大伙房輸水工程實(shí)驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

楊旭前

（遼寧大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽110166）

大伙房輸水工程實(shí)驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

楊旭前

（遼寧大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽110166）

本文所述實(shí)驗平臺基于AB公司的Control Logix系列PLC設(shè)計，采用全冗余配置，模擬原大伙房SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了其基本功能，是工程運(yùn)行維護(hù)人員培訓(xùn)與實(shí)踐的重要工具，對保障大伙房輸水工程SCADA系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

大伙房輸水工程；實(shí)驗平臺；設(shè)計

1　引言

遼寧省大伙房水庫輸水工程從遼寧東部山區(qū)引水，向遼寧中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連7座城市供水，惠及人口上千萬，被稱為遼寧人民的生命線工程［1］。該工程由計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱大伙房SCADA系統(tǒng)）負(fù)責(zé)對全線主要機(jī)電設(shè)備的監(jiān)視、控制與調(diào)節(jié)，對整個工程的運(yùn)行管理起著至關(guān)重要的作用。

大伙房SCADA系統(tǒng)具有監(jiān)視數(shù)據(jù)與控制對象多、控制方式復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)。原系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計完成且通過測試，于2010年11月正式投入使用，而部分系統(tǒng)維護(hù)人員及工程運(yùn)行人員沒有原系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的相關(guān)經(jīng)驗。維護(hù)大伙房SCADA系統(tǒng)需熟知其結(jié)構(gòu)原理及相關(guān)專業(yè)知識，運(yùn)行維護(hù)人員需長時間積累相關(guān)經(jīng)驗。同時，為了維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，更不可能頻繁地在原系統(tǒng)上對新入職的運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行教育與培訓(xùn)工作，新入職的運(yùn)行維護(hù)人員對系統(tǒng)沒有全面認(rèn)識且得不到充分的實(shí)踐機(jī)會。如果搭建同一套系統(tǒng)用于培訓(xùn)無論從成本還是時間上來看都顯得不切實(shí)際，正是在這種情況下開發(fā)設(shè)計一套專門用于運(yùn)行維護(hù)人員培訓(xùn)與實(shí)踐的實(shí)驗平臺就變得尤為重要。

2　實(shí)驗平臺設(shè)計方案

2.1原SCADA系統(tǒng)簡介

大伙房SCADA系統(tǒng)由沈陽調(diào)度中心、取水頭部、撫順配水站、沈陽一配水站、沈陽二配水站、遼陽配水站、鞍山加壓泵站、營盤配水站共8個計算機(jī)控制子系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)又由上位機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)地控制單元兩部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)由操作員工作站（OP機(jī)）、通信工作站（COM機(jī)）、報警工作站（ALM機(jī)）等計算機(jī)設(shè)備組成，主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、語音報警、系統(tǒng)外部通信等功能?，F(xiàn)地控制單元由CCU、LCU組成，主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)、與主控級通信、智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信等功能［2］。

為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，原SCADA系統(tǒng)采用多重冗余設(shè)計。調(diào)度中心與分中心之間、分中心上位機(jī)與LCU之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用雙以太網(wǎng)絡(luò)通信，重要上位機(jī)設(shè)備如操作員站、主機(jī)、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器均采用雙機(jī)配置，主、備運(yùn)行；下位機(jī)LCU、CPU采用全冗余配置，雙CPU模件、雙以太網(wǎng)模件，兩套冗余控制器配置完全相同；下位機(jī)LCU與CCU之間的通信采用雙Control Net網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余通信［3］。大伙房SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　大伙房水庫SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2實(shí)驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

大伙房輸水工程實(shí)驗平臺既需要較好地模擬原SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行情況，又需要考慮節(jié)約成本問題。因此，該實(shí)驗平臺設(shè)計時采用了與原SCADA系統(tǒng)相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了適當(dāng)簡化。由于原SCADA系統(tǒng)中7個配水站子系統(tǒng)在地位上是同等的關(guān)系，而在調(diào)度中心子系統(tǒng)全線控制下協(xié)調(diào)工作，因此，平臺設(shè)計單個控制系統(tǒng)來模擬原SCADA系統(tǒng)運(yùn)行情況。

實(shí)驗平臺由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)僅選取具有代表性的操作員工作站和報警工作站，用于圖形界面的顯示、控制命令下發(fā)、語音報警和下位機(jī)維護(hù)等。下位機(jī)系統(tǒng)僅由CCU組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)等功能。原SCADA系統(tǒng)中的LCU為CCU的遠(yuǎn)程IO單元，僅負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集并上傳給CCU。在實(shí)驗環(huán)境中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)均由實(shí)驗?zāi)M產(chǎn)生，無需進(jìn)行遠(yuǎn)距離采取，因此，在實(shí)驗平臺下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，將LCU的數(shù)據(jù)采集功能整合在CCU機(jī)架上，數(shù)據(jù)采集模塊和CCU間采用雙Control Net網(wǎng)進(jìn)行通信。同時，實(shí)驗平臺的下位機(jī)系統(tǒng)由兩臺配置完全相同的CPU模件、以太網(wǎng)模件和冗余控制器組成，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全冗余運(yùn)行。這樣，當(dāng)兩套CPU之一發(fā)生故障時，可以保證系統(tǒng)無擾動的切換到另一CPU運(yùn)行。整個上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)間的通信網(wǎng)絡(luò)采用雙以太網(wǎng)。實(shí)驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　實(shí)驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3實(shí)驗平臺系統(tǒng)配置

實(shí)驗平臺并不需要長時間連續(xù)工作，因此，上位機(jī)采用DELL公司的OPTIPLEX臺式機(jī)替代原SCADA系統(tǒng)中的HP服務(wù)器。上位機(jī)的操作系統(tǒng)配置為操作員工作站采用的Linux系統(tǒng)，而報警工作站采用WinSever2008系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控平臺則使用與原系統(tǒng)相同的NC2000計算機(jī)監(jiān)控軟件。

下位機(jī)系統(tǒng)中CCU的核心控制器采用羅克韋爾公司生產(chǎn)的 Control Logix系列PLC，采用冗余模件（1756-SRM）對系統(tǒng)進(jìn)行冗余配置，通過以太網(wǎng)模塊（1756-ENBT）進(jìn)行上下位機(jī)間的以太網(wǎng)通信。采集模塊與CCU間通信則選用雙網(wǎng)絡(luò)Control Net模塊（CNBR1756-CNBR/E）進(jìn)行。數(shù)字信號的輸入和輸出由開入模塊（1756-IB32/B）和開出模塊（1756-OB32）完成，而模擬信號的處理則由模入模塊（1756-IF8/16）和模出模塊（1756-OF8）負(fù)責(zé)。最后下位機(jī)人機(jī)界面采用AB公司的Panel Plus系列觸摸屏。

所有上、下位機(jī)的系統(tǒng)配置均采用與大伙房SCADA系統(tǒng)相同或相兼容的設(shè)備，并做了適當(dāng)?shù)暮喤?，這樣既在功能上做到模擬原系統(tǒng)運(yùn)行情況又能節(jié)約成本。

2.4實(shí)驗平臺功能開發(fā)

2.4.1模擬監(jiān)控功能開發(fā)

大伙房水庫輸水工程全線主要水利節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視與控制，是工程運(yùn)行人員的重要工作之一。新入職的運(yùn)行人員對工程整體概況及大伙房SCADA系統(tǒng)不熟悉，不能立即掌握大伙房SCADA系統(tǒng)的操作方法，使用實(shí)驗平臺培訓(xùn)是熟悉了解原系統(tǒng)的途徑之一，因此，實(shí)驗平臺的基本功能就是對輸水工程主要水利節(jié)點(diǎn)的模擬監(jiān)視與控制。

實(shí)驗平臺上位機(jī)監(jiān)控界面中模擬顯示了輸水工程一段管線并對其進(jìn)行監(jiān)視，同時，實(shí)現(xiàn)了與原SCADA系統(tǒng)相同的控制功能。監(jiān)視節(jié)點(diǎn)選擇管線中的閥門前后壓力、流量、高程、閥門開度等主要水利數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而控制操作模擬實(shí)現(xiàn)了調(diào)度命令的下發(fā)、閥門的開關(guān)設(shè)置、泵組的啟停操作、語音報警系統(tǒng)修改等控制命令。新運(yùn)行人員通過在實(shí)驗平臺上的模擬監(jiān)控操作可以更快地適應(yīng)今后的日常工作。

2.4.2模擬維護(hù)功能開發(fā)

保障大伙房SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是工程維護(hù)人員的重要工作，通過實(shí)驗平臺進(jìn)行模擬維護(hù)是提高維護(hù)人員專業(yè)技能的方法之一。在實(shí)驗平臺的設(shè)計搭建過程中，維護(hù)人員親自參與到平臺的搭建工作中，可以更加深刻理解整個系統(tǒng)的工作原理。同時，上位機(jī)的所有監(jiān)控數(shù)據(jù)均采用模擬輸入，如數(shù)字量的開入短接、信號發(fā)生器模擬輸入、組態(tài)中強(qiáng)制等方法，而輸出信號則采用萬用表、示波器等采集設(shè)備顯示。這樣任何信號的輸入與輸出都是直觀可見并可重復(fù)的，通過對輸入信號的模擬和輸出信號的測量，輔助相關(guān)講解和說明，維護(hù)人員可以更好地了解各種信號原理及整個系統(tǒng)的信息傳遞過程和運(yùn)行情況。

整個實(shí)驗平臺PLC程序和觸摸屏程序都采用原SCADA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)程序框架來編寫，并配有相關(guān)開發(fā)流程的說明文檔及備份程序，維護(hù)人員可以在此程序框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真開發(fā)。例如模擬某個控制對象，并對其進(jìn)行模件的組態(tài)與配置、控制流程的管理、采集數(shù)據(jù)的處理等系統(tǒng)程序編寫及下位機(jī)觸摸屏程序的開發(fā)。通過仿真開發(fā)，維護(hù)人員可以更加深入地了解SCADA系統(tǒng)中PLC程序的架構(gòu)思想及觸摸屏程序的組態(tài)方法和工作原理。

通過硬接線短接、模擬信號異常輸入、程序內(nèi)修改等手段，實(shí)驗平臺可以對系統(tǒng)常見故障進(jìn)行模擬。維護(hù)人員通過對這些常見故障進(jìn)行排查和處理，可以更深刻地理解此類故障發(fā)生機(jī)理，為今后處理類似問題打下良好的基礎(chǔ)。

3　結(jié)語

模擬實(shí)驗平臺的搭建完成，使運(yùn)行維護(hù)人員得到充分的認(rèn)知和實(shí)踐鍛煉機(jī)會，能更加深入透徹地了解整個系統(tǒng)的工作原理與運(yùn)行情況，促使運(yùn)行人員日常操作更加熟練，保證維護(hù)人員對系統(tǒng)故障及時進(jìn)行排查與處理，對整個輸水工程安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用?！?/p>

［1］宋放.大型輸水工程調(diào)度中心與各配水廠通信方案應(yīng)用研究［J］.中國水能及電氣化，2015（5）:38-41.

［2］戴娜，羅招貴，周林虎，等.大伙房長距離輸水工程SCADA系統(tǒng)設(shè)計［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34（2）: 80-84.

［3］張百敏，倪健，宋智.大伙房輸水工程SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)地控制單元設(shè)置［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34（5）:14-17.

［4］李可，杜昆祥.輸水工程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方案［J］.中國水能及電氣化，2014（6）:31-34.

Design of experiment platform system in Dahuofang Water Conveyance Project

YANG Xuqian
（Liaoning Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project Construction Bureau，Shenyang 110166，China）

The experiment platform described in the paper is designed based on Control Logix series PLC of AB Company. Full redundant configuration is designed for simulating Dahuofang SCADA system.The platform’s basic functions are realized.It is an important tool for training and practicing engineering operation maintenance personnel，and has important role in ensuring stable operation of SCADA system in Dahuofang Water Conveyance Project.

Dahuofang Water Conveyance Project；experiment platform；design

TV672

B

1005-4774（2016）05-0030-03

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.008