DHF水庫輸水工程自動化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

徐芊芊

(新疆水利水電勘測設計研究院，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，其運行的安全性對周邊地區(qū)的生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟具有重要的意義。為獲得水庫的水位和流量實時數(shù)據(jù)，對水庫系統(tǒng)進行合理的調(diào)控以保證其運行在安全參數(shù)以內(nèi)，有必要設計水庫的自動化監(jiān)測和調(diào)控系統(tǒng)。整個水庫輸水工程有調(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行聯(lián)調(diào)決策支持、工程監(jiān)測與安全運行評估、事故應急處理預案與決策支持等。

1 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方式

1.1 系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)由各點的監(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個配水站、1個加壓泵站、1個取水頭部(取水口監(jiān)控分中心)。DHF水庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容包括：5個配水站、1個加壓泵站、1個取水頭部所涉及的閘門、抽水泵、調(diào)流閥和電動蝶閥等設備的控制和運行工況、流量測量、水位、壓力、供電回路的運行工況等。各分中心對隧洞、機電設備等各類數(shù)據(jù)自動采集、實時監(jiān)測、實時預報、實時控制等，并能對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，存儲并迅速轉(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)控數(shù)據(jù)，并能對各監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程控制，對接收的數(shù)據(jù)進行分析處理，為調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。輸水系統(tǒng)的運行由調(diào)度中心統(tǒng)一調(diào)度管理。調(diào)度中心實時監(jiān)測輸水系統(tǒng)運行，動態(tài)管理輸水流量。計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度中心的控制要求完成對所控設備的控制。

1.2 自動化的實現(xiàn)方式

DHF水庫輸水工程的自動化是一個數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)分析與比較、數(shù)據(jù)輸出、自動控制、故障監(jiān)測的過程。由于該輸水工程點多、線長，所以其實現(xiàn)方式必定是多點監(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)進行采集，由相關軟件分析之后做出初步判斷，在對本分點進行控制的同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行?，中心在綜合各分中心的數(shù)據(jù)后對各分點的控制進行優(yōu)化和改進。

1.3 系統(tǒng)設計原則

由于DHF水庫工程監(jiān)測點多、分布范圍廣，工程地遠離城鎮(zhèn)。所以系統(tǒng)的設計應當保證技術可靠、穩(wěn)定、成熟，功能實用、使用維護方便的設計原則。具體要求如下：

1)DHF水庫輸水工程自動控制依靠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)按安全、可靠、經(jīng)濟、實用的原則進行設計和配置，保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)高度可靠。

2)分控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心之間進行通信，可實現(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充，又能充分保證高的性能價格比。分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化、標準化的設計，確保系統(tǒng)具有良好的可靠性，可擴充性和可移植性，并支持異型機互聯(lián)。

4)系統(tǒng)高度可靠，自身的局部故障不會影響現(xiàn)場設備的正常運行，系統(tǒng)的MTBF、MTTR及各項可用性指標均達到部頒《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件》DL/T578—95的規(guī)定。

5)實時性好，抗干擾能力強；人機接口功能強，界面友好、操作方便。

2 系統(tǒng)結構及組成

2.1 系統(tǒng)結構

DHF自動化系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、可靠性、經(jīng)濟性以及控制精確度方面要求較高，因此系統(tǒng)從結構方面也要考慮對以上性能的要求，主要包括以下幾個方面：

計算機控制系統(tǒng)采用分布式結構；

1)監(jiān)控系統(tǒng)中的關鍵設備均采用冗余配置，包括：操作員工作站、網(wǎng)絡設備、PLC的CPU等設備，此外與控制信號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)控結構。

圖1 分布式監(jiān)控結構示意圖

3)水庫輸水工程監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡采用如圖2所示的開放式、分層、分布式網(wǎng)絡結構。一層通訊網(wǎng)絡：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。二層通訊網(wǎng)絡：各監(jiān)控分中心內(nèi)現(xiàn)地控制單元與本中心監(jiān)控計算機之間的通訊。各監(jiān)控分中心內(nèi)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將各現(xiàn)場設備控制單元(PLC)與監(jiān)控計算機連接。三層通訊網(wǎng)絡：各現(xiàn)地控制單元與現(xiàn)場設備、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)絡結構圖

2.2 系統(tǒng)配置

各中心根據(jù)需要同時考慮經(jīng)濟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)絡設備、UPS電源、GPS衛(wèi)星時鐘、打印機、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、網(wǎng)絡設備柜、現(xiàn)地控制單元LCU、直流系統(tǒng)、專用工具、中控臺、水位計、壓力計、網(wǎng)絡交換機、超聲波流量計等。以加壓泵站計算機監(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臺泵及分支上的3臺泵，以及每臺泵相關的進口蝶閥、出口液控環(huán)閉蝶閥、出口蝶閥、進口和出口壓力計等，此外還有泵房的排水泵、加氯間的狀態(tài)、泵站內(nèi)電源等。加壓泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設備包括：操作員工作站2臺、通信工作站1臺、打印機1臺，網(wǎng)絡交換機及網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡設備柜2套、UPS電源1套、GPS衛(wèi)星時鐘1套、中控臺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1套、壓力計20套、流量計6套。

3 系統(tǒng)控制方式和對象

3.1 控制方式

DHF水庫輸水工程自動化系統(tǒng)采用分層分布式結構，計算機監(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、閥門進行遠方監(jiān)控；

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

(3)現(xiàn)地監(jiān)控在設備投運期間、設備檢修期及遠方監(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備進行監(jiān)控。

控制權限按照不同的控制優(yōu)先級別來劃分，優(yōu)先級別為離控制對象越近，控制級別越高，現(xiàn)地控制單元有高的優(yōu)先權現(xiàn)地控制單元的控制優(yōu)先級別最高，分中心其次，調(diào)度中心的控制優(yōu)先級別最低。現(xiàn)地控制與遠方控制方式相互閉鎖，以保證系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。監(jiān)控系統(tǒng)在各種方式的切換時無擾動，以保證生產(chǎn)設備的安全。LCU既作為整個監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地監(jiān)控設備，向主控級上行發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受主控級的下行命令對設備進行監(jiān)控，在主控級設備或網(wǎng)絡故障時又能獨立工作。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，其它的功能如運行監(jiān)視、事件報警、與外系統(tǒng)通訊、統(tǒng)計記錄等功能則由主站級計算機完成。

3.2 控制對象

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

對沿線的運行設備進行控制，以保證能做到隨時對設備的啟動和停止的操控，達到對水量和水壓及水質(zhì)的監(jiān)測和調(diào)控。

對沿線的設備狀態(tài)、故障、報警量進行監(jiān)測。

4 軟件的選擇

DHF計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用計算機領域較前沿的面向?qū)ο蠹夹g進行系統(tǒng)設計和軟件實現(xiàn)，使用貼近于工程應用的客觀對象，給使用者提供集成環(huán)境下的簡便快速生成工具，構造控制系統(tǒng)，以及完成現(xiàn)場調(diào)試和維護。

DHF輸水工程計算機監(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監(jiān)控系統(tǒng)功能而必須的通信軟件。

5 結語

設計的DHF水庫輸水工程自動化系統(tǒng)是一個分層次、開放式，含有多個子系統(tǒng)的綜合自動化系統(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的水文數(shù)據(jù)，并對其進行控制。該系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)DHF水庫輸水工程自動化，節(jié)約人力和財力，提高控制的實時性、可靠性和精度。