葛洲壩船閘“三閘一控”設計與實現

摘 要：本文簡要介紹了葛洲壩船閘“三閘一控”設計與實現，這是一個基于工業(yè)以太網絡、PLC和PC工作站的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，管控一體化設計思想，同時在關鍵部分采取冗余容錯措施，較好實現了三座船閘的統(tǒng)一調度、管理和控制，對通航設施集群控制有借鑒意義。

關鍵詞：三閘一控 管控一體化 冗余容錯

葛洲壩水利樞紐通航建筑物共有三座船閘(一、二、三號船閘)，三座船閘均為單級船閘；三座船閘控制設備相互獨立。船閘現場主要的受控設備包括上下閘首人字門啟閉機、輸水閥門液壓啟閉機、防撞警戒裝置、活動公路橋、活動道閘、排水設備、變電所供電設備等。三峽雙線五級船閘分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)投入運行以來，船閘監(jiān)控技術發(fā)展迅速，對于串級布置的多級連續(xù)船閘（或升船機），或并行布置的多座船閘（或升船機），利用冗余容錯技術，采用分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現整體的調度、操作、運行、維護和管理，有著無比的優(yōu)越性。基于這種設計理念，2009年葛洲壩船閘進行“葛洲壩船閘集中控制系統(tǒng)改造工程（簡稱“三閘一控”）的技術研究，2010年5月付諸實施。

?藎“三閘一控”構想

葛洲壩船閘集中控制系統(tǒng)采取全面改造，“三閘一控”的目的是通過分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)結構，采用新技術、新產品、新工藝，實現葛洲壩三座船閘及附屬系統(tǒng)的集中控制、集中運行管理，設備的統(tǒng)一檢修維護管理。同時在關鍵部位采取“硬件冗余、軟件容錯”措施，大大提高系統(tǒng)可靠性。使葛洲壩船閘的運行管理效率和信息化水平再上新臺階。

三座船閘設置1套控管中心設備，由控管中心計算機監(jiān)控工作站、I/O服務器、管理工作站、工程師站及網絡設備等組成。共同完成三座船閘現場設備監(jiān)控。

每座船閘設置1套分控系統(tǒng)設備，分別由分控中心計算機工作站、現場分布式控制PLC系統(tǒng)設備和工業(yè)以太環(huán)網設備組成。完成單座船閘的操作控制。

現地機房設置現場控制設備，包括PLC遠程I/O站、繼電邏輯控制回路、動力回路、傳感器和執(zhí)行機構等。

同時為提高系統(tǒng)安全可靠性，系統(tǒng)從多方面采取了冗余容錯措施：PLC主機及網絡通訊進行冗余配置；對系統(tǒng)輸入應根據控制需要采用有選擇的冗余；對控制輸出采用冗余輸出；重要電源供電、傳感器進行冗余配置；在應用軟件設計中必須對冗余配置進行識別、診斷，實現船閘的分級容錯運行。

?藎葛洲壩船閘管控系統(tǒng)設計

1、總體設計

葛洲壩船閘集中控制系統(tǒng)設計按照“硬件冗余、軟件容錯”、“集中管理、分散控制”、“適當的控制功能與管理功能分配”設計思想，利用計算機技術、網絡技術、控制技術，將“控制”與“管理”緊密結合，構建分層分布式集中監(jiān)控系統(tǒng)(“管控一體化”系統(tǒng))，最終實現彼此獨立的三座船閘監(jiān)控系統(tǒng)有機地聯(lián)成一個整體。該系統(tǒng)分為集中控管中心控制層、船閘分控中心控制層，現地PLC設備控制層。系統(tǒng)每層之間采用工業(yè)以太網進行通訊連接，系統(tǒng)的重要部位冗余配置。保證船閘集中控制系統(tǒng)具有較高的安全性、可靠性、實時性、可用性和開放性，而且系統(tǒng)還具有良好的可操作性和可維護性。

第一層為現地控制層，由分布在船閘各現地控制機房的動力控制設備、各類現場傳感器、開關設備、通航信號設備和PLC遠程設備（R-I/O）等構成。每個船閘各包括4套閘閥門現地控制單元，每個現地控制單元包括現地緊急繼電器手動控制、現地PLC遠程I/O自動控制設備、觸摸屏設備。實現船閘現地啟閉操作、狀態(tài)監(jiān)視和故障保護功能。

第二層為分控中心控制層，主要指布置在1#-3＃船閘集中控制室內的分控中心設備。每座船閘均設置1套分控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)，共3套。每套分控中心系統(tǒng)包括船閘控制網和分控工作站、雙機熱備PLC系統(tǒng)主站等設備，實現單座船閘的整體運行協(xié)調控制和監(jiān)視管理，按選定的運行程序和現地設備狀態(tài)，順序向下層現地控制站發(fā)布動作命令、以及信息采集管理顯示等。

第三層為集中控管層，主要指布置在控管中心的設備。控管中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)由中心控制網、監(jiān)控工作站、工程師工作站、數據存儲服務器、管理工作站、KVM切換器、打印機和其他外圍設備等組成。其中，1#-3#操作員站負責完成三座船閘的整體運行協(xié)調控制和監(jiān)視管理；數據存儲服務器負責完成對運行數據的歸檔存儲；工程師站負責船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件維護和管理，并同時具有培訓功能，信息、文件的主題檢索功能等；管理工作站用于船閘運行實時、歷史數據的查詢、趨勢分析，生成和打印各項運行報表，負責設備資源管理工作。

三層結構之間有明確的分工：現地設備的動作由現地控制層進行控制，如人字閘門、輸水閥門的啟閉，防撞裝置升降控制，通航指揮信號燈的轉換，以及現地設備工作狀態(tài)信息的采集與上送、故障保護等；分控層在集中控管層網絡離線或經身份認證取得控制權時，能實現單座船閘的整體運行操作、控制和監(jiān)視管理，按照運行工藝流程和現地設備狀態(tài)，顯示船閘的運行狀態(tài)和控制船閘的運行等；集中控管層是三座船閘的一體化控管中心，主要承擔三座船閘整體運行的協(xié)調控制和監(jiān)視管理，實現葛洲壩三座船閘的集中監(jiān)控與信息化的系統(tǒng)管理。

系統(tǒng)遵循“現地控制”、“分中心控制”、“中心遠方控制”優(yōu)先原則順序。“現地控制”具有最高優(yōu)先級，在任何情況下，現地操作具有絕對的優(yōu)先權，且輸水閥門的關閉操作優(yōu)于人字門。只有當系統(tǒng)處于中心遠方控制方式下，控管中心才能對系統(tǒng)實現控制功能，其它方式下，控管中心僅具有數據監(jiān)視功能，不具有控制權。當某一現地控制設備處于現地控制或分控中心控制方式時，控管中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)的自動運行控制方式也將自動取消，但控管中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)仍可以進行遠方監(jiān)視。

2、軟件設計

葛洲壩船閘集中監(jiān)控系統(tǒng)改造工程軟件包括：計算機操作系統(tǒng)軟件、支持軟件；計算機監(jiān)控組態(tài)軟件、工業(yè)數據庫軟件、PLC/觸摸屏編程維護軟件；船閘監(jiān)控、PLC控制、觸摸屏監(jiān)控應用軟件。

1）軟件平臺環(huán)境

船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用標準的WINDOWS XP中文專業(yè)版操作系統(tǒng)，具有強大的通用性和易維護性。

2）軟件開發(fā)工具

組態(tài)軟件---Vijeo Citect。船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)中各節(jié)點計算機監(jiān)控軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)，工業(yè)組態(tài)軟件選擇施耐德電氣公司的Vijeo Citect產品，與現地站Unity Quantum PLC同為施耐德電氣公司的產品，Vijeo Citect為Quantum控制平臺量身定做，無縫集成施耐德電氣的自動化產品，確保系統(tǒng)通訊及監(jiān)控功能的可靠實現。Vijeo Citect組態(tài)軟件采用客戶機/服務器系統(tǒng)結構，內置冗余功能、Web Server及多種連接驅動，由服務器軟件、客戶端軟件、歸檔數據庫及WEB服務器軟件等構成。軟件授權支持系統(tǒng)開發(fā)及運行要求，采用USB加密狗授權方式。

數據庫軟件。Vijeo Citect軟件基于SCADA系統(tǒng)的實時數據庫管理平臺，集成了全面完備的實時數據庫、歷史記錄數據庫和數據分析包。軟件系統(tǒng)良好的兼容性保證了它能夠勝任系統(tǒng)的數據處理工作。Vijeo Citect軟件通過Modbus TCP/IP與3座船閘控制系統(tǒng)建立連接后，能自動采集定義的變量、報警、趨勢，在實時數據庫進行存儲，并且為信息的分析處理、報表的生成發(fā)布提供平臺。實時數據庫服務器是整個系統(tǒng)的實時數據的存儲中心，也是實時數據庫管理軟件的運行平臺。同時，Vijeo Citect軟件集成有基于SQL Server的歷史數據庫對定義的報警、歸檔和事件記錄等進行數據庫存儲。Vijeo Citect軟件能自動實現船閘控制系統(tǒng)實時數據和歷史數據庫數據記錄功能之間快速有效的鏈接，實現歷史數據的歸檔和查詢。控管中心2臺數據存儲服務器之間通過配置磁盤陣列，實現2臺數據服務器的數據一致性和冗余功能。

PLC編程軟件---Unity Pro。Unity Pro是用于Quantum PLC的符合IEC 61131-3標準要求的編程、調試和運行的軟件。軟件采用模塊化編程結構。

觸摸屏組態(tài)軟件---Vijeo Designer。Vijeo Designer軟件是施耐德人機界面觸摸屏專用組態(tài)配置軟件。可運行于Windows2000或XP專業(yè)版操作系統(tǒng)。軟件采用流行的視窗界面風格，擁有豐富的系統(tǒng)配置、畫面組態(tài)、驅動連接、動畫編輯功能，支持PC模擬仿真功能。

3）應用軟件

葛洲壩船閘集中控制系統(tǒng)應用軟件包括：控管中心計算機監(jiān)控應用軟件、分控中心計算機監(jiān)控應用軟件、現地控制應用軟件。這些軟件彼此相互聯(lián)系，共同實現船閘的運行控制、監(jiān)視、記錄和查詢等功能。

?藎船閘模擬與仿真設計

1、總體描述

為保證葛洲壩船閘集中控制系統(tǒng)廠內調試和出廠試驗及驗收能有效驗證系統(tǒng)軟硬件功能，通過設計開發(fā)一套船閘模擬仿真系統(tǒng)實現。

模擬仿真系統(tǒng)通過計算機軟件開發(fā)配合系統(tǒng)模擬數據接口連接實現，系統(tǒng)能自動模擬船閘運行工藝過程中所有的信號狀態(tài)。包括：上下游/閘室水位變化關系、船閘上下游閉鎖信號、閘閥門啟閉機狀態(tài)和運行數據、船閘現場檢測信號、電氣及液壓系統(tǒng)設備狀態(tài)信號、模擬船閘事故門、活動橋、防撞等設備運行及狀態(tài)信號。系統(tǒng)能根據船閘運行工藝過程自動實現信號變換，全面仿真船閘運行過程，通過網絡，這些信號傳遞給集中監(jiān)控的PLC系統(tǒng)，提供控制系統(tǒng)的原始信號模擬，驗證控制功能。

2、軟硬件結構

船閘模擬與仿真系統(tǒng)采用施耐德Vijeo Citect軟件開發(fā)，運行于工程師站計算機平臺，通過交換機，使用Modbus TCP/IP網絡協(xié)議與控制系統(tǒng)熱備PLC進行通訊。

3、模擬仿真功能

船閘模擬與仿真系統(tǒng)通過軟件開發(fā)，模擬PLC控制系統(tǒng)所需的現場信號。控制系統(tǒng)在設計過程中，統(tǒng)籌考慮預留模擬測試功能接口，在工廠測試和驗收過程中采用模擬地址區(qū)信號，進行系統(tǒng)工藝、功能及軟件控制功能的驗證。檢驗合格后，切換到實際地址區(qū)信號，不影響系統(tǒng)在現場調試、測試及驗收時的整體結構和功能。

船閘模擬與仿真系統(tǒng)通過軟件開發(fā)，提供豐富的狀態(tài)顯示及設置界面。可以自動模擬船閘正常過閘工藝流程，包括上行/下行過閘，驗證集中監(jiān)控系統(tǒng) ；也可以手動設置流程意外事故信號，以便測試系統(tǒng)在故障時的各項保護和報警功能；還能對船閘所有信號狀態(tài)和數據進行手動設置，以便驗證系統(tǒng)報警檢測、事件記錄及權限管理等各項功能。

?藎結語

葛洲壩船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造借鑒了三峽雙線五級船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)實施的成功經驗，同時又采用了雙光纖分布式I/O環(huán)網、分布式計算機監(jiān)控軟件平臺、智能光纖傳輸緊急操作回路控制等先進技術，大大提高了系統(tǒng)整體性能，對于通航設施集群控制有重要推廣意義。

(第一作者單位：武漢數字工程研究所)