DHF水庫輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐芊芊

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

DHF水庫是一座防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利工程。因此，其運(yùn)行的安全性對周邊地區(qū)的生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。為獲得水庫的水位和流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對水庫系統(tǒng)進(jìn)行合理的調(diào)控以保證其運(yùn)行在安全參數(shù)以內(nèi)，有必要設(shè)計(jì)水庫的自動(dòng)化監(jiān)測和調(diào)控系統(tǒng)。整個(gè)水庫輸水工程有調(diào)度中心、配水站、加壓泵和取水頭組成。該工程有利于水庫運(yùn)行聯(lián)調(diào)決策支持、工程監(jiān)測與安全運(yùn)行評(píng)估、事故應(yīng)急處理預(yù)案與決策支持等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由各點(diǎn)的監(jiān)測分中心和調(diào)度控制中心組成，包含有DHF輸水工程調(diào)度中心及5個(gè)配水站、1個(gè)加壓泵站、1個(gè)取水頭部(取水口監(jiān)控分中心)。DHF水庫計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容包括：5個(gè)配水站、1個(gè)加壓泵站、1個(gè)取水頭部所涉及的閘門、抽水泵、調(diào)流閥和電動(dòng)蝶閥等設(shè)備的控制和運(yùn)行工況、流量測量、水位、壓力、供電回路的運(yùn)行工況等。各分中心對隧洞、機(jī)電設(shè)備等各類數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)控制等，并能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，存儲(chǔ)并迅速轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度管理中心。輸水工程調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)接受并處理各分監(jiān)控中心所有的監(jiān)測、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并能對各監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。輸水系統(tǒng)的運(yùn)行由調(diào)度中心統(tǒng)一調(diào)度管理。調(diào)度中心實(shí)時(shí)監(jiān)測輸水系統(tǒng)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)管理輸水流量。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度中心的控制要求完成對所控設(shè)備的控制。

1.2 自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方式

DHF水庫輸水工程的自動(dòng)化是一個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)分析與比較、數(shù)據(jù)輸出、自動(dòng)控制、故障監(jiān)測的過程。由于該輸水工程點(diǎn)多、線長，所以其實(shí)現(xiàn)方式必定是多點(diǎn)監(jiān)測統(tǒng)一調(diào)度。即通過對配水站、加壓泵站、取水頭部及分中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由相關(guān)軟件分析之后做出初步判斷，在對本分點(diǎn)進(jìn)行控制的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行?，中心在綜合各分中心的數(shù)據(jù)后對各分點(diǎn)的控制進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

由于DHF水庫工程監(jiān)測點(diǎn)多、分布范圍廣，工程地遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)。所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)保證技術(shù)可靠、穩(wěn)定、成熟，功能實(shí)用、使用維護(hù)方便的設(shè)計(jì)原則。具體要求如下：

1)DHF水庫輸水工程自動(dòng)控制依靠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)高度可靠。

2)分控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心之間進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的功能。

3)采用全分布開放式冗余系統(tǒng)，便于功能和硬件的擴(kuò)充，又能充分保證高的性能價(jià)格比。分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)具有良好的可靠性，可擴(kuò)充性和可移植性，并支持異型機(jī)互聯(lián)。

4)系統(tǒng)高度可靠，自身的局部故障不會(huì)影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行，系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項(xiàng)可用性指標(biāo)均達(dá)到部頒《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》DL/T578—95的規(guī)定。

5)實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)；人機(jī)接口功能強(qiáng)，界面友好、操作方便。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DHF自動(dòng)化系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及控制精確度方面要求較高，因此系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)方面也要考慮對以上性能的要求，主要包括以下幾個(gè)方面：

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)；

1)監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余配置，包括：操作員工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PLC的CPU等設(shè)備，此外與控制信號(hào)采集和控制命令的發(fā)送均采用現(xiàn)場總線和I/O硬接線兩種方式；

2)采用如圖1所示的分層分布式的監(jiān)控結(jié)構(gòu)。

圖1 分布式監(jiān)控結(jié)構(gòu)示意圖

3)水庫輸水工程監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用如圖2所示的開放式、分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一層通訊網(wǎng)絡(luò)：調(diào)度中心與取水頭監(jiān)控分中心、加壓泵站及各配水站監(jiān)控分中心間的通訊，采用冗余百兆以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。二層通訊網(wǎng)絡(luò)：各監(jiān)控分中心內(nèi)現(xiàn)地控制單元與本中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通訊。各監(jiān)控分中心內(nèi)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將各現(xiàn)場設(shè)備控制單元(PLC)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。三層通訊網(wǎng)絡(luò)：各現(xiàn)地控制單元與現(xiàn)場設(shè)備、傳感器、控制器之間的通訊，采用Modbus現(xiàn)場總線方式。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)配置

各中心根據(jù)需要同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益的原則合理選購所需的硬件和軟件配置。主要配置有：操作員工作站、通信工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UPS電源、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘、打印機(jī)、大屏幕顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)軟件Windows NT、監(jiān)控軟件EC2000、流量計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備柜、現(xiàn)地控制單元LCU、直流系統(tǒng)、專用工具、中控臺(tái)、水位計(jì)、壓力計(jì)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、超聲波流量計(jì)等。以加壓泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置為例，加壓泵站主要監(jiān)控對象是主干上的7臺(tái)泵及分支上的3臺(tái)泵，以及每臺(tái)泵相關(guān)的進(jìn)口蝶閥、出口液控環(huán)閉蝶閥、出口蝶閥、進(jìn)口和出口壓力計(jì)等，此外還有泵房的排水泵、加氯間的狀態(tài)、泵站內(nèi)電源等。加壓泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括：操作員工作站2臺(tái)、通信工作站1臺(tái)、打印機(jī)1臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備柜2套、UPS電源1套、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘1套、中控臺(tái)1套、大屏幕系統(tǒng)1套、監(jiān)控系統(tǒng)軟件1套、現(xiàn)地控制單元LCU 11套、直流系統(tǒng)1套、專用工具1套、用于測量泵房排水井水位的水位計(jì)1套、壓力計(jì)20套、流量計(jì)6套。

3 系統(tǒng)控制方式和對象

3.1 控制方式

DHF水庫輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方式分為如下幾層：

(1)調(diào)度中心遠(yuǎn)方監(jiān)控：在調(diào)度中心內(nèi)通過操作員工作站對本系統(tǒng)的閘門、泵站、閥門進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控；

(2)分中心遠(yuǎn)方監(jiān)控能在分中心通過操作員工作站對所轄區(qū)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，使得運(yùn)行人員在管理處就可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)轄區(qū)泵站和閘門的控制和監(jiān)視。

(3)現(xiàn)地監(jiān)控在設(shè)備投運(yùn)期間、設(shè)備檢修期及遠(yuǎn)方監(jiān)控方式發(fā)生故障等情況下，能通過各自的現(xiàn)地控制單元直接對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

控制權(quán)限按照不同的控制優(yōu)先級(jí)別來劃分，優(yōu)先級(jí)別為離控制對象越近，控制級(jí)別越高，現(xiàn)地控制單元有高的優(yōu)先權(quán)現(xiàn)地控制單元的控制優(yōu)先級(jí)別最高，分中心其次，調(diào)度中心的控制優(yōu)先級(jí)別最低?，F(xiàn)地控制與遠(yuǎn)方控制方式相互閉鎖，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。監(jiān)控系統(tǒng)在各種方式的切換時(shí)無擾動(dòng)，以保證生產(chǎn)設(shè)備的安全。LCU既作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地監(jiān)控設(shè)備，向主控級(jí)上行發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受主控級(jí)的下行命令對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，在主控級(jí)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)又能獨(dú)立工作。在系統(tǒng)總體功能分配上，數(shù)據(jù)采集和控制操作的主要功能均由LCU完成，其它的功能如運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、與外系統(tǒng)通訊、統(tǒng)計(jì)記錄等功能則由主站級(jí)計(jì)算機(jī)完成。

3.2 控制對象

對沿線的泵站、閘門、閥門、柴油發(fā)電機(jī)、變電所的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，同時(shí)對各觀測點(diǎn)的水位、流量和壓力進(jìn)行監(jiān)控。

對沿線的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制，以保證能做到隨時(shí)對設(shè)備的啟動(dòng)和停止的操控，達(dá)到對水量和水壓及水質(zhì)的監(jiān)測和調(diào)控。

對沿線的設(shè)備狀態(tài)、故障、報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測。

4 軟件的選擇

DHF計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域較前沿的面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)，使用貼近于工程應(yīng)用的客觀對象，給使用者提供集成環(huán)境下的簡便快速生成工具，構(gòu)造控制系統(tǒng)，以及完成現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。

DHF輸水工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用最佳的軟件配置，其中包括調(diào)度中心監(jiān)控軟件、分中心上位機(jī)監(jiān)控軟件、現(xiàn)地控制單元(LCU)監(jiān)控軟件以及為完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)功能而必須的通信軟件。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的DHF水庫輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)分層次、開放式，含有多個(gè)子系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和與安全數(shù)據(jù)的對比，可以了解大伙房水庫沿線各點(diǎn)的水文數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行控制。該系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)DHF水庫輸水工程自動(dòng)化，節(jié)約人力和財(cái)力，提高控制的實(shí)時(shí)性、可靠性和精度。