長距離輸水自動化系統的功能與實現

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，經常出現南澇北旱的局面。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，實現輸水全線所有現地泵（閘）站的統一自動控制和優化調度。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有限公司設立研究專項對長距離輸水遠方集中監控技術進行研究與開發。

長距離輸水遠方集中監控系統總體方案設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的平臺軟件的功能與具體實現。

1 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。

現地無人值班站監控系統采用PLC直接上網的結構，取消中間環節，提高整體可靠性能。遠方集中監控層可直接與各PLC網絡通信實現對現地站的數據采集與控制功能；同時，現地站控制層也具備與遠程監控系統控制層離線獨立運行功能，各現地站本地監控系統功能不會因遠方控制級發生故障而影響。

2 系統功能

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

2.1 身份驗證與權限判斷

監控用戶和調度系統使用監控系統時，首先要獲得系統對用戶身份的確認，并根據各用戶具有的權限完成相應的操作。監控系統在進入和執行操作時都要進行用戶權限的判斷，只有具有該項操作權限的用戶才能完成操作。

2.2 數據采集與處理功能

系統平臺具有高性能的大容量海量數據的實時采集與處理功能，實現對全線所有閘站工情水情的實時采集，包括各類閘門、閥門、中心開關站。現場數據從閘站現地PLC直接采集，因遠程監控系統對閘站運行狀況和環境參數的需要與現地監控系統完全相同，它們對閘門的監測量也是完全一致的。具體監測量可根據工程的實際需要靈活調整。

2.3 實時安全監測與告警

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

2.4 現地站控制

系統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，可實現對所有閘站的控制，遠程閘站監控系統通過閘站現地的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）站現地的監控系統進行調節。以打開和關閉兩種狀態對分水閥進行控制。

2.5 數據存儲與備份

系統平臺應提供高效的數據存儲與備份功能，可滿足實時數據和歷史數據的存儲需要，實時數據為記錄完整生產運行過程數據。歷史數據是從實時數據中產生的，其中，時段數據主要是指定時(如10 min)存儲的數據，特征數據是根據應用系統的需要，滿足某些特征條件的數據。控制目標與指令數據則記錄操作員指令數據以及調度系統下達的目標數據。所有數據均能實現不間斷熱備。

2.6 查詢與統計

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

2.7 系統時鐘同步管理

長距離輸水系統所控制的對象分布范圍廣，距離遠，更需要做好整個系統的時鐘同步管理。接收衛星時鐘信號源的時鐘信號，通過NTP網絡對鐘協議實現長距離輸水自動化系統所有服務器、工作站的時鐘同步。

3 系統的實現

為了驗證總體設計方案的可行性，并測試所開發軟件的平臺性能，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、現地閘站之間通過路由器連接，搭建長距離輸水系統實驗室測試環境。

3.1 系統硬件結構

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分層分布式系統結構，具有良好的擴充性，系統硬件設備可根據系統規模和用戶的實際應用需求，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，實際配置應根據應用要求靈活調整。

跨平臺的解決方案是技術發展的必然趨勢。當今自動化監控系統所使用的主流操作系統大致分為兩類，即UNIX和Windows，兩者各有優勢。為了保護用戶的投資和開發的延續性，系統必須提供跨平臺解決方案，即系統主要的服務器一般采用64位RISC服務器與UNIX操作系統，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，各服務器與工作站實際配置應根據應用需要靈活確定。

實驗室測試系統硬件結構圖如圖1：

圖1 長距離輸水工程自動化控制系統總結構圖

3.2 系統平臺軟件開發

系統平臺軟件研制開發工作是結合本單位在城市引水泵站綜合自動化、水調自動化系統的工程經驗，以及在大型梯級水電廠遠方集中控制方面的技術優勢，充分考慮大型長距離輸水工程調度自動化系統各種運行方式，遠程網絡方案，運行監視、控制及系統應用功能要求，在大型調度自動化系統基礎上開展的。主要進行了下列關鍵技術的研究開發工作。

3.2.1 數據采集與處理軟件的設計與開發

目前的大型調度自動化系統經過多年的研究開發，已具備特大型系統海量數據高可靠與高實時性采集能力，在高數據精度、豐富數據屬性、數據趨勢報警、三態點及智能報警處理等方面的研究開發顯著提高了系統的數據處理功能。

系統現有數據采集與處理軟件主要應用在局域網范圍內，通常站點較少，但每個站點的數據量較大；而長距離輸水工程具有線路長、覆蓋范圍大，現場站點數量多，但每個站點的數據量較少的特點，且必須通過廣域網進行數據采集與處理。因此，本次研發是在現有的基于局域網數據采集與處理軟件的基礎上，針對長距離輸水工程的應用需求，開發了適合于現場站點數量多、廣域網應用環境的數據采集與處理功能軟件。

數據采樣周期根據系統性能參數要求和實際應用需要進行設置。故障、事故報警信號隨機優先傳送，為提高系統的實時性，模擬量無變化時不傳送，當變化超過傳送死區時傳送；狀態量有狀變時才傳送；數據采集分為周期式和隨機式兩種方式。

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

3.2.2 全分布式多服務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控系統中，由分布配置在中心站、分中心站的實時監控采集服務器完成與全線各閘站PLC和其它節點的通信，為全線系統提供實時數據監測、閘門控制和數據存儲服務。實時監控采集服務器是整個監控系統平臺的關鍵節點，因站點數量眾多，系統工作負荷很重，必須具有很高的可靠性和數據處理能力，不能因某臺服務器故障停機造成全線或局部監控功能的喪失。

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

3.2.3 全冗余的監控系統網絡通訊服務

大型長距離輸水工程調度自動化系統及遠方集中監控系統采用分層分布式系統結構，系統功能分布在網絡的各節點上，由系統網絡通訊服務來完成監控系統內部各節點設備之間的通訊，完成數據的存儲和管理以及提供網絡數據訪問服務，實現對系統各類實時和歷史數據的存儲和管理。

現有的大型調度自動化系統網絡通訊服務是基于局域網的，通過開發實現了廣域網環境下的網絡通訊服務，為保證系統各節點實時數據庫和記錄區的實時性與可靠性，系統通過數據包編號、冗余傳輸等技術方法，使各節點在任何一條網上都可實時收到全部數據，實現了完全的雙網冗余，目前只要確保有一個網絡正常即可，且無網絡切換時間。

3.2.4 無人值班現地站的綜合自動化系統接入研究

大型長距離輸水工程自動化控制系統擁有數量眾多現地控制站，這些現地控制站基本均按照無人值班設計，其可靠接入是全線綜合自動化系統穩定、可靠運行的基礎，為保證無人值班現地控制站可靠接入遠方集中監控系統，需選用具有直接上網功能的LCU控制器產品。因每個現地閘站數據點不多，且LCU控制器產品高速(100Mbps)網絡接口，支持多網絡連接，因此現地控制站和遠方集中監控系統均可通過與LCU控制器直接建立網絡連接，各自獨立的完成數據采集與控制功能，避免因數據轉發而帶來的可靠性和實時性等問題。

為了保證數據和控制的安全，制定如下原則：

現場數據由現地控制站和遠方集中監控系統同時獨立進行采集，以保證數據采集的實時性與可靠性；控制方面，根據調水業務需要，正常情況下，只有遠方集中監控系統和現地閘站有控制權，且現地閘站級別最高，分中心次之，中心站最低。當不同級別的用戶控制同一設備時，級別高的用戶優先獲得控制權。遠方集中監控系統與現地監控系統對閘門控制權限的判定由PLC負責完成。而控制命令由有控制權的遠方集中監控系統計算機節點設備發出，經校驗正確后，采用點對點方式送至相應LCU節點，這樣就在很大程度上保證LCU的數據安全。

3.3 系統人機界面主框架設計

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

圖2 人機界面

監控的點包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態、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，其中節制閘和倒虹吸閘使用的是液壓啟閉機，數據庫中另外增加液壓系統運行信息，包括：液壓系統壓力偏高、液壓系統壓力偏低等。

3.4 系統功能畫面設計

圖3 功能畫面

功能畫面包括：

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

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

根據啟閉機類型不同，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 系統實驗室聯調測試

通過在所搭建的實驗室平臺聯調測試，結果表明：所開發的長距離輸水遠方集中監控系統各項性能指標達到了設計要求，各功能滿足長距離輸水自動化系統的要求，完全能用于實際工程中。

4 結束語

本次開發的長距離輸水工程遠方集中監控系統具有良好的實時性、可靠性、可用性、可擴充性和可維護性，所開發的基于廣域網應用環境的網絡通訊服務軟件，能實時響應并處理網絡各節點上的各種數據存取請求，采用組播方式發送數據，克服了局域網數據服務功能的局限性，為系統所需的各種應用功能提供綜合性的數據和支撐服務。所開發的跨中心站、分中心站子系統的全分布式多服務器負荷平衡管理及冗余互備軟件，通過采用多服務器負荷平衡管理與冗余互備技術，實現各服務器同時工作分擔負荷，并相互備用。每臺服務器均可定義異地服務器順序作為備用，通過采用多服務器冗余互備技術，徹底解決了特大型系統信息采集點多，通訊數據量大而導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控系統的各項需求，經實驗室聯調測試，各項性能指標均能滿足大型長距離輸水工程調度自動化系統的要求，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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