
使用TCP/IP協(xié)議對各個分控點進行巡回開關(guān)操作時，平均打開（或關(guān)斷）一個分控點的時間不超過3秒。
使用定時校準(zhǔn)時鐘，各個分控點時間誤差小于1秒。
電量測量精度：優(yōu)于1%
非電量測量精度：優(yōu)于2%
設(shè)備誤動率為0%
系統(tǒng)平均無故障時間：大于15000小時
所有軟件已解決了2KY問題。
6 結(jié)束語
本文提出的泵站集散監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案，通過在深圳市泵站集散監(jiān)控系統(tǒng)的實施和經(jīng)過該系統(tǒng)較長時間的試運行，說明技術(shù)方案完全滿足其設(shè)計原則，具有廣泛推廣應(yīng)用的價值。