銀盤船閘計算機監控系統設計與實現

劉 錦，李 欣，張亞軍

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

烏江銀盤水電站位于烏江干流下游河段，重慶市武隆縣內，為烏江干流水電梯級開發中的第11 個梯級水電站，電站總裝機容量為600 MW，單機容量150 MW。其中，船閘設計級別為500 t，航道等級為IV 級，2015 年09 月22 日通航運行。

銀盤船閘由上閘首、下閘首、放置船舶的閘室、上游引航道、下游引航道、上游人字門、下游一字門、上游和下游輸水門以及控制這些閘門的液壓啟閉機和電氣控制系統組成。船舶上行的程序是船舶由水電站下游進入下游引航道，開啟下游輸水門使閘室泄水與下游水位齊平，打開下閘首一字門，船舶由下游引航道駛入閘室，關閉下閘首一字門，開啟上游輸水門使閘室充水與上游水位齊平，打開上閘首人字門，船舶駛出閘室，通過上游引航道進入水電站上游。上行程序結束，進入下行程序。船舶下行的程序與此相類似[1]。

1 設計原則

計算機監控系統總體設計根據銀盤船閘工程的要求遵循以下原則：

（1）安全可靠性。在硬件設計上，中央控制站與現地子站之間通過環型光纖工業以太網絡進行數據通訊。在軟件設計上，選用良好穩定性的32 位網絡MicroSoft WINDOWS XP 中文版操作系統和西門子公司的WINCC V7.0 監控組態軟件，保證了系統的可靠性與容錯性。

（2）開放性。監控軟件和硬件選用開放性平臺，系統局域網LAN 選用100 M以太網，TCP/IP 標準協議，預留與電站將來可能出現的其他系統的接口[2]。

（3）易維護性。在硬件配置設計上盡可能統一選型，控制元器件的互換性強，模塊采用即插即用，便于備品備件的統一采購和設備維護。

2 系統結構

銀盤船閘控制系統采用分層分布式網絡結構，整個監控系統分成中央控制級和現地控制層[3]。

中央控制級和現地控制單元之間通過工業以太網連接，并組成冗余環網，現地控制單元和RIO 單元之間通過profibus DP 網相聯。

中央控制級布置于船閘集控室內，由操作員站、工程師站、多媒體站組成，中央控制級的計算機單元能遠程操控系統內的設備并能實時記錄系統內的所有運行參數，供調閱和查詢。

現地控制層共4 個，分別布置于上、下閘首的左、右岸，同閘首的左、右兩側現地站PLC 單元采用熱備系統單元，通過光纖實現雙機熱備連接。

2.1 硬件配置

銀盤船閘計算機監控系統硬件設備主要由計算機及顯示器、用于連接計算機與現地控制單元的網絡設備、廣播通訊工作站和工業電視管理服務器、UPS 電源等組成。通過集控室的工業級以太網交換機接入以太環網，接入的設備有2臺集控操作員站、1 臺工程師站、1 臺通訊工作站及打印機等設備，其中，2 臺集控操作員站互為冗余，充分保證系統的可靠性[4]。

通過與工業電視監控系統和廣播語音系統的配合使用，運行人員可以隨時掌握通航情況，可為其調度和指揮提供參考，有效提高通航效率，確保通行安全。

2.2 網絡結構

銀盤船閘計算機監控系統根據現場各設備單元布置相對分散，各現地單元之間具有聯動性、互鎖性的特點，整個系統主體采用現代工業以太網，以光纜作為主通訊介質，各單元柜內采用光纖作為通訊介質，組成整個網絡通訊系統，提高了系統通訊的快速性、準確性和抗干擾性，能夠適應船閘的現場惡劣環境。

在每個通訊單元內設置一個光電轉換機作為鏈接分支器，實現通訊單元至通訊網絡的鏈入。

系統的中央控制級、上閘首左子站、上閘首右子站、下閘首左子站、下閘首右子站等采用環形工業以太網鏈接，以確保系統通訊的可靠性，控制系統網絡結構如圖1 所示：

圖1 控制系統網絡結構圖

2.3 系統硬布線

銀盤船閘控制系統具有急停功能，中控室控制臺上的紅色急停按鈕可以切斷上下閘首控制柜的控制電源，使液壓啟閉機泵站設備停止運行；控制臺上的紅色緊急關輸水門按鈕可以發出關閉各閘首輸水門的信號。這兩個急停按鈕通過控制電纜以硬接線的方式連接至上下閘首各控制柜中。

上閘首左子站的閘門全關信號通過硬接線方式接入上閘首右子站系統，與上閘首右子站系統單元側全關信號，二者一起輸出上閘首閘門全關指令，并將此信號通過硬接線方式輸送給下閘首左、右子站系統。下閘首系統的硬接線同上閘首系統相類似。

3 軟件功能

銀盤船閘計算機監控系統的監控軟件是船閘控制系統的監測中心，負責整個船閘控制系統的實時監視、參數設定、啟閉閘門及通航指揮燈的流程控制等，具有控制和監視雙重作用。還能實現數據采集和處理、船閘的實時動態運行屏幕顯示、事件順序記錄、時鐘同步、事故處理及恢復操作指導、數據通信、系統狀態自診斷、實時數據庫管理、歷史數據庫管理、記錄及歷史報表打印、系統設備運行維護管理、軟件開發及培訓等功能。

3.1 運行狀態監控

啟動監控軟件，進入上位監控系統后，首先進入監控主畫面，主畫面顯示船閘主要數據信息，系統監控主畫面如圖2 所示。

圖2 系統監控主畫面

船閘運行主畫面是軟件的核心畫面，船閘的當前信息，操作控制和關鍵設備的主要運行狀態都集中在該畫面中，畫面顯示船閘運行期間主要參數，運行以動畫的方式顯示船閘系統各設備運行狀態，操作人員無需頻繁切換畫面就可以了解整個船閘的的運行狀態。畫面整體由側視和俯視兩張圖構成，從兩個不同的角度反映了船只過閘情況，每張圖都體現出了應有的結構。鑒于主畫面的使用頻率最高，所以一些主要的、需要長期觀察的數據在主畫面中體現出來，如閘門開度和狀態、各側水位高程、交通指揮燈狀態、報警信息等。

通過在系統監控主畫面中選擇系統操作控制欄中的相關選項，可以實現系統準備、船閘的自動上行和下行、船閘的單步上行和下行、方式清除、下班停運等控制功能。

3.2 操作安全保護

銀盤船閘計算機監控系統為了確保系統安全可靠運行，防止誤操作引發的通閘事故，不論在“自動”下的“集控”、“現地”或“檢修”工作狀態，本系統都具有上下閘首互鎖保護功能，下閘首一字門和輸水門全部關閉到位后，上閘首人字門或輸水門才能開啟；同樣，上閘首人字門和輸水門全部關閉到位后，下閘首一字門或輸水門才能開啟。

系統軟件還設置了誤操作報警及自動保護，對于違反船閘運行流程的操作不予執行，提示操作員注意。

3.3 故障報警功能

報警畫面是構成計算機監控系統的一個重要組成頁面，用來實時檢測被控對象、環境及工況的各種非正常狀態。報警時間一般根據事件的緊急程度和嚴重程度分級，對于正常事件、一般事件、嚴重事件進行分類處理，并采用不同背景色，前景色及警報聲音等組合來表達，幫助運行人員正確處理各類信號[5]。

銀盤船閘報警畫面包括故障報警彈出窗、實時故障報警記錄框、報警燈顯示、歷史報警記錄及查詢，通過輸入不同查詢條件可以切換不同報警，也可以添加、修改及刪除報警查詢條件，通過修改查詢條件可以切換到歷史報警，保證了船閘運行的可追溯性，便于查詢維修，系統報警畫面如圖3 所示。

圖3 系統報警畫面

3.4 歷史事件查詢和分析

通過計算機監控軟件中的歷史趨勢分析窗口，可以實現兩個功能，實時跟蹤和歷史查詢。實時跟蹤是用來監控當前動態點的變化趨勢；歷史查詢則用來表達某動態點值在一段時間內的變化趨勢過程。趨勢頁面一般用來觀察模擬量值，反映出設備在運行時各參數之間的變化關系以及設備是否發生突變，進而直接展現設備運行的全過程。

對于每個現地子站的重要模擬量數據，如上下游及閘室水位值、上游人字門、下游一字門、輸水門的開度值等，監控系統均配置實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，歷史曲線可以放大、縮小并通過查詢區間來觀察不同時間段的數據變化信息，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線如圖4。

圖4 實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線

4 結語

銀盤船閘位于烏江下游河段，上游接彭水水電站。它的投入運行，標志著從武隆至彭水段由于電站的建設而中斷的烏江航道恢復了通航。船閘經過3 年多的運行，表明該系統的監控畫面顯示齊全、系統操作簡單、控制程序邏輯動作正確，配置的硬件合理，環形網絡結構可靠，滿足了船閘設備監控和安全運行的要求。通航實踐說明，該系統是一套較先進的船閘計算機監控系統，達到了船閘生產運行的預期效果。