泵站计算机自动控制系统结构及原理
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【摘 要】本文介绍了泵站计算机自动控制系统结构及原理，讲述了泵站计算机控制系统分类，泵站计算机监控系统结構与功能。
【关键词】泵站；自动；监控
计算机监控系统和早期常规的自动化系统有着本质的不同，它具有响应速度快、大容量信息存储和记忆、复杂运算和逻辑思维判断、管理能力丰富、组网能力强等一系列优点。因此，采用计算机监控技术已经开始成为当前泵站自动化的热门课题，国内外有了诸多的应用研究与实施案例。
1.泵站计算机自动控制系统的结构
泵站计算机自动控制系统一般由计算机监控系统、计算机继电保护系统、计算机直流系统、计算机励磁系统、计算机视频监控系统等构成。以实现对全站设备的数据采集和实时控制；通过通信服务器负责对监控系统以外的所有设备如保护、直流、励磁等站内计算机自动化设备及整个枢纽中其他工程的自动化设备的数据采集与部分控制，并实时传送给泵站内各监视站点；通过厂长终端使领导能及时了解到泵站机组运行工况，以实现对泵站机组的远方启停控制；通过视频监控系统将现场图像实时传送至中控室，以直观视频图像信号及时了解现场环境、人员工作、设备运行情况、安全保卫等。
2.泵站计算机控制系统分类
从目前采用计算机控制系统的泵站来看，常见的计算机控制系统类型主要有集中式处理系统和分层分布式处理系统两种。
2.1 集中式处理系统
集中式处理系统指将该系统的各种功能，如数据采集、数据处理、人机通信等均集中完成。这里既包括逻辑上的集中，同时也含有物理上集中的意思。集中式处理系统是通过数据采集系统对水泵站运行过程及参数进行采集、处理、分析计算，并将结果用于控制水泵站的自动化运行操作和监督报警。该系统通常是全泵站只设置一台或二台监控计算机，对整个泵站进行集中监视、控制。由于水泵站所有信息都要送到计算机进行处理，所有操作、控制命令都由计算机发出，因而计算机的工作负荷大，对计算机可靠性要求很高，若计算机出现故障，将导致全系统瘫痪。其次，生产过程所需采集的状态和参数均直接引入计算机，当泵站机组台数较多时，现场敷设电缆会过多过长，不仅成本高，安装维护不方便，而且抗干扰能力差，信号误差大，且系统的可扩展性和可维护性较差。目前大型水泵站均不采用集中式处理系统，但在一些泵机组台数不多、控制功能要求较简单的中小型水泵站中，仍然可以采用这种方式的监控系统。其控制计算机的配置方式可采用双机冗余配置方式。
2.2 分层分布式处理系统
美国电工电子学会计算机学会给分布系统的定义为：“分布计算系统是这样一种系统，其中包含多个相连的物理资源，它们能够在全系统范围的统一控制下，对单一问题进行合作，而最少依赖集中的处理、集中的数据或集中的硬件”。而英国国家科学研究委员会下属计算科学委员会的定义为：“分布计算系统是这样一种系统，其中包含多个独立但又有交互作用的计算机，它们对一个共同问题进行合作。这种系统的特性是包含多个控制路径，它们执行一个程序的不同部分而又相互作用”。分布式系统最基本要求是：多个分布的资源；统一的操作系统；资源独立而又相互作用。可按功能、对象以及两种方式结合构成应用系统。
分层控制理论是20世纪80年代发展起来的一种新理论，它是控制系统理论的一个分支，是从控制论的角度来研究多个互相影响的系统的控制方法。它把“中央的控制中心”对“各予系统的控制中心”的监视，以及确定“各子系统控制中心”的控制方向问题提高到理论上来，从控制命令的产生、命令执行结果信息的反馈流向、被采集的信息上传关系、各级的操作权限等来看，是一个典型的正置三角形的、中央——地方模式的、带有一定程度中央集权性质的系统。
分层分布式处理系统是目前大中型水泵站较多采用的控制方式。它以控制对象分散为主要特征，即以水泵机组、变电站、公用设备（如辅机设备）、阀门等按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水泵站的现地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、泵机组等主要设备的控制和调节，并可通过网络完成泵站各装置的数据通信功能。该系统有以下特点：
（1）可使水泵站受控设备大量的信息实现就地采集处理并完成控制任务，提高信息处理的效率和实时性，避免了因向控制室传送大量信息而使电缆线过多而导致的一些不良后果。
（2）受控设备可以独立完成其功能。当某一台受控设备的控制系统出现故障时，不影响全站其他设备的正常工作；而当主控计算机出现故障时，虽说全站的功能会受到影响，但各子系统依然能够照常工作。
2.3 全开放、全分布式监控系统
IEEE对开放系统的定义是“按照开放的接口、服务和支持格式规范而实现的系统，它使应用软件能以最少修改，实现在不同系统中的移植；能同本地的或远程系统中的应用实现互操作：能以方便用户迁移的方式实现用户间的交互”，即开放系统是指一个综合性的有关信息方面的国际标准集，考虑数据、人员互操作性及可移植性而描述的对接口、格式、功能所作的规定。是建立在“正式的标准”和“事实上的标准”基础之上的有关计算机和通信系统的公用协议。开放系统的特点主要是系统扩充或升级时最大限度地保护用户的硬件投资，最大限度地利用已有的软件资源，能以最简便的方法升级，且具有非常友好完善的人机界面。开放技术的应用，极大地提高了系统开发与集成效率。
全开放、全分布式监控系统是近年来发展并得到广泛采用的一种工业控制系统。这种新系统是围绕着应用软件接口标准、网络通信接口标准和用户操作接口标准，遵循国际组织IEEE、ISO、IEC等的有关标准组成一个开放式的总线网络，采用以UNIX操作系统为基础的操作系统；根据分布控制对象而设置的现地控制单元（LCU），也按标准通用规约接入总线网络。
3.泵站计算机监控系统的一般结构和功能
（1）泵站控制层
泵站控制层是整个监控系统的核心。其站控级主要由主控机和工作站等数台计算机构成，一般配有一台打印机等辅助设备，并由一个单总线以太网形式联成一个计算机网络系统。在这一级上，硬件的配置比较灵活，一般可根据需要增加或减少工作站的个数。使用总线形网络，增加或减少具有某些功能的工作站可在任意时间（系统组建或系统投运后）进行。在图示的系统中，主控机主要用于完成计算机监控系统在这一级上的各种任务，如：安全监视、运行管理、系统自诊断与上、下层通讯等。而图形工作站则主要完成人机接口功能，如各种画面的显示，各种控制命令的发出等。此外，当系统硬件资源较为紧张时还可增设：培训工作站，用于人员的培训；工程师工作站，用于系统的设置和软件调试、开发；通信工作站实现与保护系统、励磁系统及直流系统等的通信，通过串行口进行上述设备的实时数据采集和设备操作的控制：模拟屏工作站，用于模拟屏的控制等。
（2）现地控制单元层LCU
计算机监控系统的现地控制层在分布式控制系统中，主要是指针对某一特定的控制对象而设置的远方终端设备（RTU），又称现地控制单元（LCU）。它们分别通过各自的网络硬件设备（网卡），在相应的软件支持下，与站控级一起连成一个计算机局域网。它主要负责完成现场设备各种数据的采集、处理及事件的记录，信息传输，设备控制、保护等工作，并通过以太网通讯协议与站控级计算机相连，传送各运行设备的实时数据。一般主要有泵机组现地控制单元、公用现地控制单元和开关站现地控制单元等组成。四台机组现地控制单元分别对四台机组实施监控；一台公用现地控制单元用于对泵站的公用系统，如油、水、风系统等进行监测和控制，而一台开关站的现地控制单元对开关站实现监控。
参考文献：
[1]潘鸿阅，赵永峰，李建平.计算机监控系统在桃林111水电站的应用，河北水利水电技术，2001（3）
[2]壬锦荣.棉花滩水电站计算机监控系统，水力发电，2001（7）
[3]文念筑，唐从福，谢劲松.分层分布式计算机监控保护系统，电气时代，2001（12）
（作者单位：武汉市排水泵站管理处）
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