大伙房輸水工程實驗平臺系統(tǒng)設計

楊旭前

（遼寧大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧沈陽110166）

大伙房輸水工程實驗平臺系統(tǒng)設計

楊旭前

（遼寧大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧沈陽110166）

本文所述實驗平臺基于AB公司的Control Logix系列PLC設計，采用全冗余配置，模擬原大伙房SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了其基本功能，是工程運行維護人員培訓與實踐的重要工具，對保障大伙房輸水工程SCADA系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要作用。

大伙房輸水工程；實驗平臺；設計

1　引言

遼寧省大伙房水庫輸水工程從遼寧東部山區(qū)引水，向遼寧中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連7座城市供水，惠及人口上千萬，被稱為遼寧人民的生命線工程［1］。該工程由計算機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱大伙房SCADA系統(tǒng)）負責對全線主要機電設備的監(jiān)視、控制與調節(jié)，對整個工程的運行管理起著至關重要的作用。

大伙房SCADA系統(tǒng)具有監(jiān)視數(shù)據(jù)與控制對象多、控制方式復雜、專業(yè)性強的特點。原系統(tǒng)已經設計完成且通過測試，于2010年11月正式投入使用，而部分系統(tǒng)維護人員及工程運行人員沒有原系統(tǒng)設計開發(fā)的相關經驗。維護大伙房SCADA系統(tǒng)需熟知其結構原理及相關專業(yè)知識，運行維護人員需長時間積累相關經驗。同時，為了維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行，更不可能頻繁地在原系統(tǒng)上對新入職的運行維護人員進行教育與培訓工作，新入職的運行維護人員對系統(tǒng)沒有全面認識且得不到充分的實踐機會。如果搭建同一套系統(tǒng)用于培訓無論從成本還是時間上來看都顯得不切實際，正是在這種情況下開發(fā)設計一套專門用于運行維護人員培訓與實踐的實驗平臺就變得尤為重要。

2　實驗平臺設計方案

2.1原SCADA系統(tǒng)簡介

大伙房SCADA系統(tǒng)由沈陽調度中心、取水頭部、撫順配水站、沈陽一配水站、沈陽二配水站、遼陽配水站、鞍山加壓泵站、營盤配水站共8個計算機控制子系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)又由上位機系統(tǒng)和現(xiàn)地控制單元兩部分組成。上位機系統(tǒng)由操作員工作站（OP機）、通信工作站（COM機）、報警工作站（ALM機）等計算機設備組成，主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、語音報警、系統(tǒng)外部通信等功能。現(xiàn)地控制單元由CCU、LCU組成，主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、設備控制與調節(jié)、與主控級通信、智能設備數(shù)據(jù)通信等功能［2］。

為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，原SCADA系統(tǒng)采用多重冗余設計。調度中心與分中心之間、分中心上位機與LCU之間的通信網(wǎng)絡采用雙以太網(wǎng)絡通信，重要上位機設備如操作員站、主機、通信服務器、數(shù)據(jù)服務器均采用雙機配置，主、備運行；下位機LCU、CPU采用全冗余配置，雙CPU模件、雙以太網(wǎng)模件，兩套冗余控制器配置完全相同；下位機LCU與CCU之間的通信采用雙Control Net網(wǎng)絡進行冗余通信［3］。大伙房SCADA系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　大伙房水庫SCADA系統(tǒng)結構

2.2實驗平臺系統(tǒng)設計

大伙房輸水工程實驗平臺既需要較好地模擬原SCADA系統(tǒng)的運行情況，又需要考慮節(jié)約成本問題。因此，該實驗平臺設計時采用了與原SCADA系統(tǒng)相同的系統(tǒng)結構并進行了適當簡化。由于原SCADA系統(tǒng)中7個配水站子系統(tǒng)在地位上是同等的關系，而在調度中心子系統(tǒng)全線控制下協(xié)調工作，因此，平臺設計單個控制系統(tǒng)來模擬原SCADA系統(tǒng)運行情況。

實驗平臺由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分組成。上位機系統(tǒng)僅選取具有代表性的操作員工作站和報警工作站，用于圖形界面的顯示、控制命令下發(fā)、語音報警和下位機維護等。下位機系統(tǒng)僅由CCU組成，負責數(shù)據(jù)采集與處理、設備控制與調節(jié)等功能。原SCADA系統(tǒng)中的LCU為CCU的遠程IO單元，僅負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集并上傳給CCU。在實驗環(huán)境中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)均由實驗模擬產生，無需進行遠距離采取，因此，在實驗平臺下位機系統(tǒng)設計中，將LCU的數(shù)據(jù)采集功能整合在CCU機架上，數(shù)據(jù)采集模塊和CCU間采用雙Control Net網(wǎng)進行通信。同時，實驗平臺的下位機系統(tǒng)由兩臺配置完全相同的CPU模件、以太網(wǎng)模件和冗余控制器組成，以實現(xiàn)系統(tǒng)的全冗余運行。這樣，當兩套CPU之一發(fā)生故障時，可以保證系統(tǒng)無擾動的切換到另一CPU運行。整個上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)間的通信網(wǎng)絡采用雙以太網(wǎng)。實驗平臺系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2　實驗平臺系統(tǒng)結構

2.3實驗平臺系統(tǒng)配置

實驗平臺并不需要長時間連續(xù)工作，因此，上位機采用DELL公司的OPTIPLEX臺式機替代原SCADA系統(tǒng)中的HP服務器。上位機的操作系統(tǒng)配置為操作員工作站采用的Linux系統(tǒng)，而報警工作站采用WinSever2008系統(tǒng)。上位機監(jiān)控平臺則使用與原系統(tǒng)相同的NC2000計算機監(jiān)控軟件。

下位機系統(tǒng)中CCU的核心控制器采用羅克韋爾公司生產的 Control Logix系列PLC，采用冗余模件（1756-SRM）對系統(tǒng)進行冗余配置，通過以太網(wǎng)模塊（1756-ENBT）進行上下位機間的以太網(wǎng)通信。采集模塊與CCU間通信則選用雙網(wǎng)絡Control Net模塊（CNBR1756-CNBR/E）進行。數(shù)字信號的輸入和輸出由開入模塊（1756-IB32/B）和開出模塊（1756-OB32）完成，而模擬信號的處理則由模入模塊（1756-IF8/16）和模出模塊（1756-OF8）負責。最后下位機人機界面采用AB公司的Panel Plus系列觸摸屏。

所有上、下位機的系統(tǒng)配置均采用與大伙房SCADA系統(tǒng)相同或相兼容的設備，并做了適當?shù)暮喤洌@樣既在功能上做到模擬原系統(tǒng)運行情況又能節(jié)約成本。

2.4實驗平臺功能開發(fā)

2.4.1模擬監(jiān)控功能開發(fā)

大伙房水庫輸水工程全線主要水利節(jié)點的監(jiān)視與控制，是工程運行人員的重要工作之一。新入職的運行人員對工程整體概況及大伙房SCADA系統(tǒng)不熟悉，不能立即掌握大伙房SCADA系統(tǒng)的操作方法，使用實驗平臺培訓是熟悉了解原系統(tǒng)的途徑之一，因此，實驗平臺的基本功能就是對輸水工程主要水利節(jié)點的模擬監(jiān)視與控制。

實驗平臺上位機監(jiān)控界面中模擬顯示了輸水工程一段管線并對其進行監(jiān)視，同時，實現(xiàn)了與原SCADA系統(tǒng)相同的控制功能。監(jiān)視節(jié)點選擇管線中的閥門前后壓力、流量、高程、閥門開度等主要水利數(shù)據(jù)進行顯示，而控制操作模擬實現(xiàn)了調度命令的下發(fā)、閥門的開關設置、泵組的啟停操作、語音報警系統(tǒng)修改等控制命令。新運行人員通過在實驗平臺上的模擬監(jiān)控操作可以更快地適應今后的日常工作。

2.4.2模擬維護功能開發(fā)

保障大伙房SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，是工程維護人員的重要工作，通過實驗平臺進行模擬維護是提高維護人員專業(yè)技能的方法之一。在實驗平臺的設計搭建過程中，維護人員親自參與到平臺的搭建工作中，可以更加深刻理解整個系統(tǒng)的工作原理。同時，上位機的所有監(jiān)控數(shù)據(jù)均采用模擬輸入，如數(shù)字量的開入短接、信號發(fā)生器模擬輸入、組態(tài)中強制等方法，而輸出信號則采用萬用表、示波器等采集設備顯示。這樣任何信號的輸入與輸出都是直觀可見并可重復的，通過對輸入信號的模擬和輸出信號的測量，輔助相關講解和說明，維護人員可以更好地了解各種信號原理及整個系統(tǒng)的信息傳遞過程和運行情況。

整個實驗平臺PLC程序和觸摸屏程序都采用原SCADA系統(tǒng)的標準程序框架來編寫，并配有相關開發(fā)流程的說明文檔及備份程序，維護人員可以在此程序框架的基礎上進行仿真開發(fā)。例如模擬某個控制對象，并對其進行模件的組態(tài)與配置、控制流程的管理、采集數(shù)據(jù)的處理等系統(tǒng)程序編寫及下位機觸摸屏程序的開發(fā)。通過仿真開發(fā)，維護人員可以更加深入地了解SCADA系統(tǒng)中PLC程序的架構思想及觸摸屏程序的組態(tài)方法和工作原理。

通過硬接線短接、模擬信號異常輸入、程序內修改等手段，實驗平臺可以對系統(tǒng)常見故障進行模擬。維護人員通過對這些常見故障進行排查和處理，可以更深刻地理解此類故障發(fā)生機理，為今后處理類似問題打下良好的基礎。

3　結語

模擬實驗平臺的搭建完成，使運行維護人員得到充分的認知和實踐鍛煉機會，能更加深入透徹地了解整個系統(tǒng)的工作原理與運行情況，促使運行人員日常操作更加熟練，保證維護人員對系統(tǒng)故障及時進行排查與處理，對整個輸水工程安全穩(wěn)定運行具有重要作用。■

［1］宋放.大型輸水工程調度中心與各配水廠通信方案應用研究［J］.中國水能及電氣化，2015（5）:38-41.

［2］戴娜，羅招貴，周林虎，等.大伙房長距離輸水工程SCADA系統(tǒng)設計［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34（2）: 80-84.

［3］張百敏，倪健，宋智.大伙房輸水工程SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及現(xiàn)地控制單元設置［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34（5）:14-17.

［4］李可，杜昆祥.輸水工程控制系統(tǒng)遠程通信方案［J］.中國水能及電氣化，2014（6）:31-34.

Design of experiment platform system in Dahuofang Water Conveyance Project

YANG Xuqian
（Liaoning Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project Construction Bureau，Shenyang 110166，China）

The experiment platform described in the paper is designed based on Control Logix series PLC of AB Company. Full redundant configuration is designed for simulating Dahuofang SCADA system.The platform’s basic functions are realized.It is an important tool for training and practicing engineering operation maintenance personnel，and has important role in ensuring stable operation of SCADA system in Dahuofang Water Conveyance Project.

Dahuofang Water Conveyance Project；experiment platform；design

TV672

B

1005-4774（2016）05-0030-03

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.008