工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在供水工程監(jiān)控調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用
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為使黃山供水工程能夠與黃山風(fēng)景區(qū)的自然環(huán)境和旅游業(yè)發(fā)展相適應(yīng)，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(hù)的用水需求，并達(dá)到現(xiàn)代化管理水平，“黃山風(fēng)景區(qū)供水自動(dòng)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(fēng)景區(qū)供水自動(dòng)化監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。
一 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
鑒于黃山風(fēng)景區(qū)供水系統(tǒng)具有供水范圍廣、蓄水點(diǎn)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(diǎn)，本系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循以下基本原則：
(1)安全可靠和先進(jìn)實(shí)用的原則
選擇成熟和先進(jìn)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中信息集中管理和科學(xué)操作的前提下，使控制危險(xiǎn)分散，提高系統(tǒng)可靠性。現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC采集，并通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)傳送到中央控制室集中監(jiān)測(cè)和管理；中央控制室主機(jī)的控制命令也通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)傳送到PLC測(cè)控終端，實(shí)施對(duì)各單元的分散控制。
(2)信息分層管理和控制權(quán)限分級(jí)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(yùn)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(dòng)控制層：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC的邏輯控制功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制(聯(lián)動(dòng)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(dòng)控制層：當(dāng)控制方式手柄處于“手動(dòng)操作時(shí)”上級(jí)的控制干預(yù)被屏蔽。
整個(gè)系統(tǒng)控制站分兩類：中央控制站(主站)和次級(jí)控制站(分控站)。自動(dòng)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(guò)程越近的控制層具有更高優(yōu)先權(quán)。
(3)系統(tǒng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性原則
測(cè)控系統(tǒng)的主站采用具有C/S結(jié)構(gòu)開(kāi)放式計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，組成系統(tǒng)信息層。主站計(jì)算機(jī)通過(guò)通信控制器及相關(guān)的通信設(shè)備與各分站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。分站由具有邏輯控制功能的遠(yuǎn)程通信終端與儀表組成，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝、電氣數(shù)據(jù)的采集和對(duì)電氣設(shè)備的控制，同時(shí)向主站傳送采集的數(shù)據(jù)，報(bào)告分站運(yùn)行情況。
考慮到今后的擴(kuò)展，軟硬件配置盡量采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)資源方面增加適當(dāng)冗余，以便今后新建項(xiàng)目時(shí)，實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)縫對(duì)接。
(4)最大限度保護(hù)旅游環(huán)境資源原則
嚴(yán)格遵守景區(qū)規(guī)章制度，設(shè)專職人員制定專門安全施工手冊(cè)，切實(shí)做好護(hù)林防火、保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)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(hù)原則
設(shè)計(jì)上，以分散就地手動(dòng)/自動(dòng)控制和集中監(jiān)測(cè)調(diào)度為主，遠(yuǎn)程控制為輔。整個(gè)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(shè)計(jì)，將部分底層設(shè)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(jí)管理和維護(hù)。
為方便維護(hù)，管理3個(gè)凈水廠及相應(yīng)供水管網(wǎng)和蓄水池的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制點(diǎn)的電氣設(shè)備安裝在室內(nèi)，在設(shè)備日常維護(hù)與管理方式上采取以下原則：各凈水廠設(shè)備堅(jiān)持有人值守、少人操作設(shè)計(jì)原則；對(duì)提水工程的泵站控制及偏遠(yuǎn)地區(qū)的水庫(kù)及蓄水池的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、定期巡檢與維護(hù)原則。
二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)
整套系統(tǒng)以保證安全可靠高效運(yùn)行為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。以中心調(diào)度室為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信、生產(chǎn)調(diào)度和指揮中心，以3個(gè)凈水廠及相應(yīng)供水區(qū)域?yàn)榉植紖^(qū)域監(jiān)控核心，實(shí)現(xiàn)以下的系統(tǒng)總體監(jiān)控管理功能：水廠、泵站主要設(shè)備的自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)中各水庫(kù)與水池水質(zhì)水位監(jiān)測(cè)；各水廠、泵站主要運(yùn)行工藝、電氣數(shù)據(jù)和電氣設(shè)備工作狀況的監(jiān)視；提供故障報(bào)警和事故狀態(tài)下應(yīng)急處理的方案和手段；在各種數(shù)據(jù)信號(hào)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)現(xiàn)少人值守運(yùn)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(wù)器1臺(tái)、Advantech熱備主計(jì)算機(jī)2臺(tái)、HP經(jīng)理機(jī)1臺(tái)、HP工程師站1臺(tái)、HPA4激光打印機(jī)1臺(tái)、EPSON數(shù)據(jù)報(bào)表打印機(jī)1臺(tái)、模擬屏1套、投影儀1臺(tái)、Hirschmann光端機(jī)11臺(tái)、Hirschmann視頻服務(wù)器5臺(tái)、PLC熱備站4個(gè)、PLC本站7個(gè)、PLC遠(yuǎn)程站1個(gè)、前端彩色攝象機(jī)20個(gè)、Advantech分站計(jì)算機(jī)2臺(tái)、水質(zhì)儀表3套、液位計(jì)19套、開(kāi)關(guān)液位計(jì)6套、Danfoss電動(dòng)閥門14臺(tái)、壓力傳感器15臺(tái)、Danfoss流量計(jì)7臺(tái)、UPS12臺(tái)、18臺(tái)控制柜、數(shù)套控制輔材及電纜等。
1. 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)——RS2-FX-SM/FX-SM
RS2-FX-SM/FX-SM冗余光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)符合IEEE 802.3和ISO/IEC 8802/3標(biāo)準(zhǔn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，具體技術(shù)特性：工作壽命長(zhǎng)，模塊化設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌安裝，最大程度降低用戶的備件成本；可實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)冗余環(huán)；快速光纜線路冗余；它采用Spanning Tree做網(wǎng)絡(luò)線路冗余，發(fā)生故障時(shí)反應(yīng)時(shí)間(切換)時(shí)間<500ms；一個(gè)環(huán)上可串接最多40個(gè)交換機(jī)(快速媒體冗余)等。
本方案中采用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)RS2-FX-SM/FX-SM是完全工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，牢靠的重負(fù)荷設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的OA網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
RS2-FX-SM/FX-SM系列交換機(jī)具有無(wú)噪聲干擾、安全可靠、故障報(bào)警、故障定位、故障自診斷、帶電熱插拔等特點(diǎn)，采用導(dǎo)軌方式安裝，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，工作溫度范圍為0～55℃，工業(yè)保護(hù)等級(jí)IP20，使用壽命長(zhǎng)。按MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)在常溫下測(cè)試的結(jié)果表明：其MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)為171000h(約為19.5年)。
交換機(jī)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(jī)集成了Hirschmanm專利技術(shù)，如光纜有斷點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自愈時(shí)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(jī)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)不同網(wǎng)段，連接到網(wǎng)絡(luò)上的各臺(tái)計(jì)算機(jī)和PLC均分屬于不同沖突域，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。
交換機(jī)有2個(gè)光口(100BASE-FX-SM)和5個(gè)RJ45口(10/100BASE-T(X))，各RJ45口在支持Auto Negotiating(自動(dòng)協(xié)議)的同時(shí)，允許用戶根據(jù)需要手工設(shè)定通信速率和通信方式，可滿足那些不支持自動(dòng)協(xié)商的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)需要。提供一個(gè)附加觸點(diǎn)，可把交換機(jī)狀態(tài)信息直接作為過(guò)程數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，并在整個(gè)系統(tǒng)的組態(tài)畫面中得到反映。可通過(guò)修改FLASH ROM升級(jí)內(nèi)部軟件。
每個(gè)冗余以太網(wǎng)上最多允許40臺(tái)交換機(jī)，交換機(jī)冗余管理功能允許多環(huán)復(fù)合冗余，便于今后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。安全性好，可關(guān)閉不用的交換機(jī)端口，防止外部設(shè)備的非法接入。
交換機(jī)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、診斷、故障定位和管理提供方便。簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP精確定義了管理員如何與代理間進(jìn)行通信。
目前RS2-FX-SM/FX-SM已支持通過(guò)RMON網(wǎng)管。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控RMON標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列信息組。RMON標(biāo)準(zhǔn)是另一個(gè)SNMP MIB，即是另一個(gè)對(duì)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(jì)組、歷史組、報(bào)警組和事件組的RMON支持。統(tǒng)計(jì)組提供與中繼器和集線器管理標(biāo)準(zhǔn)大致相同的錯(cuò)誤信息，包括信息包個(gè)數(shù)，其中有廣播、多播以及沖突。錯(cuò)誤包括CRC/調(diào)整、尺寸過(guò)小/過(guò)大、分段(包括小和短的事件)以及超時(shí)傳輸。歷史組定義RMON代理在數(shù)段時(shí)間內(nèi)巨數(shù)據(jù)的能力，提供趨勢(shì)分析。報(bào)警組允許管理員設(shè)置一系列報(bào)警閾值。事件組允許管理員為某些事件設(shè)置閾值。當(dāng)超過(guò)事件閾值時(shí)，管理站點(diǎn)將對(duì)其進(jìn)行記錄。
2. 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器——VIP-AVTXC
Video over IP(VIP)用于在現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)視頻圖像，由于使用的是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，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(jī)可將任何一個(gè)PAL/NTSC視頻源(攝像機(jī))連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，然后以3種方式顯示視頻圖像：通過(guò)VIP-AV RxC接收機(jī)連接到PAL或NTSC顯示器顯示；在任一聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行解碼軟件顯示、使用網(wǎng)絡(luò)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能，能自動(dòng)建立與接收器間的連接并觸發(fā)報(bào)警，且其內(nèi)部環(huán)形緩沖區(qū)可保存報(bào)警前5min的視頻圖像。具備攝像機(jī)遠(yuǎn)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(jī)控制信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送。
(3)圖像品質(zhì)：圖像信號(hào)符合ITU-T制定的H.323標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)704
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