長距離輸水自動化系統(tǒng)的功能與實現(xiàn)

張玉平，張 毅

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

0 前言

我們國家幅員遼闊，人口眾多，南北氣候差異明顯，經(jīng)常出現(xiàn)南澇北旱的局面。隨著我國綜合國力的不斷提高，國家對水利方面的投入也越來越大，為了解決北方缺水的問題，近年來不少大型長距離輸水工程相繼動工。

長距離輸水工程具有線路長、覆蓋范圍大、地域分布廣、用戶多、系統(tǒng)龐雜、管理復(fù)雜、對自動化控制要求高等特點，為保證全線輸水的安全可靠與高效運行，充分發(fā)揮其巨大經(jīng)濟效益和社會效益，必須采用先進的自動化控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，建設(shè)一套完善的、先進的遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)對眾多現(xiàn)地無人值班站進行遠方集中管理，實現(xiàn)輸水全線所有現(xiàn)地泵（閘）站的統(tǒng)一自動控制和優(yōu)化調(diào)度。為此，2009年初，中國水利水電科學研究院和北京中水科水電科技開發(fā)有限公司設(shè)立研究專項對長距離輸水遠方集中監(jiān)控技術(shù)進行研究與開發(fā)。

長距離輸水遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計已在項目的前期研究中完成，不再詳細介紹，本文主要介紹項目后期開發(fā)的平臺軟件的功能與具體實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)采用基于廣域控制專網(wǎng)的全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為遠方集中監(jiān)控層及現(xiàn)地控制層，遠方集中監(jiān)控層由系統(tǒng)中心站、分中心站監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)地控制層由眾多無人值班的現(xiàn)地站監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成。中心站、分中心站及現(xiàn)地站各監(jiān)控子系統(tǒng)依托輸水工程通信和計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建廣域控制專網(wǎng)，實現(xiàn)安全可靠的高速廣域網(wǎng)絡(luò)連接，形成一個完整的冗余控制專網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實時閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。

現(xiàn)地無人值班站監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，取消中間環(huán)節(jié)，提高整體可靠性能。遠方集中監(jiān)控層可直接與各PLC網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)對現(xiàn)地站的數(shù)據(jù)采集與控制功能；同時，現(xiàn)地站控制層也具備與遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制層離線獨立運行功能，各現(xiàn)地站本地監(jiān)控系統(tǒng)功能不會因遠方控制級發(fā)生故障而影響。

2 系統(tǒng)功能

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控子系統(tǒng)采用具有良好的擴充性，通用化標準化設(shè)計開發(fā)的分布式系統(tǒng)，配置靈活，可滿足各類用戶的應(yīng)用需要，滿足各遠程監(jiān)控子系統(tǒng)的所有功能要求。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

2.1 身份驗證與權(quán)限判斷

監(jiān)控用戶和調(diào)度系統(tǒng)使用監(jiān)控系統(tǒng)時，首先要獲得系統(tǒng)對用戶身份的確認，并根據(jù)各用戶具有的權(quán)限完成相應(yīng)的操作。監(jiān)控系統(tǒng)在進入和執(zhí)行操作時都要進行用戶權(quán)限的判斷，只有具有該項操作權(quán)限的用戶才能完成操作。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理功能

系統(tǒng)平臺具有高性能的大容量海量數(shù)據(jù)的實時采集與處理功能，實現(xiàn)對全線所有閘站工情水情的實時采集，包括各類閘門、閥門、中心開關(guān)站?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)從閘站現(xiàn)地PLC直接采集，因遠程監(jiān)控系統(tǒng)對閘站運行狀況和環(huán)境參數(shù)的需要與現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)完全相同，它們對閘門的監(jiān)測量也是完全一致的。具體監(jiān)測量可根據(jù)工程的實際需要靈活調(diào)整。

2.3 實時安全監(jiān)測與告警

安全監(jiān)測是輸水自動化系統(tǒng)的重要功能之一，系統(tǒng)實時監(jiān)視全線各閘站和測站的運行狀態(tài)和參數(shù)，當它們發(fā)生異常、運行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設(shè)定限值等時，計算機系統(tǒng)及時報告值班運行人員進行處理，同時進行分類實時記錄，記錄區(qū)分為：故障報警記錄、運行人員操作信息記錄、系統(tǒng)診斷信息等計算機系統(tǒng)綜合信息記錄，記錄包括每個事件發(fā)生的時間、內(nèi)容、狀態(tài)和性質(zhì)，時間以年、月、日、時、分、秒、毫秒記錄，以便分析查驗。

2.4 現(xiàn)地站控制

系統(tǒng)平臺提供可靠的控制操作和控制模式管理功能，具有完善的防誤操作功能，可實現(xiàn)對所有閘站的控制，遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)通過閘站現(xiàn)地的PLC進行控制，以閘門開度、流量或閘前水位為控制目標對節(jié)制閘、分水閘、退水閘、倒虹吸工作閘進行控制，在以閘門開度或流量為控制目標時，閘前水位一般作為限制性條件。以流量為控制目標對泵（閘）站進行控制，控制過程由泵（閘）站現(xiàn)地的監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。以打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)對分水閥進行控制。

2.5 數(shù)據(jù)存儲與備份

系統(tǒng)平臺應(yīng)提供高效的數(shù)據(jù)存儲與備份功能，可滿足實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲需要，實時數(shù)據(jù)為記錄完整生產(chǎn)運行過程數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)是從實時數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的，其中，時段數(shù)據(jù)主要是指定時(如10 min)存儲的數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，滿足某些特征條件的數(shù)據(jù)?？刂颇繕伺c指令數(shù)據(jù)則記錄操作員指令數(shù)據(jù)以及調(diào)度系統(tǒng)下達的目標數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均能實現(xiàn)不間斷熱備。

2.6 查詢與統(tǒng)計

系統(tǒng)平臺提供靈活方便的數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計計算功能，用戶不需編程，只需將要進行計算的數(shù)據(jù)點名、周期和公式按預(yù)定的格式填入定義文件即可，系統(tǒng)平臺將自動定時或周期進行統(tǒng)計計算。

2.7 系統(tǒng)時鐘同步管理

長距離輸水系統(tǒng)所控制的對象分布范圍廣，距離遠，更需要做好整個系統(tǒng)的時鐘同步管理。接收衛(wèi)星時鐘信號源的時鐘信號，通過NTP網(wǎng)絡(luò)對鐘協(xié)議實現(xiàn)長距離輸水自動化系統(tǒng)所有服務(wù)器、工作站的時鐘同步。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了驗證總體設(shè)計方案的可行性，并測試所開發(fā)軟件的平臺性能，特在實驗室模擬一個中心站、兩個分中心站，其中分中心站1下轄兩個閘站：節(jié)制閘、分水閥；分中心2下轄3個閘站：分水閘、倒虹吸閘、退水閘，中心站、分中心站、現(xiàn)地閘站之間通過路由器連接，搭建長距離輸水系統(tǒng)實驗室測試環(huán)境。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)采用基于廣域控制專網(wǎng)的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有良好的擴充性，系統(tǒng)硬件設(shè)備可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和用戶的實際應(yīng)用需求，靈活配置，系統(tǒng)軟件采用分布式模塊化結(jié)構(gòu)，配置及擴充靈活方便。

根據(jù)系統(tǒng)功能與可靠性等性能指標要求，中心站和分中心站系統(tǒng)配置采用雙重冗余配置的千兆以太網(wǎng)交換機作為主干網(wǎng)絡(luò)交換機，計算機系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備冗余配置，規(guī)模靈活可變，實際配置應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求靈活調(diào)整。

跨平臺的解決方案是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。當今自動化監(jiān)控系統(tǒng)所使用的主流操作系統(tǒng)大致分為兩類，即UNIX和Windows，兩者各有優(yōu)勢。為了保護用戶的投資和開發(fā)的延續(xù)性，系統(tǒng)必須提供跨平臺解決方案，即系統(tǒng)主要的服務(wù)器一般采用64位RISC服務(wù)器與UNIX操作系統(tǒng)，完成輔助功能的服務(wù)器與工作站可采用PC服務(wù)器和Windows操作系統(tǒng)，各服務(wù)器與工作站實際配置應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需要靈活確定。

實驗室測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1：

圖1 長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)平臺軟件開發(fā)

系統(tǒng)平臺軟件研制開發(fā)工作是結(jié)合本單位在城市引水泵站綜合自動化、水調(diào)自動化系統(tǒng)的工程經(jīng)驗，以及在大型梯級水電廠遠方集中控制方面的技術(shù)優(yōu)勢，充分考慮大型長距離輸水工程調(diào)度自動化系統(tǒng)各種運行方式，遠程網(wǎng)絡(luò)方案，運行監(jiān)視、控制及系統(tǒng)應(yīng)用功能要求，在大型調(diào)度自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)上開展的。主要進行了下列關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)工作。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理軟件的設(shè)計與開發(fā)

目前的大型調(diào)度自動化系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究開發(fā)，已具備特大型系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)高可靠與高實時性采集能力，在高數(shù)據(jù)精度、豐富數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)趨勢報警、三態(tài)點及智能報警處理等方面的研究開發(fā)顯著提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。

系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集與處理軟件主要應(yīng)用在局域網(wǎng)范圍內(nèi)，通常站點較少，但每個站點的數(shù)據(jù)量較大；而長距離輸水工程具有線路長、覆蓋范圍大，現(xiàn)場站點數(shù)量多，但每個站點的數(shù)據(jù)量較少的特點，且必須通過廣域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集與處理。因此，本次研發(fā)是在現(xiàn)有的基于局域網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件的基礎(chǔ)上，針對長距離輸水工程的應(yīng)用需求，開發(fā)了適合于現(xiàn)場站點數(shù)量多、廣域網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與處理功能軟件。

數(shù)據(jù)采樣周期根據(jù)系統(tǒng)性能參數(shù)要求和實際應(yīng)用需要進行設(shè)置。故障、事故報警信號隨機優(yōu)先傳送，為提高系統(tǒng)的實時性，模擬量無變化時不傳送，當變化超過傳送死區(qū)時傳送；狀態(tài)量有狀變時才傳送；數(shù)據(jù)采集分為周期式和隨機式兩種方式。

為適合現(xiàn)場運行情況，對所有采集的數(shù)據(jù)點均可通過人機聯(lián)系設(shè)置掃查投入與退出、報警功能與禁止標志，對其參數(shù)限值可進行人工修改設(shè)置，并可用人工設(shè)定值取代采集值，以剔除壞點。

3.2.2 全分布式多服務(wù)器負荷平衡管理及冗余互備軟件

長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)中，由分布配置在中心站、分中心站的實時監(jiān)控采集服務(wù)器完成與全線各閘站PLC和其它節(jié)點的通信，為全線系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、閘門控制和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。實時監(jiān)控采集服務(wù)器是整個監(jiān)控系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵節(jié)點，因站點數(shù)量眾多，系統(tǒng)工作負荷很重，必須具有很高的可靠性和數(shù)據(jù)處理能力，不能因某臺服務(wù)器故障停機造成全線或局部監(jiān)控功能的喪失。

為保證遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與實時性，必須開發(fā)跨中心站、分中心站子系統(tǒng)的系統(tǒng)全分布式多服務(wù)器負荷平衡管理及冗余互備軟件，通過采用多服務(wù)器負荷平衡管理與冗余互備技術(shù)，實現(xiàn)各服務(wù)器同時工作分擔負荷，并相互備用。每個現(xiàn)地站均可靈活定義本地服務(wù)器和/或異地服務(wù)器順序作為備用，當主實時采集服務(wù)器發(fā)生故障時，通過定義相應(yīng)的備份順序，依次由配置的備用服務(wù)器接替其工作，實現(xiàn)無擾動切換提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)服務(wù)完成數(shù)據(jù)通信、采集和控制功能。通過采用多服務(wù)器冗余互備技術(shù)，徹底解決特大型系統(tǒng)信息采集點多，通訊數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致的實時性與可靠性問題。

3.2.3 全冗余的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)

大型長距離輸水工程調(diào)度自動化系統(tǒng)及遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點上，由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)來完成監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點設(shè)備之間的通訊，完成數(shù)據(jù)的存儲和管理以及提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)各類實時和歷史數(shù)據(jù)的存儲和管理。

現(xiàn)有的大型調(diào)度自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)是基于局域網(wǎng)的，通過開發(fā)實現(xiàn)了廣域網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)，為保證系統(tǒng)各節(jié)點實時數(shù)據(jù)庫和記錄區(qū)的實時性與可靠性，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)包編號、冗余傳輸?shù)燃夹g(shù)方法，使各節(jié)點在任何一條網(wǎng)上都可實時收到全部數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了完全的雙網(wǎng)冗余，目前只要確保有一個網(wǎng)絡(luò)正常即可，且無網(wǎng)絡(luò)切換時間。

3.2.4 無人值班現(xiàn)地站的綜合自動化系統(tǒng)接入研究

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)擁有數(shù)量眾多現(xiàn)地控制站，這些現(xiàn)地控制站基本均按照無人值班設(shè)計，其可靠接入是全線綜合自動化系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的基礎(chǔ)，為保證無人值班現(xiàn)地控制站可靠接入遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)，需選用具有直接上網(wǎng)功能的LCU控制器產(chǎn)品。因每個現(xiàn)地閘站數(shù)據(jù)點不多，且LCU控制器產(chǎn)品高速(100Mbps)網(wǎng)絡(luò)接口，支持多網(wǎng)絡(luò)連接，因此現(xiàn)地控制站和遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)均可通過與LCU控制器直接建立網(wǎng)絡(luò)連接，各自獨立的完成數(shù)據(jù)采集與控制功能，避免因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而帶來的可靠性和實時性等問題。

為了保證數(shù)據(jù)和控制的安全，制定如下原則：

現(xiàn)場數(shù)據(jù)由現(xiàn)地控制站和遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)同時獨立進行采集，以保證數(shù)據(jù)采集的實時性與可靠性；控制方面，根據(jù)調(diào)水業(yè)務(wù)需要，正常情況下，只有遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地閘站有控制權(quán)，且現(xiàn)地閘站級別最高，分中心次之，中心站最低。當不同級別的用戶控制同一設(shè)備時，級別高的用戶優(yōu)先獲得控制權(quán)。遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)對閘門控制權(quán)限的判定由PLC負責完成。而控制命令由有控制權(quán)的遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)計算機節(jié)點設(shè)備發(fā)出，經(jīng)校驗正確后，采用點對點方式送至相應(yīng)LCU節(jié)點，這樣就在很大程度上保證LCU的數(shù)據(jù)安全。

3.3 系統(tǒng)人機界面主框架設(shè)計

人機界面的封面以地圖、現(xiàn)場工程圖片和水為背景，突出現(xiàn)地站特色。如圖2所示：點擊圖中的“閘站”，進入閘站監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 人機界面

監(jiān)控的點包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、閘門開啟高度、電流、電壓、溫度、濕度、限位保護、荷重保護、相序故障，其中節(jié)制閘和倒虹吸閘使用的是液壓啟閉機，數(shù)據(jù)庫中另外增加液壓系統(tǒng)運行信息，包括：液壓系統(tǒng)壓力偏高、液壓系統(tǒng)壓力偏低等。

3.4 系統(tǒng)功能畫面設(shè)計

圖3 功能畫面

功能畫面包括：

（1）水位監(jiān)視畫面：畫面的左半部分為剖面圖，右半部分顯示一些需要監(jiān)視的參數(shù)，包括：電流、電壓、水位、流量、溫度、濕度、閘門狀態(tài)等；

（2）啟閉系統(tǒng)畫面：左半部分為啟閉機的剖面圖和操作按鈕，右半部分顯示設(shè)備運行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等；

根據(jù)啟閉機類型不同，啟閉操作畫面主要分為以下三種：液壓啟閉、螺桿啟閉、卷揚啟閉機。

3.5 系統(tǒng)實驗室聯(lián)調(diào)測試

通過在所搭建的實驗室平臺聯(lián)調(diào)測試，結(jié)果表明：所開發(fā)的長距離輸水遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)各項性能指標達到了設(shè)計要求，各功能滿足長距離輸水自動化系統(tǒng)的要求，完全能用于實際工程中。

4 結(jié)束語

本次開發(fā)的長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的實時性、可靠性、可用性、可擴充性和可維護性，所開發(fā)的基于廣域網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)軟件，能實時響應(yīng)并處理網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點上的各種數(shù)據(jù)存取請求，采用組播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，克服了局域網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)功能的局限性，為系統(tǒng)所需的各種應(yīng)用功能提供綜合性的數(shù)據(jù)和支撐服務(wù)。所開發(fā)的跨中心站、分中心站子系統(tǒng)的全分布式多服務(wù)器負荷平衡管理及冗余互備軟件，通過采用多服務(wù)器負荷平衡管理與冗余互備技術(shù)，實現(xiàn)各服務(wù)器同時工作分擔負荷，并相互備用。每臺服務(wù)器均可定義異地服務(wù)器順序作為備用，通過采用多服務(wù)器冗余互備技術(shù)，徹底解決了特大型系統(tǒng)信息采集點多，通訊數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致的實時性與可靠性問題。

本平臺的功能軟件綜合考慮了長距離輸水集中監(jiān)控系統(tǒng)的各項需求，經(jīng)實驗室聯(lián)調(diào)測試，各項性能指標均能滿足大型長距離輸水工程調(diào)度自動化系統(tǒng)的要求，可用于實際長距離輸水工程中，對提高我國長距離大型輸水工程自動化和安全運行管理水平具有重要和深遠的意義。

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