景洪水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張亞軍，王 洋，何慶周，王虎軍

（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

景洪水電廠位于云南省西雙版納州景洪市北郊約5 km 的瀾滄江干流，是瀾滄江干流中下游為兩庫(kù)八級(jí)開發(fā)方案的第6級(jí)，由5 臺(tái)單機(jī)容量為350 MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組組成，總裝機(jī)容量為1750 MW。

景洪水電廠水力式升船機(jī)的過船噸位為500 噸級(jí)，全程升或降時(shí)間約17 分鐘，最大提升高度為66.86 m，年貨運(yùn)量約124.5 萬 t。

該升船機(jī)的工作原理是以水能作為提升動(dòng)力，通過開啟充、泄水閥對(duì)豎井內(nèi)進(jìn)行充泄水，調(diào)節(jié)豎井內(nèi)浮筒平衡重側(cè)浮力，驅(qū)動(dòng)浮筒平衡重的升降，帶動(dòng)承船廂升降運(yùn)行，當(dāng)豎井充水時(shí)，驅(qū)動(dòng)浮筒平衡重升起，驅(qū)動(dòng)承船廂下降；反之，豎井泄水時(shí)，浮筒平衡重下降，驅(qū)動(dòng)承船廂上升，從而實(shí)現(xiàn)船舶在上下游水位高達(dá)近68 m 落差間的通行[1]。

1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)景洪水力式升船機(jī)工程的特殊要求，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）安全可靠性。在硬件方面，現(xiàn)地LCU 子站采用雙環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，操作員站和所有現(xiàn)地LCU 子站PLC 的雙機(jī)熱備方案，以實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換和增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)功能。在軟件設(shè)計(jì)上，采用成熟而又可靠性高的基于NT 構(gòu)架的安全加固操作系統(tǒng)平臺(tái)和功能強(qiáng)大的監(jiān)控組態(tài)軟件，且支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。

（2）技術(shù)先進(jìn)性。升船機(jī)工程在國(guó)內(nèi)外業(yè)界具有很大的影響力，它應(yīng)用了國(guó)際上先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，體現(xiàn)出了我國(guó)水電工程自動(dòng)化的高水準(zhǔn)，在考慮采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還考慮了技術(shù)的成熟性。系統(tǒng)的配置與選型、網(wǎng)絡(luò)的型式與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，均符合計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，配置的高檔次產(chǎn)品，保證了今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性。

（3）可擴(kuò)充性。監(jiān)控軟件、硬件平臺(tái)選用開放性平臺(tái)，以保證系統(tǒng)的互聯(lián)性以及系統(tǒng)擴(kuò)展和設(shè)備更新時(shí)的軟件可移植性[2]。系統(tǒng)留有與電廠通航集中調(diào)度系統(tǒng)的接口以及與電廠廠房計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、變電所繼電保護(hù)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電站MIS 系統(tǒng)的接口。局域網(wǎng) LAN 選用 100 M 以太網(wǎng)，IEEE802.3 u，TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。

2 系統(tǒng)功能

景洪水力式升船機(jī)控制系統(tǒng)由主控層和現(xiàn)地層構(gòu)成。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)屬于主控層，是指揮管理中心，負(fù)責(zé)整個(gè)升船機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、流程控制、單機(jī)構(gòu)調(diào)試以及通航指揮的控制等。具有升船機(jī)自動(dòng)控制、人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)時(shí)鐘同步、故障報(bào)警及應(yīng)對(duì)處理、歷史數(shù)據(jù)管理、與上級(jí)調(diào)度以及與其它控制系統(tǒng)間的通信等功能。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

景洪水力式升船機(jī)的控制系統(tǒng)采用雙以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)采用客戶機(jī)服務(wù)器模式和無主對(duì)等模式的設(shè)計(jì)。

主控層設(shè)置主機(jī)操作員工作站、工程師/培訓(xùn)工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度通訊服務(wù)器以及打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

現(xiàn)地控制層，按地理位置及控制功能相對(duì)集中原則，設(shè)置了4 個(gè)子站，分別為：驅(qū)動(dòng)LCU 子站、承船廂LCU 子站、上閘首LCU 子站和公用LCU 子站，其中驅(qū)動(dòng)LCU 子站由八個(gè)子站和一個(gè)本地站組成，主要完成承船廂的升降功能；承船廂LCU 子站由六個(gè)子站和一個(gè)本地站組成，主要完成承船廂內(nèi)設(shè)備的上下游對(duì)接和解除對(duì)接功能；上閘首LCU 子站由三個(gè)子站和一個(gè)本地站組成，主要完成上游航道內(nèi)設(shè)備的對(duì)接和解除對(duì)接功能；公用LCU 子站由一個(gè)本地站組成，主要完成供配電設(shè)備、直流系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的采集和處理。

3.1 硬件配置

景洪水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主控層通過集控室的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)接入環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步連接，接入的設(shè)備有2臺(tái)操作員工作站、1 臺(tái)工程師工作站、2 臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、1 臺(tái)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及2 臺(tái)打印機(jī)等設(shè)備[3]。

在升船機(jī)計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)，配套的設(shè)備還有中控室配電柜、2臺(tái)冗余UPS 和計(jì)算機(jī)控制臺(tái)，控制臺(tái)上放置有火災(zāi)報(bào)警計(jì)算機(jī)、GPS 時(shí)鐘、無線電臺(tái)、電話調(diào)度臺(tái)、廣播通訊工作站和工業(yè)電視管理服務(wù)器等設(shè)備。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

景洪水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主控層和現(xiàn)地層的各層通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入以太環(huán)網(wǎng)中[4]。

升船機(jī)各設(shè)備控制單元首先通過MB+ 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和相應(yīng)LCU 子站的數(shù)據(jù)交換，再通過LCU 子站實(shí)現(xiàn)和主控層設(shè)備的間接數(shù)據(jù)交換[5]。

中控室的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，顯示網(wǎng)絡(luò)故障中斷的地點(diǎn)，便于維護(hù)人員快速查找故障點(diǎn)進(jìn)行維修，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.3 軟件組態(tài)

景洪水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的2 臺(tái)操作員工作站、1 臺(tái)工程師工作站、2 臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和1 臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器安裝了完整的Windows XP Professional SP3 操作系統(tǒng)和所有相關(guān)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，在C 盤中存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和安裝應(yīng)用軟件，D 盤中存儲(chǔ)升船機(jī)監(jiān)控程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)、各LCU 子站PLC 程序及工程師文件，E 盤中存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)各設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件和所需的應(yīng)用軟件等。

4 監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

景洪水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件運(yùn)行于Wonderware 公司InTouch10.1 的Window Viewer 運(yùn)行平臺(tái)和IO Server 軟件。操作員工作站啟動(dòng)后，相關(guān)軟件能夠自動(dòng)運(yùn)行，無需操作人員干預(yù)。

4.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視

操作員登陸的升船機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控主畫面，見圖2。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

主畫面由菜單區(qū)、運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)、操作命令區(qū)、實(shí)時(shí)信息登錄區(qū)、緊急處理命令區(qū)、信息顯示區(qū)、運(yùn)行參數(shù)顯示區(qū)和運(yùn)行動(dòng)畫顯示區(qū)等區(qū)域組成。

菜單區(qū)通過下拉菜單實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面切換等功能，運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)域顯示計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)地各子站當(dāng)前工作方式及運(yùn)行狀態(tài)，操作命令區(qū)顯示計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制方式、運(yùn)行工況及各工況下的操作命令，其中各工況操作命令在同一區(qū)域顯示，實(shí)現(xiàn)互鎖，避免誤操作，實(shí)時(shí)信息登錄區(qū)實(shí)時(shí)顯示升船機(jī)系統(tǒng)操作、運(yùn)行及故障信息。

緊急處理命令區(qū)布置緊急關(guān)閉上游事故門和下游事故門、快速關(guān)閉充、泄水閥門等命令，以應(yīng)對(duì)緊急情況下的操作。信息顯示區(qū)顯示計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等當(dāng)前信息，運(yùn)行參數(shù)顯示區(qū)顯示升船機(jī)運(yùn)行期間主要參數(shù)。運(yùn)行動(dòng)畫顯示區(qū)以動(dòng)畫的方式顯示升船機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 系統(tǒng)操作安全保護(hù)功能

景洪水電廠水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為了確保升船機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠，避免誤操作，在軟件中設(shè)計(jì)了各種類型的確認(rèn)、操作閉鎖及保護(hù)措施。

對(duì)于一些關(guān)鍵操作，處于安全考慮，軟件設(shè)置了再次確認(rèn)環(huán)節(jié)，以再次提醒操作員注意。

對(duì)于違反升船機(jī)運(yùn)行流程的操作，軟件設(shè)置了自動(dòng)保護(hù)，不予執(zhí)行，同時(shí)報(bào)警提示操作員注意[6]。

4.3 系統(tǒng)故障處理

針對(duì)升船機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障報(bào)警采取了多種處理方法，包括重大故障報(bào)警彈出報(bào)警窗、實(shí)時(shí)故障報(bào)警登錄、報(bào)警指示燈顯示、報(bào)警信息查詢、歷史報(bào)警記錄及查詢，同時(shí)還允許操作員根據(jù)各子站報(bào)警內(nèi)容對(duì)各子站報(bào)警進(jìn)行復(fù)位嘗試。

當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)，操作員可以通過軟件緊急處理命令區(qū)下發(fā)緊急關(guān)閉上游事故門和下游事故門以及快速關(guān)閉充、泄水閥門等操作。

如果在發(fā)生事故時(shí)，控制系統(tǒng)未能進(jìn)行相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，操作員還可以通過中央控制臺(tái)上的硬急停按鈕進(jìn)行操作，以確保人員和設(shè)備的安全。

4.4 歷史事件查詢

通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件中的歷史事件查詢窗口，可以對(duì)歷史事件按照時(shí)間、操作人員、報(bào)警組等條件進(jìn)行篩選，歷史事件查詢窗口，見圖3。

圖3 歷史事件查詢窗口

通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件中的歷史趨勢(shì)分析窗口，可以對(duì)特定標(biāo)記名的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，在歷史趨勢(shì)設(shè)置對(duì)話框內(nèi)可以設(shè)置要進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)標(biāo)記名、時(shí)間段、曲線顏色、最大值、最小值等參數(shù)，在歷史趨勢(shì)分析窗中以曲線方式顯示出設(shè)定段的數(shù)據(jù)，通過調(diào)整選型可以對(duì)曲線進(jìn)行放大、縮小、上移、下移等操作。

4.5 歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)取功能

景洪水電廠水力式升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了導(dǎo)取歷史數(shù)據(jù)功能，其數(shù)據(jù)涵蓋了升船機(jī)大部分模擬量數(shù)據(jù)，如64 根驅(qū)動(dòng)均衡油缸調(diào)平和64 根承船廂調(diào)平油缸的壓力和位移、64套浮筒鎖定設(shè)備的狀態(tài)、16 臺(tái)導(dǎo)向荷重、12 臺(tái)同步軸扭矩等，歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)取界面，見圖4。

圖4 歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)取界面

5 結(jié)語

景洪水力式升船機(jī)是一臺(tái)世界首創(chuàng)、中國(guó)原創(chuàng)的升船機(jī)。這里從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)著手，分析了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件配置以及監(jiān)控、控制等功能。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)容錯(cuò)和冗余功能、硬件配置合理、監(jiān)控內(nèi)容齊全、控制功能動(dòng)作正確，是一套較先進(jìn)的升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、防止誤操作的設(shè)計(jì)邏輯正確，完全滿足對(duì)升船機(jī)設(shè)備監(jiān)控和安全控制的要求，經(jīng)過近2 年的運(yùn)行，達(dá)到了升船機(jī)預(yù)期的生產(chǎn)運(yùn)行效果。