DHF水庫輸水工程自動化系統設計與實現

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、發電、養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的生產、生活、經濟具有重要的意義。為獲得水庫的水位和流量實時數據，對水庫系統進行合理的調控以保證其運行在安全參數以內，有必要設計水庫的自動化監測和調控系統。整個水庫輸水工程有調度中心、配水站、加壓泵和取水頭組成。該工程有利于水庫運行聯調決策支持、工程監測與安全運行評估、事故應急處理預案與決策支持等。

1 系統設計與實現方式

1.1 系統的設計

本系統由各點的監測分中心和調度控制中心組成，包含有DHF輸水工程調度中心及5個配水站、1個加壓泵站、1個取水頭部(取水口監控分中心)。DHF水庫計算機監控系統的監控內容包括：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、機電設備等各類數據自動采集、實時監測、實時預報、實時控制等，并能對采集的數據進行預處理，存儲并迅速轉發到調度管理中心。輸水工程調度中心監控系統接受并處理各分監控中心所有的監測、監控數據，并能對各監控系統進行遠程控制，對接收的數據進行分析處理，為調度系統提供數據。輸水系統的運行由調度中心統一調度管理。調度中心實時監測輸水系統運行，動態管理輸水流量。計算機監控系統根據調度中心的控制要求完成對所控設備的控制。

1.2 自動化的實現方式

DHF水庫輸水工程的自動化是一個數據自動采集、數據分析與比較、數據輸出、自動控制、故障監測的過程。由于該輸水工程點多、線長，所以其實現方式必定是多點監測統一調度。即通過對配水站、加壓泵站、取水頭部及分中心的數據進行采集，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據傳輸到中心，中心在綜合各分中心的數據后對各分點的控制進行優化和改進。

1.3 系統設計原則

由于DHF水庫工程監測點多、分布范圍廣，工程地遠離城鎮。所以系統的設計應當保證技術可靠、穩定、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控系統。計算機監控系統按安全、可靠、經濟、實用的原則進行設計和配置，保證計算機監控系統高度可靠。

2)分控中心計算機監控系統與調度中心之間進行通信，可實現遙信、遙測、遙控和遙調的功能。

3)采用全分布開放式冗余系統，便于功能和硬件的擴充，又能充分保證高的性能價格比。分布式數據庫及軟件模塊化、標準化的設計，確保系統具有良好的可靠性，可擴充性和可移植性，并支持異型機互聯。

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

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 系統結構及組成

2.1 系統結構

DHF自動化系統在系統實時性、可靠性、經濟性以及控制精確度方面要求較高，因此系統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：

計算機控制系統采用分布式結構；

1)監控系統中的關鍵設備均采用冗余配置，包括：操作員工作站、網絡設備、PLC的CPU等設備，此外與控制信號采集和控制命令的發送均采用現場總線和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控結構。

圖1 分布式監控結構示意圖

3)水庫輸水工程監控系統通訊網絡采用如圖2所示的開放式、分層、分布式網絡結構。一層通訊網絡：調度中心與取水頭監控分中心、加壓泵站及各配水站監控分中心間的通訊，采用冗余百兆以太網通訊網絡。二層通訊網絡：各監控分中心內現地控制單元與本中心監控計算機之間的通訊。各監控分中心內采用工業以太網交換機，將各現場設備控制單元(PLC)與監控計算機連接。三層通訊網絡：各現地控制單元與現場設備、傳感器、控制器之間的通訊，采用Modbus現場總線方式。

圖2 網絡結構圖

2.2 系統配置

各中心根據需要同時考慮經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、網絡設備、UPS電源、GPS衛星時鐘、打印機、大屏幕顯示系統、操作系統軟件Windows NT、監控軟件EC2000、流量計、網絡設備柜、現地控制單元LCU、直流系統、專用工具、中控臺、水位計、壓力計、網絡交換機、超聲波流量計等。以加壓泵站計算機監控系統的配置為例，加壓泵站主要監控對象是主干上的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、泵站內電源等。加壓泵站計算機監控系統設備包括：操作員工作站2臺、通信工作站1臺、打印機1臺，網絡交換機及網絡設備和網絡設備柜2套、UPS電源1套、GPS衛星時鐘1套、中控臺1套、大屏幕系統1套、監控系統軟件1套、現地控制單元LCU 11套、直流系統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采用分層分布式結構，計算機監控系統的監控方式分為如下幾層：

(1)調度中心遠方監控：在調度中心內通過操作員工作站對本系統的閘門、泵站、閥門進行遠方監控；

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

(3)現地監控在設備投運期間、設備檢修期及遠方監控方式發生故障等情況下，能通過各自的現地控制單元直接對設備進行監控。

控制權限按照不同的控制優先級別來劃分，優先級別為離控制對象越近，控制級別越高，現地控制單元有高的優先權現地控制單元的控制優先級別最高，分中心其次，調度中心的控制優先級別最低。現地控制與遠方控制方式相互閉鎖，以保證系統運行的可靠性和安全性。監控系統在各種方式的切換時無擾動，以保證生產設備的安全。LCU既作為整個監控系統的現地監控設備，向主控級上行發送采集的各種數據和事件信息，接受主控級的下行命令對設備進行監控，在主控級設備或網絡故障時又能獨立工作。在系統總體功能分配上，數據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視、事件報警、與外系統通訊、統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、柴油發電機、變電所的設備進行監視和控制，同時對各觀測點的水位、流量和壓力進行監控。

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的監測和調控。

對沿線的設備狀態、故障、報警量進行監測。

4 軟件的選擇

DHF計算機監控系統軟件采用計算機領域較前沿的面向對象技術進行系統設計和軟件實現，使用貼近于工程應用的客觀對象，給使用者提供集成環境下的簡便快速生成工具，構造控制系統，以及完成現場調試和維護。

DHF輸水工程計算機監控系統采用最佳的軟件配置，其中包括調度中心監控軟件、分中心上位機監控軟件、現地控制單元(LCU)監控軟件以及為完成整個監控系統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是一個分層次、開放式，含有多個子系統的綜合自動化系統。通過對監測數據的采集和與安全數據的對比，可以了解大伙房水庫沿線各點的水文數據，并對其進行控制。該系統能很好的實現DHF水庫輸水工程自動化，節約人力和財力，提高控制的實時性、可靠性和精度。