工业以太网在供水工程监控调度系统的应用

       为使黄山供水工程能够与黄山风景区的自然环境和旅游业发展相适应，缓解景区旅游旺季供水紧张的矛盾，满足景区旅游接待、消防及植被保护的用水需求，并达到现代化管理水平，“黄山风景区供水自动化监控调度系统”和“提水工程”以及“天海净水厂工程和西海净水厂改造工程”一起，构成一套完整的黄山风景区供水自动化监控调度系统。

一 系统设计的基本原则

　　鉴于黄山风景区供水系统具有供水范围广、蓄水点分散、供水多为靠蓄水池高差自流到用户，以及景区地理海拔高、环境和气候条件特殊等一系列特点，本系统在方案设计上严格遵循以下基本原则：

　　（1）安全可靠和先进实用的原则

　　选择成熟和先进分布式计算机控制系统，在生产过程中信息集中管理和科学操作的前提下，使控制危险分散，提高系统可靠性。现场各种数据通过PLC采集，并通过光纤环网传送到中央控制室集中监测和管理;中央控制室主机的控制命令也通过光纤环网传送到PLC测控终端，实施对各单元的分散控制。

　　（2）信息分层管理和控制权限分级的原则

　　该系统控制层分为3层：（a）中央控制层：提供系统宏观控制，协调各分站运行，处理局部发生的事故和紧急状态，维持系统整体协调;（b）就地自动控制层：通过现场PLC的逻辑控制功能实现设备的自动控制（联动及联锁控制），根据各站控制要求不同，该控制层控制方法、策略也有所不同;（c）就地手动控制层：当控制方式手柄处于“手动操作时”上级的控制干预被屏蔽。

　　整个系统控制站分两类：中央控制站（主站）和次级控制站（分控站）。自动模式下，安全联锁是有效的，并限制操作的可能性，离工艺过程越近的控制层具有更高优先权。

　　（3）系统的开放性和可扩展性原则

　　测控系统的主站采用具有C/S结构开放式计算机局域网络，组成系统信息层。主站计算机通过通信控制器及相关的通信设备与各分站进行数据交换。分站由具有逻辑控制功能的远程通信终端与仪表组成，主要完成对现场工艺、电气数据的采集和对电气设备的控制，同时向主站传送采集的数据，报告分站运行情况。

　　考虑到今后的扩展，软硬件配置尽量采用开放式结构，并在系统资源方面增加适当冗余，以便今后新建项目时，实现可靠的无缝对接。

　　（4）最大限度保护旅游环境资源原则

　　严格遵守景区规章制度，设专职人员制定专门安全施工手册，切实做好护林防火、保护施工现场及周围环境等工作，服从景区有关单位指挥，确保游客正常通行和安全。

　　（5）方便管理易于维护原则

　　设计上，以分散就地手动/自动控制和集中监测调度为主，远程控制为辅。整个系统以虎头岩水厂为中央调度和监控中心，以总网调度为主线，分层次、分模块统一设计，将部分底层设备的管理和控制权分散到西海和天海水厂，便于系统分级管理和维护。

　　为方便维护，管理3个净水厂及相应供水管网和蓄水池的自动监测与控制点的电气设备安装在室内，在设备日常维护与管理方式上采取以下原则：各净水厂设备坚持有人值守、少人操作设计原则;对提水工程的泵站控制及偏远地区的水库及蓄水池的监测实现无人值守、定期巡检与维护原则。

二 系统设计的总体目标

　　整套系统以保证安全可靠高效运行为设计准则。以中心调度室为整个监控系统的通信、生产调度和指挥中心，以3个净水厂及相应供水区域为分布区域监控核心，实现以下的系统总体监控管理功能：水厂、泵站主要设备的自动控制;实现供水管网中各水库与水池水质水位监测;各水厂、泵站主要运行工艺、电气数据和电气设备工作状况的监视;提供故障报警和事故状态下应急处理的方案和手段;在各种数据信号采集的基础上，实现整个供水系统中水资源合理调配与智能化调度;各水厂与泵站都要能实现少人值守运行，将管理权放在虎头岩水厂中心调度室中。

三 系统的硬件配置及选型

　　此系统包含：HP服务器1台、Advantech热备主计算机2台、HP经理机1台、HP工程师站1台、HPA4激光打印机1台、EPSON数据报表打印机1台、模拟屏1套、投影仪1台、Hirschmann光端机11台、Hirschmann视频服务器5台、PLC热备站4个、PLC本站7个、PLC远程站1个、前端彩色摄象机20个、Advantech分站计算机2台、水质仪表3套、液位计19套、开关液位计6套、Danfoss电动阀门14台、压力传感器15台、Danfoss流量计7台、UPS12台、18台控制柜、数套控制辅材及电缆等。

　　1. 网络交换机——RS2-FX-SM/FX-SM

　　RS2-FX-SM/FX-SM冗余光纤工业以太网交换机符合IEEE 802.3和ISO/IEC 8802/3标准，采用模块化设计，具体技术特性：工作寿命长，模块化设计，导轨安装，最大程度降低用户的备件成本;可实现容错冗余环;快速光缆线路冗余;它采用Spanning Tree做网络线路冗余，发生故障时反应时间（切换）时间<500ms;一个环上可串接最多40个交换机（快速媒体冗余）等。

　　本方案中采用的工业以太网交换机RS2-FX-SM/FX-SM是完全工业级网络产品，牢靠的重负荷设计，其性能指标远远超过一般的OA网络产品。

　　RS2-FX-SM/FX-SM系列交换机具有无噪声干扰、安全可靠、故障报警、故障定位、故障自诊断、带电热插拔等特点，采用导轨方式安装，无风扇设计，工作温度范围为0～55℃，工业保护等级IP20，使用寿命长。按MIL-HDBK-217F标准在常温下测试的结果表明：其MTBF（平均无故障时间）为171000h（约为19.5年）。

　　交换机采用双电源冗余输入，光纤环网具有线路冗余功能，可靠性高。由于该交换机集成了Hirschmanm专利技术，如光缆有断点，网络系统自愈时间小于500ms。

　　主干网为100M全双工交换式光纤环网。由于全采用交换机，整个网络分成多个不同网段，连接到网络上的各台计算机和PLC均分属于不同冲突域，从而保证数据传输的实时性。

　　交换机有2个光口（100BASE-FX-SM）和5个RJ45口（10/100BASE-T（X）），各RJ45口在支持Auto Negotiating（自动协议）的同时，允许用户根据需要手工设定通信速率和通信方式，可满足那些不支持自动协商的工业以太网产品联网需要。提供一个附加触点，可把交换机状态信息直接作为过程数据记录下来，并在整个系统的组态画面中得到反映。可通过修改FLASH ROM升级内部软件。

　　每个冗余以太网上最多允许40台交换机，交换机冗余管理功能允许多环复合冗余，便于今后对系统进行扩展。安全性好，可关闭不用的交换机端口，防止外部设备的非法接入。

　　交换机带有SNMP管理单元，且集成有基于Web的管理系统，这为快速进行网络组态、诊断、故障定位和管理提供方便。简单网络管理协议SNMP精确定义了管理员如何与代理间进行通信。

　　目前RS2-FX-SM/FX-SM已支持通过RMON网管。远程网络监控RMON标准定义了一系列信息组。RMON标准是另一个SNMP MIB，即是另一个对基于SNMP的管理工具获得的资料构造管理信息的方法。目前，RS2-FX-SM/FX-SM已提供了统计组、历史组、报警组和事件组的RMON支持。统计组提供与中继器和集线器管理标准大致相同的错误信息，包括信息包个数，其中有广播、多播以及冲突。错误包括CRC/调整、尺寸过小/过大、分段（包括小和短的事件）以及超时传输。历史组定义RMON代理在数段时间内巨数据的能力，提供趋势分析。报警组允许管理员设置一系列报警阈值。事件组允许管理员为某些事件设置阈值。当超过事件阈值时，管理站点将对其进行记录。

　　2. 网络视频服务器——VIP-AVTXC

　　Video over IP（VIP）用于在现有数据网络上实时传送视频图像。该系统采用TCP/IP协议在以太网和Internet上传送实时视频图像，由于使用的是现有网络，不增加新的布线，降低了安装成本。

　　（1）系统组成：VIP-AV TxC发射机可将任何一个PAL/NTSC视频源（摄像机）连接到计算机网络上，然后以3种方式显示视频图像：通过VIP-AV RxC接收机连接到PAL或NTSC显示器显示;在任一联网计算机上运行解码软件显示、使用网络浏览器显示。

　　（2）监视：VIP系统提供突出的视频监视性能。它集成所有运动检测功能，能自动建立与接收器间的连接并触发报警，且其内部环形缓冲区可保存报警前5min的视频图像。具备摄像机远程控制功能。VIP提供透明双向串行通信口，可用于旋转、俯仰、放大等摄像机控制信号的远程传送。

　　（3）图像品质：图像信号符合ITU-T制定的H.323标准，具有很高数据压缩率。每秒可传送30帧高品质彩色图像。最大分辨力达704×576（像素）。

　　（4）应用：房屋和固定资产的电子监控;设备的控制和远程维护;门禁管理;楼宇保安。

　　3. 网络负载计算（按照100M全双工方式）

　　（1）每台交换机最大延迟为30μs，最大存储转发延迟为120μs;数据包传输最大延迟为120μs;每个交换机总体最大延迟为270μs，所以本系统中6个交换机最大延迟为6＊270=1620μs。

　　（2）无负载系统最小扫描时间（使用RS2-FX-SM/FX-SM交换机、100M全双工）：最小扫描时间为34＊5.76μs≌200μs;最小扫描时间=保证设备采集和接受所有反应（从31个节点）的时间。

　　（3）带负载系统最小扫描时间（使用RS2-FX-SM/FX-SM交换机、100M全双工）：最小扫描时间约为1100μs。

四 系统软件

　　此项目采用美国Wonderware公司InTouch 7.11中文版上位组态软件，和美国A-B公司RSLOGIX500下位开发软件（RSLinx、RSLogix500），视频监视和控制是德国Hirschmann公司VIP-SW1、VIP-SW4、VIDEOMANAGER软件，应用软件为SUNNY-2000。各种软件开放功能好，软件间兼容性能稳定便于接口。

五 系统框图

　　本系统由11个站点组成：管委会、温泉、虎头岩水厂、取水泵站、加压泵站、玉屏楼、天海水厂、光明顶、701台（白鹅岭）、贡阳山庄、西海水厂。光纤冗余环网把11个站点连成环，其中取水泵站、加压泵站、天海水厂、西海水厂的PLC采用双机热备，虎头岩水厂的慈光阁小泵房采用远程I/O。供水工程监控调度自动化系统框图如图所示。

　　采用局域网的全分布式开放系统结构，主计算机（兼操作员工作站）、通信服务器使用开放操作系统，主计算机、通信服务器及LCU直接接入网络，可获得高速通信和共享资源的能力：（1）网络上接入的每一设备都有自己特定功能，实现功能的分布，既提供某一设备故障只影响局部功能的优点，又利于今后功能的扩充;（2）系统先进，冗余化设计和开放式系统结构，使系统可靠实用、便于扩充，整个系统性价比高;（3）系统冗余、可靠 。主计算机（兼操作员工作站）、主干光纤网络和部分LCU站的PLC等均为双机冗余热备。

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