景洪水力式升船機計算機監控系統設計與實現

張亞軍，王 洋，何慶周，王虎軍

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

景洪水電廠位于云南省西雙版納州景洪市北郊約5 km 的瀾滄江干流，是瀾滄江干流中下游為兩庫八級開發方案的第6級，由5 臺單機容量為350 MW 的混流式水輪發電機組組成，總裝機容量為1750 MW。

景洪水電廠水力式升船機的過船噸位為500 噸級，全程升或降時間約17 分鐘，最大提升高度為66.86 m，年貨運量約124.5 萬 t。

該升船機的工作原理是以水能作為提升動力，通過開啟充、泄水閥對豎井內進行充泄水，調節豎井內浮筒平衡重側浮力，驅動浮筒平衡重的升降，帶動承船廂升降運行，當豎井充水時，驅動浮筒平衡重升起，驅動承船廂下降；反之，豎井泄水時，浮筒平衡重下降，驅動承船廂上升，從而實現船舶在上下游水位高達近68 m 落差間的通行[1]。

1 設計原則

根據景洪水力式升船機工程的特殊要求，計算機監控系統總體設計遵循以下原則：

（1）安全可靠性。在硬件方面，現地LCU 子站采用雙環工業以太網絡，操作員站和所有現地LCU 子站PLC 的雙機熱備方案，以實現無擾動切換和增強系統的容錯功能。在軟件設計上，采用成熟而又可靠性高的基于NT 構架的安全加固操作系統平臺和功能強大的監控組態軟件，且支持遠程監控和故障診斷。

（2）技術先進性。升船機工程在國內外業界具有很大的影響力，它應用了國際上先進的自動化技術，體現出了我國水電工程自動化的高水準，在考慮采用先進技術的同時還考慮了技術的成熟性。系統的配置與選型、網絡的型式與網絡的結構，均符合計算機發展的趨勢，配置的高檔次產品，保證了今后相當長時間內系統的技術先進性。

（3）可擴充性。監控軟件、硬件平臺選用開放性平臺，以保證系統的互聯性以及系統擴展和設備更新時的軟件可移植性[2]。系統留有與電廠通航集中調度系統的接口以及與電廠廠房計算機系統、變電所繼電保護系統、消防系統、電站MIS 系統的接口。局域網 LAN 選用 100 M 以太網，IEEE802.3 u，TCP/IP 標準與協議。

2 系統功能

景洪水力式升船機控制系統由主控層和現地層構成。

計算機監控系統屬于主控層，是指揮管理中心，負責整個升船機的實時監視、流程控制、單機構調試以及通航指揮的控制等。具有升船機自動控制、人機對話、實時數據處理、系統時鐘同步、故障報警及應對處理、歷史數據管理、與上級調度以及與其它控制系統間的通信等功能。

3 系統結構

景洪水力式升船機的控制系統采用雙以太環網結構，整個系統采用客戶機服務器模式和無主對等模式的設計。

主控層設置主機操作員工作站、工程師/培訓工作站、數據服務器、調度通訊服務器以及打印機、網絡設備等。

現地控制層，按地理位置及控制功能相對集中原則，設置了4 個子站，分別為：驅動LCU 子站、承船廂LCU 子站、上閘首LCU 子站和公用LCU 子站，其中驅動LCU 子站由八個子站和一個本地站組成，主要完成承船廂的升降功能；承船廂LCU 子站由六個子站和一個本地站組成，主要完成承船廂內設備的上下游對接和解除對接功能；上閘首LCU 子站由三個子站和一個本地站組成，主要完成上游航道內設備的對接和解除對接功能；公用LCU 子站由一個本地站組成，主要完成供配電設備、直流系統等數據的采集和處理。

3.1 硬件配置

景洪水力式升船機計算機監控系統主控層通過集控室的工業級以太網交換機接入環網實現同步連接，接入的設備有2臺操作員工作站、1 臺工程師工作站、2 臺數據服務器、1 臺調度網絡服務器及2 臺打印機等設備[3]。

在升船機計算機房內，配套的設備還有中控室配電柜、2臺冗余UPS 和計算機控制臺，控制臺上放置有火災報警計算機、GPS 時鐘、無線電臺、電話調度臺、廣播通訊工作站和工業電視管理服務器等設備。

3.2 網絡結構

景洪水力式升船機計算機監控系統的主控層和現地層的各層通過工業以太網交換機接入以太環網中[4]。

升船機各設備控制單元首先通過MB+ 網絡實現和相應LCU 子站的數據交換，再通過LCU 子站實現和主控層設備的間接數據交換[5]。

中控室的計算機監控系統可以實時監控整個系統網絡的狀態，顯示網絡故障中斷的地點，便于維護人員快速查找故障點進行維修，控制系統網絡結構見圖1。

圖1 控制系統網絡結構圖

3.3 軟件組態

景洪水力式升船機計算機監控系統的2 臺操作員工作站、1 臺工程師工作站、2 臺數據服務器和1 臺網絡服務器安裝了完整的Windows XP Professional SP3 操作系統和所有相關設備的驅動程序，在C 盤中存儲操作系統和安裝應用軟件，D 盤中存儲升船機監控程序和運行數據、各LCU 子站PLC 程序及工程師文件，E 盤中存儲計算機各設備的驅動軟件和所需的應用軟件等。

4 監控功能的實現

景洪水力式升船機計算機監控軟件運行于Wonderware 公司InTouch10.1 的Window Viewer 運行平臺和IO Server 軟件。操作員工作站啟動后，相關軟件能夠自動運行，無需操作人員干預。

4.1 運行狀態監視

操作員登陸的升船機系統監控主畫面，見圖2。

圖2 系統監控主畫面

主畫面由菜單區、運行狀態顯示區、操作命令區、實時信息登錄區、緊急處理命令區、信息顯示區、運行參數顯示區和運行動畫顯示區等區域組成。

菜單區通過下拉菜單實現監控畫面切換等功能，運行狀態顯示區域顯示計算機監控系統及現地各子站當前工作方式及運行狀態，操作命令區顯示計算機監控系統控制方式、運行工況及各工況下的操作命令，其中各工況操作命令在同一區域顯示，實現互鎖，避免誤操作，實時信息登錄區實時顯示升船機系統操作、運行及故障信息。

緊急處理命令區布置緊急關閉上游事故門和下游事故門、快速關閉充、泄水閥門等命令，以應對緊急情況下的操作。信息顯示區顯示計算機監控系統、監控網絡等當前信息，運行參數顯示區顯示升船機運行期間主要參數。運行動畫顯示區以動畫的方式顯示升船機系統各設備運行狀態。

4.2 系統操作安全保護功能

景洪水電廠水力式升船機計算機監控系統為了確保升船機系統運行安全、可靠，避免誤操作，在軟件中設計了各種類型的確認、操作閉鎖及保護措施。

對于一些關鍵操作，處于安全考慮，軟件設置了再次確認環節，以再次提醒操作員注意。

對于違反升船機運行流程的操作，軟件設置了自動保護，不予執行，同時報警提示操作員注意[6]。

4.3 系統故障處理

針對升船機運行中出現的故障報警采取了多種處理方法，包括重大故障報警彈出報警窗、實時故障報警登錄、報警指示燈顯示、報警信息查詢、歷史報警記錄及查詢，同時還允許操作員根據各子站報警內容對各子站報警進行復位嘗試。

當發生緊急事故時，操作員可以通過軟件緊急處理命令區下發緊急關閉上游事故門和下游事故門以及快速關閉充、泄水閥門等操作。

如果在發生事故時，控制系統未能進行相關保護動作，操作員還可以通過中央控制臺上的硬急停按鈕進行操作，以確保人員和設備的安全。

4.4 歷史事件查詢

通過計算機監控軟件中的歷史事件查詢窗口，可以對歷史事件按照時間、操作人員、報警組等條件進行篩選，歷史事件查詢窗口，見圖3。

圖3 歷史事件查詢窗口

通過計算機監控軟件中的歷史趨勢分析窗口，可以對特定標記名的歷史數據進行趨勢分析，在歷史趨勢設置對話框內可以設置要進行分析的數據標記名、時間段、曲線顏色、最大值、最小值等參數，在歷史趨勢分析窗中以曲線方式顯示出設定段的數據，通過調整選型可以對曲線進行放大、縮小、上移、下移等操作。

4.5 歷史數據的導取功能

景洪水電廠水力式升船機計算機監控系統設置了導取歷史數據功能，其數據涵蓋了升船機大部分模擬量數據，如64 根驅動均衡油缸調平和64 根承船廂調平油缸的壓力和位移、64套浮筒鎖定設備的狀態、16 臺導向荷重、12 臺同步軸扭矩等，歷史數據導取界面，見圖4。

圖4 歷史數據導取界面

5 結語

景洪水力式升船機是一臺世界首創、中國原創的升船機。這里從計算機監控系統著手，分析了其網絡結構、硬件配置以及監控、控制等功能。經實踐運行表明，該系統設計的網絡結構能夠實現容錯和冗余功能、硬件配置合理、監控內容齊全、控制功能動作正確，是一套較先進的升船機計算機監控系統。該系統操作簡單、防止誤操作的設計邏輯正確，完全滿足對升船機設備監控和安全控制的要求，經過近2 年的運行，達到了升船機預期的生產運行效果。