南水北調睢寧二站工程自動化系統設計

張 占，耿海峰

（1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷 223800；2.江蘇省徐州市水務局，江蘇徐州 221000）

1 工程概況

南水北調東線一期工程睢寧二站工程（以下簡稱睢寧二站工程）位于徐州市睢寧縣沙集鎮境內的徐洪河輸水線上，工程主要任務是與泗洪泵站、邳州泵站一起，通過徐洪河輸水線向駱馬湖輸水100 m3/s，與中運河共同滿足向駱馬湖調水275 m3/s的目標。

泵站工程安裝4臺套2600HDQ20－9立式混流泵（含備機1臺），葉輪直徑2 600 mm，單機設計流量20 m3/s，總裝機流量為80 m3/s，配4臺套TL3000-40/3250型立式同步電機，單機功率3 000 kW，總裝機容量12 000 kW。采用肘形進水流道、虹吸式出水流道、真空破壞閥斷流，采用液壓調節機構調節流量。

2 設計主要工作內容

睢寧二站工程自動化系統主要包括泵站和變電所的所有微機監控、視頻監視、信息管理系統以及管理所信息管理系統與睢寧一站、二站信息交換等。

3 自動化系統設計原則

（1）按照“無人值班、少人值守”方案進行設計，既可實現站內監控，又能實現遠程監控。

（2）系統總體框架采用分層、分布、模塊式體系結構，各層之間通過以太網或現場總線進行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護、擴展和升級。

（3）充分考慮系統的實時性、響應速度、抗干擾能力、可適應性、可利用率高、可維護性，先進靈活便于擴充性能。

（4）為提高監控系統可靠性，系統具有冗余容錯設計，重要的單元或模件采取冗余配置的方式。

（5）軟件采用模塊化、結構化設計，保證系統的可擴性，滿足功能增加及規模擴充的需要。

4 自動化系統的組成與結構

睢寧二站工程自動化系統主要由計算機監控系統、視頻監視系統、泵站信息管理系統三個子系統組成，如圖1所示。

計算機監視系統對泵站主機組、公用及輔機、高低壓配電設備的運行進行監控，并提供設備運行統計、操作指導等輔助功能，如圖2所示。

視頻監視系統對工程主要部分進行實時圖像監視，并具有歷史圖像信息查詢等功能，輔助工程安全運行及管理，如圖3所示。

信息管理系統構建泵站運行管理單位辦公局域網的硬件平臺，完成生產運行和管理信息的存儲和發布，并提供數據查詢和外傳的接口，如圖4所示。

5 自動化系統的設備組成

5.1 計算機監控系統設備的組成

圖1 自動化系統網絡結構拓撲圖

圖2 計算機監控系統拓撲圖

圖3 視頻監控系統拓撲圖

圖4 信息管理系統拓撲圖

該系統主要由以下設備組成：5套PLC控制柜（1、2號主機PLC柜、3、4號主機PLC柜、公用PLC柜、輔機PLC柜、110 kV配電設備PLC柜）、1套 主 變 保 護 柜 （RCS-9671CS、RCS-9681CS、RCS-9661CS）、1套綜合測控柜（PSL-621D、RCS-9705C、RCS-9703C）、1套機架式服務器柜（服務器柜內包括歷史數據庫服務器、WEB發布服務器、信息管理系統服務器、站內交換機、信息系統交換機、防火墻、網絡隔離及GPS對時等設備）、1套直流系統（包括電池柜、直流電源柜及逆變電源柜）、1套電力通訊系統設備、6套保護裝置（包括4套機組保護、10 kV進線保護及10 kV站變保護各一套）等。

5.2 視頻監視系統組成

該系統主要由以下設備組成：2臺16路視頻主機、1套矩陣控制系統、3臺網絡硬盤錄像機、1套投影儀、1套120"電動投影屏幕、4臺52寸液晶等離子電視機、25套彩色固定攝像機（攝像頭分別安置于：冷水機組2只、葉片調節裝置2只、聯軸器層4只、水泵層2只、供水泵房2只、GIS室1只、主變室1只、消防控制室1只、低壓室1只、高壓室1只、設備間6只、勵磁變室1只、繼電保護室1只）、4套彩色一體化球機（攝像頭分別安置于：主廠房、真空破壞閥室、控制室及控制室門廳各1只）、3套紅外一體化球機安裝及調試（攝像頭分別安置于：上游、下游及清污機）、3套三合一防雷器、1套視頻網絡交換機（用于網絡視頻傳輸）、1套視頻柜（包括：視頻主機、硬盤錄像機、視頻矩陣、視頻交換機等設備）。

5.3 信息管理系統設備組成

該系統主要由以下設備組成：1套管理應用服務器、1套數據發布服務器、1套網絡設備、8臺網絡終端計算機、1套打印機、1套UPS電源、1套投影儀、1套120"電動投影屏幕、1套會議音響系統、1套電話交換機、20門電話機。

6 自動化系統軟件

6.1 監控軟件組成

睢寧二站計算機監控系統的軟件主要由系統軟件、支持軟件、數據庫軟件、通信軟件及應用軟件組成。

（1）系統軟件主要指操作系統軟件，操作系統主要有WINDOWS2008、LINUX等。針對各類操作系統監控平臺的特點，考慮到系統的安全可靠及調度運行方便，本系統采用了支持跨平臺的監控軟件，即對于操作員工作站等功能節點，采用通用的WINDOWS及LINUX操作系統，既解決了系統的穩定、可靠的問題，又解決了運行操作簡便的問題。

（2）支持軟件主要包含軟件開發平臺、實用軟件及工具軟件等。

（3）數據庫軟件包含實時數據庫和歷史數據庫兩部分，實現各種數據的管理。其中商用數據庫采用Wonderware公司的Historian Server大型數據庫軟件。

（4）應用軟件采用Intouch組態軟件，由應用軟件平臺及在平臺上二次開發的軟件組成，主要包括上位機監控軟件平臺及二次開發軟件、PLC編程軟件及二次開發軟件、觸摸屏編程軟件及二次開發軟件、通信管理裝置編程軟件及二次開發軟件、局域網數據庫管理軟件等。

6.2 上位機監控軟件

6.2.1 軟件組成及功能分配

上位機監控軟件功能：數據采集及處理、報警記錄顯示和打印、監控與調節、人機接口、語音、文字信息發布及查詢、系統服務管理、診斷及維護、雙機切換、時鐘同步，分布于上位機系統的各節點中。

（1）主機兼操作員工作站：主要完成數據采集處理及轉發、提供與運行人員的人機接口，實現運行監視與控制操作，語音報警等。

（2）歷史服務器：主要完成歷史數據的存儲、統計與管理。

（3）調度通信服務器：實現與電力調度中心的通信。

（4）WEB服務器：布置在局域網內，實現監控畫面、報表、曲線發布至局域網內瀏覽。

（5）局域網數據庫管理：布置在局域網內，實現數據的統計管理，按照南水北調自動化技術要求，進行相關運行臺時、流量、電量累計計算、統計水位水文信息等并進行存儲。

6.2.2 人機界面設計

畫面按照國家規范及工程特點進行設計、開發，既要滿足系統功能要求，又盡可能美觀。

6.2.3 上位機通信程序設計

（1）上位機與PLC通信

上位機與PLC通信采用信箱方式通信，主要有以下優點：

各種交換數據分類存儲，且長度可變，便于PLC程序的組織，節省PLC寄存器空間；

增加了特征碼字段，提高了上位機通信的準確性、可靠性；

流程報警事件等信文上送，能準確了解I/O信號的動作次序及故障原因。

（2）與其他系統通信程序設計

上位機系統的通信服務器負責與電力調度進行通信。通信的規約一般采用IEC60870-104規約。通信鏈路傳輸采用平衡和非平衡兩種傳輸方式。由主站啟動的傳輸服務，采用非平衡傳輸方式。

6.3 LCU監控軟件

6.3.1 PLC監控軟件設計

監控系統泵站LCU PLC選用施耐德公司的Unity Quantum系列。采用施耐德公司Unity Pro編程軟件進行PLC監控軟件的開發。泵站監控系統控制的對象主要有水泵、電機、高低壓開關、輔機等。PLC監控軟件在統一的架構下，完成不同控制對象的監控。軟件由主程序、初始化程序、數據采集程序、事件記錄、通信程序、控制流程及管理等主要模塊組成。

6.3.2 觸摸屏監控軟件

觸摸屏采用邁思德公司邁馳組態軟件平臺進行觸摸屏程序的開發，觸摸屏程序采用模塊化、標準化思路設計開發。畫面美觀、層次清晰、監視操作功能安全可靠。主要包括主畫面、I/O量實時監視畫面、控制操作畫面、報警畫面等，能實現本LCU的所有監視與控制功能。

6.3.3 SJ30通信管理裝置通信軟件

SJ-30通訊管理裝置嵌入了LINUX操作系統，LINUX為用戶提供了很豐富的編程調試和版本控制工具（如：kbuilder、gdb、ddd等等）。

SJ-30通訊管理裝置支持任一通訊口獨立編程，為通訊口編程提供了簡潔、完備的產品庫函數，可以快速擴充新的通訊驅動程序。通訊驅動程序需在開發機上編譯，下載到SJ-30通訊管理裝置后執行。用戶可以通過網絡聯接進行遠程調試。

LCU對外通信，通過PLC CPU上的串口與SJ30進行連接，實現迅速、可靠通信。

7 視頻監控軟件

網絡視頻監控軟件采用海康威視iVMS-4200軟件，該軟件支持Windows操作系統，支持數種國際通用語言，支持中文管理界面，具有完善的使用手冊和幫助文檔，自動檢測網內設備運行狀態，以圖文結合方式列出設備異常情況，輔助管理人員排查處理。

海康威視視頻監控軟件，具有以下特點：

（1）最多可支持16個集中儲存服務器進行集中儲存；

（2）集中管理、配置IP前端，可添加、刪除IP前端，修改參數等；

（3）遠程訪問與控制IP前端設備；

（4）廣泛報警接入，聯動報警輸出，報警信息主動上傳，報警輸出名稱可定義；

（5）用戶權限統一分配，具備登陸、驗證；

（6）電子地圖熱點、熱區聯動效應。

同時具有以下優秀的性能：實用性、適應性、可靠性、安全性、先進性、開放性、易擴展性、易管理性、易維護性。

8 信息管理系統軟件

信息管理系統的軟件包括系統軟件及應用軟件。系統軟件包括操作系統、數據庫管理平臺及防病毒軟件。應用軟件包括數據接口與管理程序、信息發布與查詢程序、數據上傳接口程序以及辦公自動化軟件。

8.1 操作系統

信息管理系統的各類服務器應采用Win?dows2008的服務器版，辦公終端采用WindowsXP專業版。

8.2 數據庫管理平臺

信息管理系統的數據庫平臺應選用SQL Serv?er2008，5用戶版。數據庫平臺軟件有以下基本功能：

（1）采用客戶機/服務器體系結構；

（2）支持快速存取和實時處理；

（3）能控制數據的完整性和統一性；

（4）支持數據倉庫的建立和管理，對數據倉庫和OLAP應用有完善的支持；

（5） 支持XML（Extensive Markup Language，擴展標記語言）；

（6）支持ODBC、ADO、OLE DB等多種查詢；

（7）支持分布式的分布視圖；

（8）數據庫軟件的安全性應滿足系統對數據獨立性、數據安全性、數據完整性、并發控制以及故障恢復的要求。

9 結束語

睢寧二站工程自動化系統安裝完成后，先后經歷了泵站機組試運行、江蘇段試通水運行以及南水北調東線試運行檢驗，檢驗結果表明該系統運行平穩可靠，數據采集基本準確，基本實現了“無人值班，少人值守”的設計原則，達到了預期設計的目的，取得了良好的經濟和社會效益，對類似的泵站工程自動化系統設計具有指導意義。