長距離輸水工程遠方集中監控技術的研究

張玉平，張 毅

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

長距離輸水工程遠方集中監控技術的研究

張玉平，張 毅

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

結合大型長距離輸水工程自動化系統的應用需求，對遠方集中監控系統的系統結構、軟件平臺、控制策略、數據庫、系統維護管理等關鍵技術進行了研究與探討。

長距離輸水工程；遠方集中監控

0 前言

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、系統龐雜、管理復雜、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，充分發揮其巨大經濟效益和社會效益，必須采用先進的自動化控制技術、計算機網絡技術、通信技術，建設一套完善的、先進的遠方集中監控系統對眾多現地無人值班站進行遠方集中管理，實現輸水全線所有泵站現地站的統一自動控制和優化調度。

1 設計原則

根據本單位在大型遠方集中控制系統平臺開發經驗，結合大型長距離輸水工程自動化系統的特點，確立系統設計原則如下：

a)采用基于廣域控制專網的分層分布式開放系統架構，構建跨平臺長距離輸水工程遠方集中監控系統平臺，提高UNIX與Windows兩個平臺軟件的兼容性；

b)廣泛采用國際標準，遵循國家標準、行業標準和有關技術規程、規范，提高系統的標準化、通用化程度；

c)系統功能軟件齊全，充分考慮與其他系統的互聯與數據共享，并為各類高級應用軟件接入提供方便的軟件接口，提高系統的開放性；

d)廣泛采用分布處理技術和冗余技術，實現數據庫及控制功能分布，系統功能分布在網絡的各個節點中，系統內任一節點的故障不影響其余節點的正常工作；

e)為達到“無人值班”，現地站監控系統應具有極高的可靠性，現地站監控系統采用PLC直接上網的結構，取消中間環節，提高整體可靠性能。

f)具有齊全的集成開發工具軟件，提高系統開發效率和產品質量。

2 系統總體結構

大型長距離輸水工程自動化控制系統采用基于廣域控制專網的全計算機控制的分層分布開放式系統結構，系統總體結構分為遠方集中監控層及現地控制層，遠方集中監控層由系統中心站、分中心站監控子系統構成，現地控制層由眾多無人值班的現地站監控子系統構成。中心站、分中心站及現地站各監控子系統依托輸水工程通信和計算機網絡構建廣域控制專網，實現安全可靠的高速廣域網絡連接，形成一個完整的冗余控制專網結構的實時閉環過程控制系統。

大型長距離輸水工程遠方集中監控系統是全線自動化控制系統的重要組成部分，分布在中心站和分中心站的遠方監控系統通過廣域控制專網與各現地站PLC和其它現地測控設備直接通信，完成實時數據采集與處理、遠方集中監測、實時與歷史數據存儲管理等功能，并根據控制權限和控制命令對現地站PLC進行遠方控制。

大型長距離輸水工程自動化控制系統采用開放的分層分布式網絡系統結構，具有良好的擴充性，實際系統結構和硬件設備配置可根據實際輸水工程自動化控制系統規模大小、實際應用需求、總體功能和性能要求進行靈活配置。系統軟件采用分布式模塊化結構，配置及擴充靈活方便。

根據系統功能與可靠性等性能指標要求，中心站和分中心站系統配置建議采用雙重冗余配置的千兆以太網交換機作為主干網絡交換機，計算機系統采用分布式結構，主要設備冗余配置，規模靈活可變，根據工程實際應用要求靈活調整。

為保證遠方集中監控系統的可靠性與實時性，在分中心站通過對采集服務器進行負荷平衡管理與互備冗余配置，實現對分中心站所屬各現地站PLC和其它現地測控設備的通信，完成實時數據采集和控制功能，并負責為遠方集中監控系統及其他下屬部門提供監控和數據庫服務。

為進一步提高數據采集的可靠性，可在中心站配置數據采集服務器，與各分中心站系統的數據采集服務構成冗余熱備系統，當分中心站實時采集服務器均發生故障時，可由中心站配置的采集服務器，接替其工作，實現遠程監控系統與現地站PLC數據采集功能的無擾動自動切換，并負責為中心站、分中心站和其他下屬部門提供監控和數據庫服務。

為了保護用戶的投資和開發的延續性，系統采用跨平臺解決方案，即系統主要的服務器一般采用64位服務器與UNIX操作系統，以確保系統性能和工作的穩定性，完成輔助功能的服務器與工作站可采用PC服務器和Windows操作系統。跨平臺的解決方案是技術發展的必然趨勢。

各遠方集中監控子系統服務器與工作站實際配置應根據應用需要靈活確定。以下為系統的典型配置（圖1）：

圖1 長距離輸水工程自動化控制系統總體結構圖

現地站監控系統采用PLC直接上網的結構，取消中間環節，提高整體可靠性能；各個現地站監控系統也不會因遠方控制級發生故障而影響現地站監控系統各自承擔的監控功能。現地站控制層可與遠程監控系統控制層離線獨立運行。

3 系統軟件平臺

監控系統平臺采用面向服務器的跨平臺分布式系統架構模式實現，可實現分布式環境下高效網絡數據訪問服務器，同時使系統具有很好的靈活性和可擴展性，能適應不同的應用和優化調度模型的需要。

面向服務器已成為當今信息系統的發展方向，其特點是系統軟件由一系列具有特定功能的服務器組成，服務器可以配置在網絡中任意位置的節點上，并可被復制和重復使用，服務器既可獨立運行也可協同工作。采用面向服務器的分布式系統架構不僅使系統軟件結構清晰簡潔，也提高了系統的靈活性與可靠性。

大型長距離輸水工程遠方集中監控系統軟件總體設計廣泛采用分布處理技術和軟硬件冗余技術以提高系統的可靠性，系統功能分布在系統的各個節點上，系統中任何一個計算機節點的應用軟件和服務器可根據用戶實際需求靈活配置，應用軟件和服務器可以配置在網絡中任意位置的節點上，并可被復制和重復使用，既可獨立運行也可協同工作。如數據采集服務器、應用服務器、調度員站或工程師站，各計算機節點根據不同的授權和具體配置實現不同的功能和服務。當任何一個計算機節點出現故障時，可通過自動切換或授權調整實現功能的重新分配。如正常運行時，工程師站不具備現場設備的操作控制權，但經過權限的調整，可以進行控制操作。因此，當一個系統具有多臺計算機節點時，計算機出現全部調試故障的概率可以認為是零，系統永遠是可控的。

目前由于計算機的硬件資源相對豐富，很多原先需要很高配置的設備完成的工作一般計算機均能完成，因此，將現地人機聯系計算機節點的功能也充分提升，基本上可以完成主控級的人機聯系任務，使系統的控制可靠性得到進一步加強。

系統數據庫及控制功能采用分布處理架構，全系統實時數據庫和歷史數據庫分布在中心站和分中心站遠程監控系統計算機中，各現地站單元數據庫分布在各個現地站控制層中，系統功能分布在系統的各個節點上，每個節點嚴格執行指定的任務并通過系統網絡與其它節點進行通信，系統內任一節點的故障不影響其余節點的正常工作，并可通過冗余配置或系統功能的重新分配使受影響的系統局部功能及時恢復；采用冗余配置時，系統中全部冗余設備的檢測及切換由軟件自動完成，必要時也可通過手動切換，切換過程無擾動。

現地站獨立完成實時數據采集，為本現地站更新實時數據庫。負責與PLC和其它節點通信、數據采集與處理、向PLC發送控制指令。這樣，既有利于PLC的安全，又能減輕PLC的負擔，使得系統更安全、穩定、可靠。

4 控制權管理

系統控制方式分為兩種：遠方和現地。現地方式是指在現地站，通過現地站監控系統或手動裝置進行設備的操作控制，此時遠方集中控制功能被閉鎖。只有現地站運行在遠方方式下，中心站、分中心站才可對該現地站均可進行自動控制。

正常情況下，控制方式應該為中心站/分中心站遠方控制方式。

根據輸水業務運行管理的需要，中心站、分中心站和現地站均具備控制功能，系統需為每個現地站建立一個"中心站/分中心站/現地站"控制權切換軟開關，以確保在正常情況下，每個現地站同一時刻均只能有一處獲得其控制權，系統控制權的切換需通過嚴格的控制權管理軟件實現。

現地站系統控制權限最高，分中心站次之，中心站最低。當不同級別的用戶控制同一設備時，控制權限高的用戶優先獲得控制權。現地站可根據實際情況，隨時切換控制權，對本現地站進行現地操作，當遇到緊急情況時，現地站可直接進行緊急處理操作，并發出告警信息。

大型長距離輸水工程監控系統具有控制層次多、被控設備多、操作復雜的特點，在控制權限管理和操作用戶權限管理的基礎上，宜增加調度員站控制范圍設定功能，對每臺調度員站的設備控制范圍進行設定，便于對全線各現地站實現靈活有效的運行管理。

為防止多臺監控終端對同一設備同時操作，系統還應具備操作對象鎖定功能，當某臺監控終端對一設備操作時，通過設置鎖定標志，此時其他調度員站對該設備操作時系統將給出相應提示并閉鎖其對該設備的操作。

5 系統數據庫管理

系統數據分為兩類：實時數據和歷史數據。實時數據為記錄完整生產運行過程數據，包含所有現場實際采集數據和監控系統運行管理數據，按照數據掃描周期存儲，特點是實時性要求高。

歷史數據是根據應用系統的需要，按照不同的周期存儲的定時數據，或按觸發條件存儲的變化報警數據。

(1)實時數據管理

實時數據采用全分布式實時數據庫管理機制，具有方便高效的數據庫數據結構設計和通用開放的接口，提供對當前主流數據庫系統的支持，可根據具體工程應用和用戶需求進行集成。

為最大限度地保證系統的實時性與可靠性，系統平臺中實時數據庫采用獨具特色的全冗余分布式結構，其中中心站實時數據庫包含全線所有現地站的實時數據，分中心站實時數據庫包含本分中心站所屬現地站的實時數據，現地站存儲本站實時數據，可有效地避免實時數據集中存放帶來的可靠性和通信瓶頸等問題。能夠運行在各種Unix，及Windows平臺下，實現實時過程數據的管理和存取。

(2)歷史數據存儲機制

系統的歷史數據服務完成中心站和分中心站遠程現地站監控系統的歷史數據存儲、查詢與維護管理功能，以企業版商用關系型數據庫為后臺數據庫，C/S體系結構，不僅可將實時數據按不同周期自動存入歷史數據庫，形成各類報表數據，而且可以將各類特征數據、報警信息、操作記錄、趨勢記錄等自動存入數據庫，形成各類特征記錄歷史數據。歷史數據可根據工程應用的實際需要進行各類數據表結構設計。

歷史數據服務支持不同的后臺關系數據庫系統，并與系統實時數據庫的運行維護協調一致，具有方便高效的商業關系型數據庫數據表結構設計和通用開放的商業歷史庫接口。

6 系統維護管理

分布式廣域網絡控制系統必須具備完善的系統運行維護、檢測自診斷與自恢復功能，并提供系統運行狀態的遠程集中監測功能，可實時集中監測系統設備、網絡的運行狀況。系統各設備不僅自檢，還通過網絡進行設備間的互檢，出現系統異常情況及時報警，通知運行人員維護處理，并可對某些異常情況進行自動自恢復或冗余部件切換處理。完善的系統自診斷與自恢復功能是實現現地“無人值班”的重要條件。

現地站監控系統是個生產運行控制系統，一般情況下，系統維護不能影響系統的正常運行，并要保證監控服務、PLC系統、各級遠程監控子系統的一致性。因此，必須建立統一的維護管理體系，采用以遠程維護為主的方式，實現監控軟件平臺定義、修改和部署，PLC系統和各級遠程監控子系統的程序更新，及時、快速、準確、高效地完成系統維護工作。

7 結束語

大型長距離輸水工程遠方集中監控系統作為全線自動化控制系統的關鍵系統，具有規模大、控制復雜、技術要求高、難度大的特點，我國現有自主研發系統普遍缺乏工程應用經驗，特別是在大規模長距離輸水工程遠方集中監控技術的研究還存在一定差距，因此結合本單位在城市引水泵站綜合自動化系統項目研究成果、長距離水調自動化工程經驗，以及在大型梯級水電廠遠方集中控制方面的技術優勢，通過對大型長距離輸水工程遠方集中監控關鍵技術難點的研究，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。

TV 736

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1672-5387（2010）03-0050-03

2010-04-28

張玉平(1973-)，女，高級工程師，碩士，主要從事電站計算機監控系統的開發、研制工作。（E-mail∶jskfb@iwhr.com）