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摘 要：應(yīng)用PLC工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊技術(shù)，基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和密匙安全通訊技術(shù)，通過(guò)工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊模塊，將分布在城市各個(gè)位置的排水泵站和城市泵站排水調(diào)度中心系統(tǒng)，連接為統(tǒng)一的城市排水泵站運(yùn)行保障中心系統(tǒng)，以排水設(shè)施地理信息系統(tǒng)為樞紐，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)污水收集、處理、回用的系統(tǒng)化、現(xiàn)代化管理，全力確保污水處理系統(tǒng)的安全運(yùn)行，特別是日常巡視、雨季防汛工作，并利用先進(jìn)的排水管道檢查維護(hù)設(shè)備對(duì)排水管網(wǎng)實(shí)施現(xiàn)代化管理。本文通過(guò)對(duì)城市排水泵站信息化發(fā)展現(xiàn)狀、前景和需求分析，介紹基于工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊建立的起現(xiàn)代化城市排水泵站運(yùn)行保障中心。
關(guān)鍵詞：泵站排水 運(yùn)行保障 PLC遠(yuǎn)程通訊 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)
Abstract: In this paper, the PLC industrial remote security communications technology, is based on the industrial fieldbus technology, Internet network transmission technology and key secure communications technology. By using SY Automation remote secure communication module called the SY-RSCM series, will centralize drainage pump stations built in various locations of the city's and city pumping station drainage system dispatch center, into the unified urban drainage pumping station operation center, dealing the drainage facilities geographic information systems as the hub, achieve the sewage collection, treatment, systematic reuse and modern management step by step, do the best to ensure the security operation of the sewage treatment system, especially the routine inspections and the rainy season flood prevention work. At the same time, we use the advanced drainage pipes checks implementation equipment to manage the drainage network maintenance in a modern way. Through anglicizing urban drainage pumping station information technology development status, prospects and needs, this article introduces the modern urban drainage pumping station security operation center witch is based on the SY industrial remote secure communication.
【中圖分類號(hào)】TV675 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 文章編號(hào)1606-5123（2012）11-0000-00
1引言
排水泵站的主要組成部分是泵房和集水池，泵房中設(shè)置由水泵和動(dòng)力設(shè)備組成的機(jī)組。動(dòng)力設(shè)備通常是電動(dòng)機(jī)（如圖1所示），設(shè)有配電盤。泵房頂部設(shè)起重設(shè)備，供安裝和檢修時(shí)起吊機(jī)組之用。集水池中設(shè)置機(jī)械或人工清除垃圾的格柵，攔擋粗大的和容易截住的懸浮物，以防水泵阻塞。集水池有一定的儲(chǔ)水容積以利水泵的啟動(dòng)。泵房和集水池通常建在一起；當(dāng)集水池深度較大、地質(zhì)條件又差、只宜采用豎井式構(gòu)造時(shí)，也有分建的。為了便于檢修及運(yùn)轉(zhuǎn)，大多數(shù)泵站設(shè)有檢修閘門及岔道閘門。大型泵站常附設(shè)變電間和值班室。
圖1 排水泵站示意圖
按照廢水的性質(zhì)，排水泵站有污水泵站、雨水泵站和合流泵站之分。污水泵站常采用離心式污水泵。雨水泵站常采用軸流泵。合流泵站配泵時(shí)要顧及雨天流量和晴天流量的巨大變化，可采用不同類型及不同流量的泵組組合以利運(yùn)轉(zhuǎn)，但泵組的品種宜少些。當(dāng)?shù)孛孑^寬暢時(shí)，也可采用螺旋泵。螺旋泵效率較高、能耗較少、不易阻塞、易于維修，宜用于揚(yáng)水量較大、揚(yáng)程較小的場(chǎng)合。小流量的泵房一般采用自動(dòng)操作，大流量泵房則采用自動(dòng)或兼用人工操作。
排水泵站必須及時(shí)把水送走。應(yīng)有備用電源和備用機(jī)組。雨水泵站不經(jīng)常啟用，一般可以不設(shè)備用泵。但平坦而易積水地區(qū)的雨水泵房中的水泵配置，其總?cè)萘靠奢^設(shè)計(jì)頻率流量大20～30％，以利地區(qū)積水時(shí)，加快積水的排出。污水泵站需設(shè)事故排出口時(shí)，應(yīng)取得當(dāng)?shù)匦l(wèi)生主管部門的同意。
2SCADA系統(tǒng)架構(gòu)
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA組要用于解決包括工業(yè)廠區(qū)與城市以及城際地理分布的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。
2.1遠(yuǎn)程通訊需求
實(shí)現(xiàn)排水、井群、擋潮、排澇、引水等項(xiàng)目，泵站設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控，集中調(diào)度管理，實(shí)時(shí)采集各種水情、工情數(shù)據(jù)是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。
目前，我國(guó)正在運(yùn)行的泵站多為20世紀(jì)六、七十年代建設(shè)，因受當(dāng)時(shí)技術(shù)、資金、設(shè)備條件的限制，大部分泵站設(shè)備還是采用傳統(tǒng)人工完成的管理和操作方式，長(zhǎng)年老化失修，加上維護(hù)工程師人員短缺，整體素質(zhì)偏低，致使泵站設(shè)備能耗逐年升高，排灌效益銳減，無(wú)法保障構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。這些問(wèn)題已經(jīng)引起中央和地方各級(jí)政府的高度重視，泵站的建設(shè)和大規(guī)模的更新改造已經(jīng)進(jìn)入新的歷史時(shí)期。
為進(jìn)一步提升泵站設(shè)備自動(dòng)化設(shè)施水平，在泵站的建設(shè)和改造中，廣泛的使用了可編程控制器PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC、人機(jī)界面HMI和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線等工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品。但在泵站設(shè)備的組網(wǎng)過(guò)程中，通訊線路的建設(shè)還停留在鋪設(shè)專用通訊線纜或采用GPRS無(wú)線通訊技術(shù)的水平。
鋪設(shè)專用通訊線纜的缺點(diǎn)在于建造成本高、耗能高、耗時(shí)長(zhǎng)，且在很多特殊環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行通訊線纜的建設(shè)，這些制約著泵站建設(shè)和自動(dòng)化的水平。GPRS無(wú)線通訊技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量也小、響應(yīng)遲鈍，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)控制，視頻監(jiān)控，在線進(jìn)行程序上下載和診斷等需求。
2.2排水泵站信息化困境
(1)目前應(yīng)用系統(tǒng)多為信息查詢服務(wù)，而且數(shù)據(jù)不全面，缺乏針對(duì)城市排水、河道水流的可視化管理和調(diào)度的專業(yè)信息系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)危機(jī)系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)運(yùn)行情況，記錄系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析判斷設(shè)備故障時(shí)，控制器自動(dòng)運(yùn)行保護(hù)程序，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并生成報(bào)表，并通過(guò)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)傳輸至遠(yuǎn)方中控系統(tǒng)。當(dāng)技術(shù)人員排除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障后，控制器根據(jù)操作人員操作信號(hào)，自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。目前先進(jìn)的控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)故障級(jí)別和分類，將故障信息分類發(fā)送到各個(gè)部門。
預(yù)警的重大作用在于遠(yuǎn)程中控這邊的不斷完善的智能分析系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的港機(jī)設(shè)備的重要參數(shù)進(jìn)行采集之后，可以通過(guò)智能算法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的安全隱患等進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)修復(fù)，避免安全隱患成為嚴(yán)重的安全事故；
(2)監(jiān)測(cè)站、點(diǎn)數(shù)量不足，且布設(shè)不能滿足日常及防汛調(diào)度實(shí)際需求，對(duì)于容易發(fā)生及曾經(jīng)發(fā)生汛期積水事件的河道、排水泵站、管網(wǎng)等設(shè)施尚無(wú)及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控手段，同時(shí)缺少應(yīng)急便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備。控制系統(tǒng)包含了上位機(jī)、PLC、工程型變頻器，發(fā)生故障的時(shí)候，核心的不僅僅是中小型設(shè)備上的PLC，診斷需要綜合性的進(jìn)行，包括上位機(jī)、PLC、工程型變頻器，而這些系統(tǒng)所采用的上位機(jī)工具軟件都是不同的，帶上工具到了現(xiàn)場(chǎng)，可以進(jìn)行診斷，但發(fā)生故障時(shí)，如果要等遠(yuǎn)方的維護(hù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)間越久，將可能帶來(lái)物品安全和人身安全事故的可能性越大，所以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)的需求性特別緊迫。而遠(yuǎn)程診斷，一定要和到現(xiàn)場(chǎng)的工程師所能做的一樣，如深入到PLC程序在線，變頻器參數(shù)顯示和控制，上位機(jī)的實(shí)時(shí)組態(tài)和診斷。
(3)雖然部分排水泵站管理單位已實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)，但由于有些系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)分散、技術(shù)水平及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)共享，不能為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供有力的服務(wù)支撐。
3排水泵站運(yùn)行保障中心硬件設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)，針對(duì)排水泵站現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，為了達(dá)到工程師在遠(yuǎn)程運(yùn)行保障中心即可實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)的程序?qū)崟r(shí)在線診斷、實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作的需求，系統(tǒng)SCADA拓?fù)鋱D如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)SCADA拓?fù)?/P>
排水泵站現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備，可以通過(guò)有線或者站點(diǎn)的WIFI覆蓋系統(tǒng)上到Internet公網(wǎng)，也可以是單獨(dú)上3G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線上網(wǎng)的方式，連接到運(yùn)行保障中心。
中大型的運(yùn)行保障中心工程的裝備配置舉例如表1所示：
表1 裝備配置舉例表
現(xiàn)場(chǎng)端如果是通過(guò)3G上網(wǎng)，連接的是具有Profinet工業(yè)總線的西門子S7-300PLC系列大型PLC工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)，則需要如下配置如表2所示：
表2 所需配置表
不同的配置，對(duì)于排水泵站，可以同時(shí)連接不同數(shù)量的站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷、預(yù)警、維護(hù)、升級(jí)等工作，關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器的程序級(jí)訪問(wèn)，上下載程序、在線診斷都不再是困擾難題，最大化的節(jié)省每一次故障或者調(diào)試需要團(tuán)隊(duì)去現(xiàn)場(chǎng)的大量成本，實(shí)現(xiàn)當(dāng)下的信息化，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由遠(yuǎn)端中央服務(wù)器執(zhí)行的云計(jì)算化，將傳統(tǒng)的工控和IT互聯(lián)網(wǎng)真正的工業(yè)化和信息化的融合。
4排水泵站運(yùn)行保障中心軟件設(shè)計(jì)
4.1原理設(shè)計(jì)
在該安全通訊系統(tǒng)中，軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)協(xié)議進(jìn)行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過(guò)公網(wǎng)傳輸?shù)臅r(shí)候，采用的S-Link協(xié)議，是專用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個(gè)穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運(yùn)行保障中心，通過(guò)SY-RSCM進(jìn)行核對(duì)和驗(yàn)證，再進(jìn)行準(zhǔn)確的安全的解包，傳遞給目標(biāo)對(duì)象。
4.2安全設(shè)計(jì)
通過(guò)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的是針對(duì)排水泵站設(shè)備的全應(yīng)用周期的遠(yuǎn)程管理：安裝、預(yù)警、調(diào)試、故障診斷、升級(jí)，并且注重信息通訊過(guò)程中的安全性，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：
(1)遠(yuǎn)程安全通訊模塊的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)向廣域網(wǎng)的擴(kuò)充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對(duì)每一層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容過(guò)濾，入侵偵測(cè)，入侵保護(hù)等功能。并可對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行S-link協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
(2)遠(yuǎn)程安全通訊模塊還帶有身份認(rèn)證技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備認(rèn)證和使用者認(rèn)證，使得工業(yè)數(shù)據(jù)只能在經(jīng)過(guò)了認(rèn)證的模塊直接傳輸，以及有認(rèn)證許可的操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取等。
(3)工業(yè)數(shù)據(jù)在Internet中傳輸過(guò)程中，采用S-Link協(xié)議。這種協(xié)議是專針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸所開(kāi)發(fā)的。它是基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的不通用性，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的特殊要求，以協(xié)議轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確和安全性為首要目標(biāo)的一種非公開(kāi)密鑰方式的專用協(xié)議，采用了RSA算法，密鑰最高為1536位加密非對(duì)稱密鑰，公鑰和私鑰結(jié)合使用的方式進(jìn)行加密。S-link協(xié)議的應(yīng)用確保了工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸?shù)臋C(jī)密性，真實(shí)性和完整性。
(4)整個(gè)系統(tǒng)采用了虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)，各個(gè)設(shè)備在邏輯上劃分到了一個(gè)局域網(wǎng)中，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。同時(shí)，限制了工業(yè)數(shù)據(jù)只能在同一VLAN中傳輸，防止了數(shù)據(jù)在Internet上的廣播，提高了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/P>
5基于賽遠(yuǎn)安全通訊體系的SCADA泵站
5.1賽遠(yuǎn)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)
賽遠(yuǎn)工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊，完全是自主創(chuàng)新的通訊系統(tǒng)，不同于市面上的MODEM撥號(hào)、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場(chǎng)需要電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面的方式，不同于固定IP查找對(duì)方的方式，具有如下顯著的特點(diǎn)：
(1)工程師實(shí)時(shí)分鐘級(jí)的響應(yīng)，實(shí)時(shí)運(yùn)行保障。
(2)全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式。
(3)支持各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP。
(4)現(xiàn)場(chǎng)視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸。
(5)PLC程序級(jí)控制，數(shù)據(jù)OPC采集。
(6)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雙向傳輸。
(7)架設(shè)和配置簡(jiǎn)單，高效。
(8)最新的賽遠(yuǎn)專利安全通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定。
(9)兩端均不需要固定IP，數(shù)據(jù)直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，無(wú)需經(jīng)過(guò)第三方服務(wù)器。
(10)一次性投入，無(wú)后續(xù)產(chǎn)品服務(wù)費(fèi)用。
(11)支持?jǐn)?shù)據(jù)雙通道軟硬件冗余。
(12)數(shù)據(jù)安全加密最高1536位S-Link加密。
(13)通信安全認(rèn)證方式：支持指紋認(rèn)證、短信認(rèn)證、USB KEY認(rèn)證、U-KEY認(rèn)證；CA認(rèn)證、國(guó)密辦認(rèn)證體系、動(dòng)態(tài)令牌認(rèn)證、X.509數(shù)字證書認(rèn)證。
(14)密碼保護(hù)措施：采用密碼強(qiáng)度檢測(cè)、周期性更換密碼要求、防暴力破解策略、賬號(hào)鎖定解鎖功能、管理員密碼權(quán)限設(shè)置、軟鍵盤、圖形驗(yàn)證碼等輸入驗(yàn)證方式。
支持Pad、智能手機(jī)、筆記本、上網(wǎng)本等等設(shè)備遠(yuǎn)程查看、修改等操作。
5.2賽遠(yuǎn)運(yùn)行保障中心功能
(1)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：各泵站每臺(tái)排水泵啟停狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)、電流、電壓等，凡是能集中到可編程控制器中的信息，均可監(jiān)測(cè)。
(2)遠(yuǎn)程控制功能：控制各泵站每臺(tái)排水泵、格柵機(jī)的啟停工作， 遠(yuǎn)程切換各泵站每臺(tái)排水泵的控制模式等，凡是接在可編程控制器外圍的設(shè)備，均可遠(yuǎn)程啟停控制。
(3)報(bào)警功能：在服務(wù)器中，定時(shí)存儲(chǔ)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、事件報(bào)警信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通訊回到運(yùn)行中心，則可以建立各項(xiàng)參數(shù)預(yù)警保障機(jī)制，如對(duì)污水池液位超過(guò)警戒水位告警、有害氣體超標(biāo)告警等。同時(shí)支持各類信息查詢，可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)生成報(bào)表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。
(4)視頻監(jiān)視：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)將視頻傳輸至信息中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，回放。并可遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)視野，更加人性化。
監(jiān)控界面：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監(jiān)測(cè)多個(gè)泵站視頻和數(shù)據(jù)，也可以切換成單個(gè)泵站的視頻和數(shù)據(jù)顯示。
(5)權(quán)限管理：對(duì)不同的操作使用者授予不同的使用權(quán)限。
(6)開(kāi)放：可以任意增加、減少所監(jiān)控的泵站數(shù)量。預(yù)留與其他系統(tǒng)的通訊接口。
6結(jié)束語(yǔ)
基于PLC、上位機(jī)、變頻器等設(shè)備組成的排水泵站控制和傳動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很好的滿足了排水泵站的整體監(jiān)控和智能化的需求。賽遠(yuǎn)的具有最新專利工業(yè)安全通訊技術(shù)的工業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排水泵站的遠(yuǎn)程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了調(diào)控、維護(hù)、預(yù)警成本，并通過(guò)該系統(tǒng)建立了排水泵站的全生命周期管理系統(tǒng)，在21世紀(jì)，從過(guò)去的排水泵站信息孤島，轉(zhuǎn)型為信息聯(lián)網(wǎng)和集控，是一個(gè)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算化帶來(lái)的巨大轉(zhuǎn)變，目前該系統(tǒng)隨著城市排水泵站的配套，在國(guó)內(nèi)外均運(yùn)行效果良好。
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