CN102081399A

CN102081399A - 基于3g和风光互补供电技术的远程监控维护的方法及系统

Info

Publication number: CN102081399A
Application number: CN2011100256279A
Authority: CN
Inventors: 吴益宇; 徐建勋
Original assignee: SHENZHEN FUTURELOOKS AUTOMATION SYSTEM CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN FUTURELOOKS AUTOMATION SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN102081399B

Abstract

本发明是基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法及系统，包括可编程控制器PLC数据采集和控制，风光互补供电，3G无线通讯，远程监控维护。将风光互补新能源供电技术，3G网络通讯技术，自动化控制技术有机结合起来，实现对泵站的温度，压力，流量，水位，水质等数据的采集，对泵台进行现场监控。远程监控维护系统和PLC数据采集和控制系统采用集散式结构；远程监控维护系统对各PLC数据采集和控制系统的数据实时在线监控；3G无线通讯系统提供远程监控维护系统和PLC数据采集和控制系统流畅快捷地通讯；风光互补供电系统对PLC数据采集和控制系统提供电源供应。本方法及系统实现远程泵站的能源和数据传输操作的无线化。

Description

基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法及系统

技术领域

本发明所属的技术领域为工业自动化行业，利用3G网络远程监控维护无人值守泵站，具体涉及一种基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法及系统。

背景技术

泵站是水利枢纽工程的主要设施，泵站设施为城市防洪排涝和和农村引水排灌起到关键作用。随着我国经济建设的快速发展，对水利设施和水环境提出了更高的要求。城市防汛排涝、城镇水环境、深水井群和排水设施均面临着采用现代信息化技术来进一步提升设施的要求。

实现排水、井群、挡潮、排涝、引水等项目，泵站设备的自动化监控，集中调度管理，实时采集各种水情、工情数据是信息化建设的基础。

目前，我国正在运行的泵站多为20世纪六、七十年代建设，因受当时技术、资金、设备条件的限制，大部分泵站设备还是采用传统人工完成的管理和操作方式，长年老化失修，加上维护工程师人员短缺，整体素质偏低，致使泵站设备能耗逐年升高，排灌效益锐减，无法保障构建社会主义和谐社会的社会经济发展需求。这些问题已经引起中央和地方各级政府的高度重视，泵站的建设和大规模的更新改造已经进入新的历史时期。

为进一步提升泵站设备自动化设施水平，在泵站的建设和改造中，广泛的使用了可编程控制器PLC、工业控制计算机IPC、人机界面HMI和工业现场总线等工业自动化产品。但在泵站设备的组网过程中，通讯线路的建设还停留在铺设专用通讯线缆或采用GPRS无线通讯技术的水平。

铺设专用通讯线缆的缺点在于建造成本高、耗能高、耗时长，且在很多特殊环境下无法进行通讯线缆的建设，这些制约着泵站建设和自动化的水平。GPRS无线通讯技术数据传输量也小、响应迟钝，无法满足实时控制，视频监控，在线进行程序上下载和诊断等需求。

受我国电网建设的制约，偏远地区的泵站设备的供电也极不稳定，特别是在供不上电的情况下，传统的监控系统将失去对泵站设备的实时监控，导致供电质量直接影响到泵站设备的正常运作。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的缺陷，提供了一种基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法及系统。利用3G无线通讯技术，网络技术，工业自动化技术的完美结合，有效的解决了铺设专用电缆或GPRS无线通讯无法进行视频传输、对控制器程序级的控制（远程的程序上下载，在线诊断等）、泵站维护人员短缺素质偏低等等的问题。新能源技术的应用，将有效的解决通讯系统备用电源的问题，在泵站设备出现故障后，给维护操作赢得更多的时间。

实现本发明的方法是：

涉及泵站设备与远程监控维护中心之间的通讯，包括了风光互补供电和远程监控维护，其中：

风光互补供电提供3G通讯、远程安全通讯、摄像和可编程控制器PLC工作备用电；风力发电机组和太阳能电池板发出的三相交流电和直流电分别通过风光互补控制器后以12V直流电存储到蓄电池组中，蓄电池组经过风光互补控制器以24V直流电输送到3G通讯模块、远程安全通讯模块、摄像头和PLC；在蓄电池组过充时，风力发电机组和太阳能电池板发出的电将通过风光互补控制器流入直流卸荷器进行卸荷；风光互补供电还实现了自动切换蓄电或待机的工作状态。

使用3G无线通讯，将泵站设备采集到的数据通过Ethernet接口传入B远程安全通讯模块到传入3G通讯模块后传输至远程监控维护中心，该远程安全通讯模块在3G网络上建立专用通道；摄像头、PLC和多功能面板HMI之间则通过以太网Profinet实时通讯。

使用PLC成熟的工业现场控制，稳定性，安全性高的特点，对泵站的泵组、水闸、各种阀门、电气系统等进行现场级控制。对Profibus DP接口的设备（如PLC从站和变频器），通过西门子工业现场总线Profibus实时通讯，对需数字量或模拟量I/O监控的设备（如液位计、流量计、电流互感器和电压互感器），直接通过I/O接口实时通讯。

使用PLC对水位数据采集监控，过程如下：用流量计采集相应进水流量和排水流量，通过PLC的模拟量输入模块实时传输到PLC中， PLC根据采集来的流量得出流量差，与液位计测得的集水池液位进行计算，根据计算出的结果，按PLC中设定顺序启动或停止电机。

使用PLC对电机运行数据采集监控，过程如下：用电流互感器和电压互感器采集电机的电流和电压数据，通过PLC模拟量输入模块传输到PLC中，PLC对所采集到的数据实时存储并传输到管理计算机中，当电机过压或过流或欠压或欠流时，PLC及时地关闭电机，并将故障信号实时传输到管理计算机，发出声光报警信号。

PLC对上述两种状态的监控，确保泵站集水池中的水位，位于最低水位和最高水位之间。以防止水位过低，造成抽水管干抽，电机空载运行，使得电机电流过大，烧毁电机；并防止水位过高，进水流速高于出水流速时水溢出，造成事故。

本发明在安装于管理计算机和服务器中的组态软件中，对采集到的数据进行记录、存储、统计并生成报表，提供了数据查询功能。在管理计算机中进行用户权限的分配，对不同的工程师分配不同的用户名和密码。

本发明还将监控故障等级还由高到低分为了A、B、C三个等级，在组态软件的画面上呈现红、橙、蓝对应颜色；监控故障出现时，PLC将实时将故障信号发送到管理计算机上，通过组态画面，发出对应警报信号，A级为红色灯亮，并发出蜂鸣声，B级为橙色灯亮，并发出蜂鸣声，C级为蓝色灯亮，维护工程师根据接收到的故障报警等级对故障进行分类处理。

上述各等级处理规定的情况如下：

A级故障，接到故障报警后，远程监控维护中心的工程师15分钟内通知就近维护工程师，要求维护工程师1小时内赶到现场，并在2小时内解决问题。如2小时不能解决需及时上报领导，暂停使用本泵站设备，等待更高级的处理，并事后出紧急故障处理报告。此类故障主要是泵站供电电源故障，现场控制器PLC发生故障，多台电机停止工作无法满足泵站出水故障，3G无线监控通讯系统故障，水位计停止工作或流量计停止工作故障；

B级故障，接到故障报警后，远程监控维护中心的工程师15分钟内通过3G远程远程维护系统对故障进行在线诊断，诊断出结果及时通知就近维护工程师进行及时维护和仓库进行元器件准备。要求仓库1小时内对元器件准备完毕，技师3小时内赶到现场，并在10小时内解决问题。如10小时内无法解决问题，需及时上报领导，暂停泵站设备部分使用，等待更高级的处理，并事后出紧急故障处理报告。其主要故障有部分电机停止工作但能满足泵站的使用，备用电源故障，某电机多次出现过压、欠压、过载等故障；

C级故障，是不影响泵站安全运行的故障。远程监控维护中心的工程师需及时对故障部分进行远程检测，并通知相关人员，在一周内对故障点进行维修。

上述各等级涉及远程监控维护中心的工程师实施监控的具体操作如下：

A级故障：关闭声音报警，通知维护工程师赶赴现场故障点，其中泵站设备与远程监控维护中心的通讯故障，则先检查远程监控维护中心通讯系统，并确定故障点。

B级故障：关闭声音报警，并按一下步骤操作：

1）接收到报警故障后，在组态软件中调阅泵站设备工作的相关信息；

2）在管理计算机上，打开SY-RCS软件，输入发生故障的泵站控制PLC的IP地址，并输入用户名和密码，点击建立连接；

3）与PLC连接后，打开西门子编程软件Step 7，将程序上载到管理计算机；

4）通过Step 7软件，对发生故障的设备所对应的程序进行在线诊断；

5）查看现场的视频信号，将故障区域的视频画面与在线程序诊断的结果进行对照，判断故障所在；

6）锁定故障元件；

7）通知最近的现场服务人员，并将故障信息发送给相关部门（技术部，采购部，仓库）；

8）填写故障诊断表，将所诊断出的故障进行数据备份；

9）完成诊断。

C级故障，按一下步骤操作：

1）接收到报警故障后，在管理计算机上，打开SY-RCS软件，输入发生故障的泵站控制PLC的IP地址，并输入用户名和密码，点击建立连接；

2）与PLC连接后，打开西门子编程软件Step 7，将程序上载到管理计算机；

3）通过Step 7软件，对发生故障的设备所对应的程序进行在线诊断；

4）查看现场的视频信号，将故障区域的视频画面与在线程序诊断的结果进行对照，判断故障所在；

5）锁定故障元件；

6）通知最近的现场服务人员，并将故障信息发送给相关部门（技术部，采购部，仓库）；

7）填写故障诊断表，将所诊断出的故障进行数据备份；

8）完成诊断。

本发明还根据泵站中各设备的重要程度，使用年限，使用环境等因素，制定专业的维护方案，专业的维护工程师可在远程监控维护中心定时通过3G无线通讯网络，对泵站设备进行远程的预防性保养维护，其流程如下：

1. 建立泵站设备维护保养档案；

2. 仔细阅读维护方案，按照维护方案进行操作；

3. 在管理计算机上，在组态软件中调出最近泵站设备工作数据记录，从耗能，工作时间等报表中找出记录数据最多的电机，并对这些设备进行重点维护；

4. 对液位计、流量计、电流电压感应器等重点元器件进行重点维护；

5. 打开SY-RCM软件，输入需维护泵站控制PLC的IP地址，并输入维护工程师的用户名和密码，点击建立连接；

6. 与PLC连接后，打开西门子编程软件Step7，将程序上载到管理计算机；

7. 对设备分等级进行安全性检查；

8. 根据检查结果，管理计算机上的历史数据，生成预防性维护保养报告；

9. 根据维护保养报告，判断出需保养的设备，以及保养的程度和方法；

10. 通知就近的维护人员，对需保养设备进行维护，及时更换消耗材料，校准设备参数；填写维护保养登记表，并存档。

实现本发明的系统是：

包括了远程监控维护系统和风光互补供电系统，其中远程监控维护系统包括管理计算机、服务器、远程安全通讯模块、3G通讯模块、PLC、摄像头、变频器、多功能面板HMI和3G网络，其中管理计算机和服务器经以太网TCP/IP接A远程安全通讯模块，该远程安全通讯模块通过3G网络连接各3G通讯模块， 3G通讯模块连接B远程安全通讯模块，其中B远程安全通讯模块分别连接摄像头或PLC或多功能面板HMI或变频器。

风光互补供电系统则包括了风力发电机组、太阳能电池板、风光互补控制器、直流卸荷器和蓄电池组，其中风力发电机组、太阳能电池板、直流卸荷器和蓄电池组分别连接风光互补控制器，蓄电池组分别连接3G通讯模块、远程安全通讯模块、摄像头和PLC。

本发明具有的有益效果：

采用风光互补供电系统作为备用供电系统，其无空气污染、无噪音、不产生废弃物、是一种自然、清洁、环保的能源。与单纯的风力发电和单纯的太阳能发电，蓄电池供电相比，它据有发电持续性长，电能供应稳定，适应的区域广等特点, 并很好保证了泵站设备在无市电供应时PLC数据采集和控制系统电能的稳定供应，保证PLC长时间的进行数据采集和传输到远程监控维护中心。

利用“3G” 移动通信技术，与传统的GPRS无线通讯技术相比，使用的带宽更宽，频率更高，使得数据传输速度快，流量大，满足工业自动化领域其要求数据传输的实时性，视频信号的大数据量的传输等要求。

通过此通道可对PLC进行实时监控，程序的上下载，将彻底的改变现有通讯系统只能进行远程的数据读取，不能对设备进行在线诊断的弊病，将更加有效的提高维护人员的反应速度。专业的维护人员只需要在中控室就能对远程泵站设备进行实时在线维护，减少了维护流程，缩短了维护耗时，降低了设备因故障而产生的经济和安全问题。

利用PLC对数据的统计和计算，得出泵站各台电机的耗电量，各泵站的工作情况，及时的给工程师发出维护预报，让工程师能及时的进行预防性保养维护，使泵站始终处于最优工作状态。

附图说明

图1为本发明的风光互补供电系统结构示意图。

图2为本发明的风光互补供电系统供电图，图中为供电系统出现故障时风光互补供电系统投入工作图。风光互补供电系统为主控制系统供电，其中包括3G通讯模块、远程安全通讯模块、摄像头、PLC等。

图3为本发明的风光互补供电系统电流示意图，表示风力发电机组和太阳能电池板发出的三相交流电和直流电分别通过风光互补控制器后以12V直流电存储到蓄电池组中，蓄电池组经过风光互补控制器以24V直流电输送到负载。

图4为本发明的远程监控维护中心系统与PLC数据采集和控制系统3G网络通讯结构图。

图5为本发明的3G的风光互补供电的的远程监控维护系统通讯网络图，表示以西门子的最典型的可编程控制器PLC，多功能面板HMI，变频器，摄像头以及管理计算机为例，通过3G网络进行远程安全的网络实时通讯，完成程序级的监控系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

为实现本发明的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法和系统，以西门子的最典型的PLC S7-300，变频器，管理计算机，服务器，赛远的3G通讯模块SY-3G，远程安全通讯模块SY-RSCM300，远程安全接入软件SY-RCS，尚能风光互补供电系统为例，通过3G网络进行远程安全的工业网络实时通讯，完成程序级的监控系统。

各个元器件的型号和特点如下：

1、PLC S7-300，选用主机S7-317-2DP/ PN，本机上带有PROFINET工业以太网通讯接口和PROFIBUS-DP接口；

2、变频器，选用MM440，带有DP通讯模板；

3、多功能面板HMI，选用步科的MT6300T，带有工业以太网通讯接口；

4、管理计算机，选用华研工业控制计算机，预装有微软的操作系统Windows XP，西门子的PLC编程软件STEP7 V5.4，步科的HMI软件EV5000 V1.5，易控组态软件INSPEC 2009 3.0，变频器的驱动控制软件Drive-ES；

5、服务器选用西门子工控机，装有易控组态软件INSPEC 2009 3.0和域名解析软件，作为域名解析和数据在线监控、存储；

6、3G通讯模块，选用赛远的SY-3G，可以连接三种制式的3G网络：W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA；

7、赛远远程安全通讯模块SY-RSCM300，具有4个LAN口，具有S-Link内置协议（S-Link为赛远开发的网络安全通讯协议）和VLAN功能，防火墙功能，路由交换功能；

8、赛远远程安全接入软件SY-RCS，具有S-Link协议，和SY-RSCM300配套进行远程安全通讯连接，基于Windows XP；

9、摄像头，选用具有以太网口的SY-CMR，工业等级，具有高分辨率的内置Web Server；

10、风光互补供电系统，选用广州尚能风力发电设备有限公司产品，风力发电机组SN-400WL（输出电压为24V，起动风速1.5m/s，铝合金机身外壳，极低噪音设计），太阳能电池板SN-S120W（单晶硅太阳能电池组件），风光互补控制器WS12400，风光互补专用蓄电池SN-200AH。

基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法和系统安装配置如下：

风光互补供电系统的安装：

1、将风力发电机组和太阳能电池板安装在日照和风力相对强的地方；

2、将风光互补控制器，蓄电池组，直流卸荷器，安装到专用电源箱中，注意直流卸荷器的通风降温问题；

3、将风力发电机组和太阳能电池板的输出端分别接入风光互补控制器的对应输入端口，再将蓄电池组、直流卸荷器、控制系统的PLC、3G通讯模块、远程安全通讯模块等接入风光互补控制器的输出端口。

3G无线监控通讯系统配置：

1、向提供3G网络服务的厂商申请3G服务，得到3G卡；

2、将3G卡插入3G通讯莫SY-3G，对每个3G通讯模块SY-3G配置动态域名，分配IP地址，通过SY-3G连接到互联网Internet；

3、将每个远程安全通讯模块SY-RSCM300分配账号以及IP地址（IP地址与3G模块的IP地址为同一网段），DNS相关参数。采用C/S模式，在PLC端的，作为客户端模式，在远程管理计算机上，配置为服务器模式；启用S-Link功能，设置使用的密钥系统，收发对应的公钥和私钥系统；启用VLAN功能，设置对应的VLAN端口，指定进入和离开端口时是否过滤帧，指定端口发送帧是否需要VLAN TAG，设置动态IP解析；

4、在管理计算机和服务器上安装远程接入软件SY-RCS；

5、将管理计算机和服务器的IP设置为该SY-RSCM的合法地址段内，通过TCP/IP协议连接至远程安全通讯模块SY-RSCM300；

6、将A远程安全通讯模块SY-RSCM300连接到互联网Internet。

PLC数据采集和控制系统：

1、将S7-300 PLC 及其附属设备，装入电气控制箱，控制箱就近安装在泵站设备间；

2、将工业摄像头SY-CMR，安装在泵站设备间，可对整个设备间的设备进行远程视频观察；

3、将S7-300 PLC主站和S7-300 PLC从站之间通过PROFIBUS-DP连接，和变频器MM440也通过PROFIBUS连接；

4、将液位计，流量计，互感器设备接入对应S7-300 PLC的模拟量IO模块上，将各电机的启动开关，阀门开关接入S7-300 PLC的数字量IO模块上；

5、将摄像头SY-CMR和S7-300 PLC主站和多功能面板HMI 的的IP设置为该SY-RSCM的合法地址段内，通过TCP/IP连接至B远程安全通讯模块SY-RSCM300；

6、主站S7-300 PLC与从站S7-300 PLC通过DP路由的方式与B远程安全通讯模块SY-RSCM300连接。

实现方法：

1、将所有设备按上述方式连接，配置；

2、所有设备都处于上电，工作状态；

3、打开管理计算机或服务器，打开远程接入软件SY-RCS，输入用户名和密码，点击建立连接，即可与远程设备的通讯；

4、通过管理计算机上的PLC编程软件STEP7，可以实现对西门子的S7-300 PLC的远程程序上下载，在线监控和程序诊断；

5、通过服务器上的易控组态软件INSPEC 2009 3.0，通过内置的S7-300的PLC驱动，可以对远程的S7-300的内部参数进行读写，达到远程数据在线存储和历史记录，并能在线的控制PLC内部的数据区，存储器，输出的开关量和模拟量；

6、通过服务器上的浏览器，键入摄像头的IP地址，首次浏览，下载摄像头驱动安装后，即可看到现场的实时情况；

7、通过管理计算机上的HMI软件EV5000 V1.5，可以实现对步科的MT6300T进行远程的程序上下载和诊断，对MT6300T上的存储介质进行读写参数；

8、通过计算机上的PLC编程软件STEP7，可以通过远程通道建立连接到S7-300 PLC主站，再通过S7-300 PLC主站的PROFIBUS-DP的路由功能，实现对S7-300 PLC从站的程序上下载、远程通讯和在线诊断；

9、通过计算机上的PLC编程软件STEP7环境，以及嵌入在STEP7里面的DRIVER-ES软件，通过远程通道建立连接到S7-300 PLC主站，再通过S7-300 PLC主站的PROFIBUS-DP的路由功能，实现对变频器MM440的参数在线监控。

Claims

1.一种基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其包括泵站设备与远程监控维护中心之间的通讯，其特征是包括风光互补供电和远程监控维护，其中：

A. 风光互补供电，供3G通讯、远程安全通讯、摄像和可编程控制器PLC工作备用电；风力发电机组和太阳能电池板发出的三相交流电和直流电分别通过风光互补控制器后，以12V直流电存储到蓄电池组中，蓄电池组经过风光互补控制器以24V直流电输送到3G通讯模块、远程安全通讯模块、摄像头和PLC；当蓄电池组过充时，风力发电机组和太阳能电池板发出的电将通过风光互补控制器流入直流卸荷器进行卸荷；风光互补供电实现自动切换蓄电和待机两种工作状态；

B. 远程监控维护包括3G无线通讯、PLC数据采集和控制，泵站设备采集到的数据通过Ethernet接口传入远程安全通讯模块，该远程安全通讯模块在3G网络上建立了专用通道；摄像头、PLC和多功能面板HMI之间通过以太网Profinet实时通讯；对Profibus DP接口的设备（如PLC从站和变频器），通过西门子工业现场总线Profibus实时通讯，对需数字量或模拟量I/O监控的设备（如液位计、流量计、电流互感器和电压互感器），直接通过I/O接口模块实现实时通讯。

2.如权利要求1所述的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其特征是所述的PLC数据采集和控制包括PLC对水位数据采集监控，过程如下：用流量计采集相应进水流量和排水流量，通过PLC的模拟量输入模块实时传输到PLC中， PLC根据采集来的流量得出流量差，与液位计测得的集水池液位进行计算，根据计算出的结果，按PLC中设定顺序启动或停止电机。

3.如权利要求1所述的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其特征是所述的PLC数据采集和控制还包括PLC对电机运行数据采集监控，过程如下：用电流互感器和电压互感器采集电机的电流和电压数据，通过PLC模拟量输入模块传输到PLC中，PLC对所采集到的数据实时存储并传输到管理计算机中，当电机过压或过流或欠压或欠流时，PLC及时地关闭电机，并将故障信号实时传输到管理计算机，发出声光报警信号。

4. 如权利要求1所述的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其特征是所述的远程监控维护还包括安装于服务器中的组态软件，对采集到的数据进行记录、存储、统计并生成报表，提供了数据查询功能。

5.如权利要求1所述的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其特征是所述的远程监控维护还包括在管理计算机中进行用户权限的分配，对不同的工程师分配不同的用户名和密码。

6.如权利要求1所述的基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的方法，其特征是所述的远程监控维护还包括将监控故障等级由高到低分为A、B、C三个等级，在所述的组态软件的画面上呈现红、橙、蓝对应颜色；监控故障出现时，PLC将实时将故障信号发送到管理计算机上，通过组态画面，发出对应警报信号，A级为红色灯亮，并发出蜂鸣声，B级为橙色灯亮，并发出蜂鸣声，C级为蓝色灯亮，维护工程师根据接收到的故障报警等级对故障进行分类处理。

7.实现基于3G和风光互补供电技术的远程监控维护的系统，其特征是包括远程监控维护系统和风光互补供电系统，所述的远程监控维护系统包括管理计算机、服务器、远程安全通讯模块、3G通讯模块、PLC、摄像头、变频器、多功能面板HMI和3G网络，其中管理计算机和服务器经以太网TCP/IP接A远程安全通讯模块，该远程安全通讯模块通过3G网络连接各个3G通讯模块， 3G通讯模块连接B远程安全通讯模块，其中B远程安全通讯模块分别连接摄像头或PLC或多功能面板HMI或变频器；所述风光互补供电系统包括风力发电机组、太阳能电池板、风光互补控制器、直流卸荷器和蓄电池组，其中风力发电机组、太阳能电池板、直流卸荷器和蓄电池组分别连接风光互补控制器，蓄电池组分别连接3G通讯模块、远程安全通讯模块、摄像头和PLC。