銀盤船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 錦，李 欣，張亞軍

（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

烏江銀盤水電站位于烏江干流下游河段，重慶市武隆縣內(nèi)，為烏江干流水電梯級(jí)開發(fā)中的第11 個(gè)梯級(jí)水電站，電站總裝機(jī)容量為600 MW，單機(jī)容量150 MW。其中，船閘設(shè)計(jì)級(jí)別為500 t，航道等級(jí)為IV 級(jí)，2015 年09 月22 日通航運(yùn)行。

銀盤船閘由上閘首、下閘首、放置船舶的閘室、上游引航道、下游引航道、上游人字門、下游一字門、上游和下游輸水門以及控制這些閘門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和電氣控制系統(tǒng)組成。船舶上行的程序是船舶由水電站下游進(jìn)入下游引航道，開啟下游輸水門使閘室泄水與下游水位齊平，打開下閘首一字門，船舶由下游引航道駛?cè)腴l室，關(guān)閉下閘首一字門，開啟上游輸水門使閘室充水與上游水位齊平，打開上閘首人字門，船舶駛出閘室，通過上游引航道進(jìn)入水電站上游。上行程序結(jié)束，進(jìn)入下行程序。船舶下行的程序與此相類似[1]。

1 設(shè)計(jì)原則

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)銀盤船閘工程的要求遵循以下原則：

（1）安全可靠性。在硬件設(shè)計(jì)上，中央控制站與現(xiàn)地子站之間通過環(huán)型光纖工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在軟件設(shè)計(jì)上，選用良好穩(wěn)定性的32 位網(wǎng)絡(luò)MicroSoft WINDOWS XP 中文版操作系統(tǒng)和西門子公司的WINCC V7.0 監(jiān)控組態(tài)軟件，保證了系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)性。

（2）開放性。監(jiān)控軟件和硬件選用開放性平臺(tái)，系統(tǒng)局域網(wǎng)LAN 選用100 M以太網(wǎng)，TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，預(yù)留與電站將來可能出現(xiàn)的其他系統(tǒng)的接口[2]。

（3）易維護(hù)性。在硬件配置設(shè)計(jì)上盡可能統(tǒng)一選型，控制元器件的互換性強(qiáng)，模塊采用即插即用，便于備品備件的統(tǒng)一采購(gòu)和設(shè)備維護(hù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

銀盤船閘控制系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分成中央控制級(jí)和現(xiàn)地控制層[3]。

中央控制級(jí)和現(xiàn)地控制單元之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，并組成冗余環(huán)網(wǎng)，現(xiàn)地控制單元和RIO 單元之間通過profibus DP 網(wǎng)相聯(lián)。

中央控制級(jí)布置于船閘集控室內(nèi)，由操作員站、工程師站、多媒體站組成，中央控制級(jí)的計(jì)算機(jī)單元能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備并能實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)內(nèi)的所有運(yùn)行參數(shù)，供調(diào)閱和查詢。

現(xiàn)地控制層共4 個(gè)，分別布置于上、下閘首的左、右岸，同閘首的左、右兩側(cè)現(xiàn)地站PLC 單元采用熱備系統(tǒng)單元，通過光纖實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備連接。

2.1 硬件配置

銀盤船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)及顯示器、用于連接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)地控制單元的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、廣播通訊工作站和工業(yè)電視管理服務(wù)器、UPS 電源等組成。通過集控室的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)接入以太環(huán)網(wǎng)，接入的設(shè)備有2臺(tái)集控操作員站、1 臺(tái)工程師站、1 臺(tái)通訊工作站及打印機(jī)等設(shè)備，其中，2 臺(tái)集控操作員站互為冗余，充分保證系統(tǒng)的可靠性[4]。

通過與工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)和廣播語音系統(tǒng)的配合使用，運(yùn)行人員可以隨時(shí)掌握通航情況，可為其調(diào)度和指揮提供參考，有效提高通航效率，確保通行安全。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

銀盤船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備單元布置相對(duì)分散，各現(xiàn)地單元之間具有聯(lián)動(dòng)性、互鎖性的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)主體采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)，以光纜作為主通訊介質(zhì)，各單元柜內(nèi)采用光纖作為通訊介質(zhì)，組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)通訊的快速性、準(zhǔn)確性和抗干擾性，能夠適應(yīng)船閘的現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境。

在每個(gè)通訊單元內(nèi)設(shè)置一個(gè)光電轉(zhuǎn)換機(jī)作為鏈接分支器，實(shí)現(xiàn)通訊單元至通訊網(wǎng)絡(luò)的鏈入。

系統(tǒng)的中央控制級(jí)、上閘首左子站、上閘首右子站、下閘首左子站、下閘首右子站等采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)鏈接，以確保系統(tǒng)通訊的可靠性，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

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

2.3 系統(tǒng)硬布線

銀盤船閘控制系統(tǒng)具有急停功能，中控室控制臺(tái)上的紅色急停按鈕可以切斷上下閘首控制柜的控制電源，使液壓?jiǎn)㈤]機(jī)泵站設(shè)備停止運(yùn)行；控制臺(tái)上的紅色緊急關(guān)輸水門按鈕可以發(fā)出關(guān)閉各閘首輸水門的信號(hào)。這兩個(gè)急停按鈕通過控制電纜以硬接線的方式連接至上下閘首各控制柜中。

上閘首左子站的閘門全關(guān)信號(hào)通過硬接線方式接入上閘首右子站系統(tǒng)，與上閘首右子站系統(tǒng)單元側(cè)全關(guān)信號(hào)，二者一起輸出上閘首閘門全關(guān)指令，并將此信號(hào)通過硬接線方式輸送給下閘首左、右子站系統(tǒng)。下閘首系統(tǒng)的硬接線同上閘首系統(tǒng)相類似。

3 軟件功能

銀盤船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件是船閘控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心，負(fù)責(zé)整個(gè)船閘控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、啟閉閘門及通航指揮燈的流程控制等，具有控制和監(jiān)視雙重作用。還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、船閘的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行屏幕顯示、事件順序記錄、時(shí)鐘同步、事故處理及恢復(fù)操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、記錄及歷史報(bào)表打印、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理、軟件開發(fā)及培訓(xùn)等功能。

3.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

啟動(dòng)監(jiān)控軟件，進(jìn)入上位監(jiān)控系統(tǒng)后，首先進(jìn)入監(jiān)控主畫面，主畫面顯示船閘主要數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)監(jiān)控主畫面如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

船閘運(yùn)行主畫面是軟件的核心畫面，船閘的當(dāng)前信息，操作控制和關(guān)鍵設(shè)備的主要運(yùn)行狀態(tài)都集中在該畫面中，畫面顯示船閘運(yùn)行期間主要參數(shù)，運(yùn)行以動(dòng)畫的方式顯示船閘系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，操作人員無需頻繁切換畫面就可以了解整個(gè)船閘的的運(yùn)行狀態(tài)。畫面整體由側(cè)視和俯視兩張圖構(gòu)成，從兩個(gè)不同的角度反映了船只過閘情況，每張圖都體現(xiàn)出了應(yīng)有的結(jié)構(gòu)。鑒于主畫面的使用頻率最高，所以一些主要的、需要長(zhǎng)期觀察的數(shù)據(jù)在主畫面中體現(xiàn)出來，如閘門開度和狀態(tài)、各側(cè)水位高程、交通指揮燈狀態(tài)、報(bào)警信息等。

通過在系統(tǒng)監(jiān)控主畫面中選擇系統(tǒng)操作控制欄中的相關(guān)選項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)備、船閘的自動(dòng)上行和下行、船閘的單步上行和下行、方式清除、下班停運(yùn)等控制功能。

3.2 操作安全保護(hù)

銀盤船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為了確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，防止誤操作引發(fā)的通閘事故，不論在“自動(dòng)”下的“集控”、“現(xiàn)地”或“檢修”工作狀態(tài)，本系統(tǒng)都具有上下閘首互鎖保護(hù)功能，下閘首一字門和輸水門全部關(guān)閉到位后，上閘首人字門或輸水門才能開啟；同樣，上閘首人字門和輸水門全部關(guān)閉到位后，下閘首一字門或輸水門才能開啟。

系統(tǒng)軟件還設(shè)置了誤操作報(bào)警及自動(dòng)保護(hù)，對(duì)于違反船閘運(yùn)行流程的操作不予執(zhí)行，提示操作員注意。

3.3 故障報(bào)警功能

報(bào)警畫面是構(gòu)成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成頁面，用來實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象、環(huán)境及工況的各種非正常狀態(tài)。報(bào)警時(shí)間一般根據(jù)事件的緊急程度和嚴(yán)重程度分級(jí)，對(duì)于正常事件、一般事件、嚴(yán)重事件進(jìn)行分類處理，并采用不同背景色，前景色及警報(bào)聲音等組合來表達(dá)，幫助運(yùn)行人員正確處理各類信號(hào)[5]。

銀盤船閘報(bào)警畫面包括故障報(bào)警彈出窗、實(shí)時(shí)故障報(bào)警記錄框、報(bào)警燈顯示、歷史報(bào)警記錄及查詢，通過輸入不同查詢條件可以切換不同報(bào)警，也可以添加、修改及刪除報(bào)警查詢條件，通過修改查詢條件可以切換到歷史報(bào)警，保證了船閘運(yùn)行的可追溯性，便于查詢維修，系統(tǒng)報(bào)警畫面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)報(bào)警畫面

3.4 歷史事件查詢和分析

通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件中的歷史趨勢(shì)分析窗口，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，實(shí)時(shí)跟蹤和歷史查詢。實(shí)時(shí)跟蹤是用來監(jiān)控當(dāng)前動(dòng)態(tài)點(diǎn)的變化趨勢(shì)；歷史查詢則用來表達(dá)某動(dòng)態(tài)點(diǎn)值在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)過程。趨勢(shì)頁面一般用來觀察模擬量值，反映出設(shè)備在運(yùn)行時(shí)各參數(shù)之間的變化關(guān)系以及設(shè)備是否發(fā)生突變，進(jìn)而直接展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的全過程。

對(duì)于每個(gè)現(xiàn)地子站的重要模擬量數(shù)據(jù)，如上下游及閘室水位值、上游人字門、下游一字門、輸水門的開度值等，監(jiān)控系統(tǒng)均配置實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線，歷史曲線可以放大、縮小并通過查詢區(qū)間來觀察不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)變化信息，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線如圖4。

圖4 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線

4 結(jié)語

銀盤船閘位于烏江下游河段，上游接彭水水電站。它的投入運(yùn)行，標(biāo)志著從武隆至彭水段由于電站的建設(shè)而中斷的烏江航道恢復(fù)了通航。船閘經(jīng)過3 年多的運(yùn)行，表明該系統(tǒng)的監(jiān)控畫面顯示齊全、系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、控制程序邏輯動(dòng)作正確，配置的硬件合理，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠，滿足了船閘設(shè)備監(jiān)控和安全運(yùn)行的要求。通航實(shí)踐說明，該系統(tǒng)是一套較先進(jìn)的船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了船閘生產(chǎn)運(yùn)行的預(yù)期效果。