工業(yè)以太網(wǎng)交換機在供水工程監(jiān)控調(diào)度自動化系統(tǒng)的應用
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為使黃山供水工程能夠與黃山風景區(qū)的自然環(huán)境和旅游業(yè)發(fā)展相適應，緩解景區(qū)旅游旺季供水緊張的矛盾，滿足景區(qū)旅游接待、消防及植被保護的用水需求，并達到現(xiàn)代化管理水平，“黃山風景區(qū)供水自動化監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)”和“提水工程”以及“天海凈水廠工程和西海凈水廠改造工程”一起，構(gòu)成一套完整的黃山風景區(qū)供水自動化監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。
一 系統(tǒng)設計的基本原則
鑒于黃山風景區(qū)供水系統(tǒng)具有供水范圍廣、蓄水點分散、供水多為靠蓄水池高差自流到用戶，以及景區(qū)地理海拔高、環(huán)境和氣候條件特殊等一系列特點，本系統(tǒng)在方案設計上嚴格遵循以下基本原則：
(1)安全可靠和先進實用的原則
選擇成熟和先進分布式計算機控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中信息集中管理和科學操作的前提下，使控制危險分散，提高系統(tǒng)可靠性?，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC采集，并通過光纖環(huán)網(wǎng)傳送到中央控制室集中監(jiān)測和管理；中央控制室主機的控制命令也通過光纖環(huán)網(wǎng)傳送到PLC測控終端，實施對各單元的分散控制。
(2)信息分層管理和控制權(quán)限分級的原則
該系統(tǒng)控制層分為3層：(a)中央控制層：提供系統(tǒng)宏觀控制，協(xié)調(diào)各分站運行，處理局部發(fā)生的事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)；(b)就地自動控制層：通過現(xiàn)場PLC的邏輯控制功能實現(xiàn)設備的自動控制(聯(lián)動及聯(lián)鎖控制)，根據(jù)各站控制要求不同，該控制層控制方法、策略也有所不同；(c)就地手動控制層：當控制方式手柄處于“手動操作時”上級的控制干預被屏蔽。
整個系統(tǒng)控制站分兩類：中央控制站(主站)和次級控制站(分控站)。自動模式下，安全聯(lián)鎖是有效的，并限制操作的可能性，離工藝過程越近的控制層具有更高優(yōu)先權(quán)。
(3)系統(tǒng)的開放性和可擴展性原則
測控系統(tǒng)的主站采用具有C/S結(jié)構(gòu)開放式計算機局域網(wǎng)絡，組成系統(tǒng)信息層。主站計算機通過通信控制器及相關(guān)的通信設備與各分站進行數(shù)據(jù)交換。分站由具有邏輯控制功能的遠程通信終端與儀表組成，主要完成對現(xiàn)場工藝、電氣數(shù)據(jù)的采集和對電氣設備的控制，同時向主站傳送采集的數(shù)據(jù)，報告分站運行情況。
考慮到今后的擴展，軟硬件配置盡量采用開放式結(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)資源方面增加適當冗余，以便今后新建項目時，實現(xiàn)可靠的無縫對接。
(4)最大限度保護旅游環(huán)境資源原則
嚴格遵守景區(qū)規(guī)章制度，設專職人員制定專門安全施工手冊，切實做好護林防火、保護施工現(xiàn)場及周圍環(huán)境等工作，服從景區(qū)有關(guān)單位指揮，確保游客正常通行和安全。
(5)方便管理易于維護原則
設計上，以分散就地手動/自動控制和集中監(jiān)測調(diào)度為主，遠程控制為輔。整個系統(tǒng)以虎頭巖水廠為中央調(diào)度和監(jiān)控中心，以總網(wǎng)調(diào)度為主線，分層次、分模塊統(tǒng)一設計，將部分底層設備的管理和控制權(quán)分散到西海和天海水廠，便于系統(tǒng)分級管理和維護。
為方便維護，管理3個凈水廠及相應供水管網(wǎng)和蓄水池的自動監(jiān)測與控制點的電氣設備安裝在室內(nèi)，在設備日常維護與管理方式上采取以下原則：各凈水廠設備堅持有人值守、少人操作設計原則；對提水工程的泵站控制及偏遠地區(qū)的水庫及蓄水池的監(jiān)測實現(xiàn)無人值守、定期巡檢與維護原則。
二 系統(tǒng)設計的總體目標
整套系統(tǒng)以保證安全可靠高效運行為設計準則。以中心調(diào)度室為整個監(jiān)控系統(tǒng)的通信、生產(chǎn)調(diào)度和指揮中心，以3個凈水廠及相應供水區(qū)域為分布區(qū)域監(jiān)控核心，實現(xiàn)以下的系統(tǒng)總體監(jiān)控管理功能：水廠、泵站主要設備的自動控制；實現(xiàn)供水管網(wǎng)中各水庫與水池水質(zhì)水位監(jiān)測；各水廠、泵站主要運行工藝、電氣數(shù)據(jù)和電氣設備工作狀況的監(jiān)視；提供故障報警和事故狀態(tài)下應急處理的方案和手段；在各種數(shù)據(jù)信號采集的基礎上，實現(xiàn)整個供水系統(tǒng)中水資源合理調(diào)配與智能化調(diào)度；各水廠與泵站都要能實現(xiàn)少人值守運行，將管理權(quán)放在虎頭巖水廠中心調(diào)度室中。
三 系統(tǒng)的硬件配置及選型
此系統(tǒng)包含：HP服務器1臺、Advantech熱備主計算機2臺、HP經(jīng)理機1臺、HP工程師站1臺、HPA4激光打印機1臺、EPSON數(shù)據(jù)報表打印機1臺、模擬屏1套、投影儀1臺、Hirschmann光端機11臺、Hirschmann視頻服務器5臺、PLC熱備站4個、PLC本站7個、PLC遠程站1個、前端彩色攝象機20個、Advantech分站計算機2臺、水質(zhì)儀表3套、液位計19套、開關(guān)液位計6套、Danfoss電動閥門14臺、壓力傳感器15臺、Danfoss流量計7臺、UPS12臺、18臺控制柜、數(shù)套控制輔材及電纜等。
1. 網(wǎng)絡交換機——RS2-FX-SM/FX-SM
RS2-FX-SM/FX-SM冗余光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機符合IEEE 802.3和ISO/IEC 8802/3標準，采用模塊化設計，具體技術(shù)特性：工作壽命長，模塊化設計，導軌安裝，最大程度降低用戶的備件成本；可實現(xiàn)容錯冗余環(huán)；快速光纜線路冗余；它采用Spanning Tree做網(wǎng)絡線路冗余，發(fā)生故障時反應時間(切換)時間<500ms；一個環(huán)上可串接最多40個交換機(快速媒體冗余)等。
本方案中采用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機RS2-FX-SM/FX-SM是完全工業(yè)級網(wǎng)絡產(chǎn)品，牢靠的重負荷設計，其性能指標遠遠超過一般的OA網(wǎng)絡產(chǎn)品。
RS2-FX-SM/FX-SM系列交換機具有無噪聲干擾、安全可靠、故障報警、故障定位、故障自診斷、帶電熱插拔等特點，采用導軌方式安裝，無風扇設計，工作溫度范圍為0～55℃，工業(yè)保護等級IP20，使用壽命長。按MIL-HDBK-217F標準在常溫下測試的結(jié)果表明：其MTBF(平均無故障時間)為171000h(約為19.5年)。
交換機采用雙電源冗余輸入，光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗余功能，可靠性高。由于該交換機集成了Hirschmanm專利技術(shù)，如光纜有斷點，網(wǎng)絡系統(tǒng)自愈時間小于500ms。
主干網(wǎng)為100M全雙工交換式光纖環(huán)網(wǎng)。由于全采用交換機，整個網(wǎng)絡分成多個不同網(wǎng)段，連接到網(wǎng)絡上的各臺計算機和PLC均分屬于不同沖突域，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
交換機有2個光口(100BASE-FX-SM)和5個RJ45口(10/100BASE-T(X))，各RJ45口在支持Auto Negotiating(自動協(xié)議)的同時，允許用戶根據(jù)需要手工設定通信速率和通信方式，可滿足那些不支持自動協(xié)商的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)需要。提供一個附加觸點，可把交換機狀態(tài)信息直接作為過程數(shù)據(jù)記錄下來，并在整個系統(tǒng)的組態(tài)畫面中得到反映。可通過修改FLASH ROM升級內(nèi)部軟件。
每個冗余以太網(wǎng)上最多允許40臺交換機，交換機冗余管理功能允許多環(huán)復合冗余，便于今后對系統(tǒng)進行擴展。安全性好，可關(guān)閉不用的交換機端口，防止外部設備的非法接入。
交換機帶有SNMP管理單元，且集成有基于Web的管理系統(tǒng)，這為快速進行網(wǎng)絡組態(tài)、診斷、故障定位和管理提供方便。簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議SNMP精確定義了管理員如何與代理間進行通信。
目前RS2-FX-SM/FX-SM已支持通過RMON網(wǎng)管。遠程網(wǎng)絡監(jiān)控RMON標準定義了一系列信息組。RMON標準是另一個SNMP MIB，即是另一個對基于SNMP的管理工具獲得的資料構(gòu)造管理信息的方法。目前，RS2-FX-SM/FX-SM已提供了統(tǒng)計組、歷史組、報警組和事件組的RMON支持。統(tǒng)計組提供與中繼器和集線器管理標準大致相同的錯誤信息，包括信息包個數(shù)，其中有廣播、多播以及沖突。錯誤包括CRC/調(diào)整、尺寸過小/過大、分段(包括小和短的事件)以及超時傳輸。歷史組定義RMON代理在數(shù)段時間內(nèi)巨數(shù)據(jù)的能力，提供趨勢分析。報警組允許管理員設置一系列報警閾值。事件組允許管理員為某些事件設置閾值。當超過事件閾值時，管理站點將對其進行記錄。
2. 網(wǎng)絡視頻服務器——VIP-AVTXC
Video over IP(VIP)用于在現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上實時傳送視頻圖像。該系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議在以太網(wǎng)和Internet上傳送實時視頻圖像，由于使用的是現(xiàn)有網(wǎng)絡，不增加新的布線，降低了安裝成本。
(1)系統(tǒng)組成：VIP-AV TxC發(fā)射機可將任何一個PAL/NTSC視頻源(攝像機)連接到計算機網(wǎng)絡上，然后以3種方式顯示視頻圖像：通過VIP-AV RxC接收機連接到PAL或NTSC顯示器顯示；在任一聯(lián)網(wǎng)計算機上運行解碼軟件顯示、使用網(wǎng)絡瀏覽器顯示。
(2)監(jiān)視：VIP系統(tǒng)提供突出的視頻監(jiān)視性能。它集成所有運動檢測功能，能自動建立與接收器間的連接并觸發(fā)報警，且其內(nèi)部環(huán)形緩沖區(qū)可保存報警前5min的視頻圖像。具備攝像機遠程控制功能。VIP提供透明雙向串行通信口，可用于旋轉(zhuǎn)、俯仰、放大等攝像機控制信號的遠程傳送。
(3)圖像品質(zhì)：圖像信號符合ITU-T制定的H.323標準，具有很高數(shù)據(jù)壓縮率。每秒可傳送30幀高品質(zhì)彩色圖像。最大分辨力達704
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