南水北調寶應站模型仿真培訓系統的研究與應用

孫 毅，張 暉，王連強，陳北帥，劉 芳，潘月喬

（1.南水北調江蘇泵站技術有限公司，江蘇 揚州 225000；2.南水北調東線江蘇水源有限責任公司揚州分公司，江蘇 揚州 225000；3.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

傳統水泵與水泵站業務培訓存在理論知識晦澀難懂、教學培訓時間長、培訓質量不高等問題。從技術方面來看，水泵及水泵站的業務培訓存在以下幾種缺點[1-2]：①理論授課較為枯燥乏味，即使配合實物圖片，依舊沒有實物教學效果出色；②在泵站現場參觀教學也只能看到水泵主機及輔機系統的外殼，無法直接看到其內部構造和作用；③泵站工程中油、氣、水、電等各個系統的組成、功能、原理、結構、位置、控制及走向也無法直觀看到，僅從相關圖紙學習，難以形成立體的印象；④水泵機組的解體檢修培訓，一般是通過跟現場、師帶徒的方式，耗時費力，培訓效率低下。從大中型泵站業務培訓的管理來看：①隨著大型泵站的應用越來越廣泛，對水泵及泵站的業務培訓需求不斷增多；②泵站管理單位當前培訓方法存在需求不明確的問題，缺乏成熟有效地培訓體系，將課程內容割裂開，導致課程之間缺少合適地銜接，培訓效果不夠理想。

綜上所述，改進和完善泵站業務的培訓方式十分必要。本文提出了一種以實物模型為基礎、開發上位機泵站系統智能仿真的培訓方式，實物模型以南水北調寶應站為原型參照，智能仿真應用了西門子PLC 及與其配套的WinCC 上位機開發軟件，采用Surface+大屏觸控一體機與實物模型燈帶相結合的演示方式。系統整體方案如圖1 所示，上位機開機流程圖如圖2 所示。

圖1 系統整體實施方案

圖2 上位機開機流程圖

1 系統硬件

1.1 寶應站模型制作

寶應站模型的制作思路是將泵站實體以不完全相似比例縮小，力求接近實際的產品。模型主要用來表達、研究泵站的形態與結構、各種構造性能、人機等關系。模型的各部分組件的尺寸與機構上的相互配合關系都嚴格按照設計要求進行制作。

模型內容包括寶應站水泵電機模型、水工建筑物、輔機設備等，模型各部分以不同顏色的燈光表達油、氣、水、電系統的走向。進、出水流道包括進水流道進口至出水流道出口之間的全部流道，材質均為透明有機玻璃。且廠房采用了剖面的體現形式，樓層之間采用透明結構可直觀體現設備，模型的整體制作大方美觀，體現了可視化的特點，十分有利于培訓教學。寶應站實物展示模型如圖3 所示。

圖3 寶應站實物展示模型

1.2 PLC 的選擇

PLC 的語言以梯形圖為主，梯形圖具有編程簡單、易于理解的優點。對計算機監控系統的仿真，主要是模擬一切在真實的系統中能進行的任何操作。包括開、停機，開關的分合閘操作及出現故障后的處理等，這些功能都可以通過編寫PLC 程序來實現，但并不是簡單地將原計算機監控系統（寶應站）的程序照搬過來，因為兩者在原理上有較大差別。實際計算機監控系統的PLC 程序中許多的信號都是從實際傳感器硬接點而來[3]，還有一部分信號則是從通信系統接來的；而在仿真系統中，這些系統都只能人為地進行初始化（或者從實際系統中讀取），賦予初值，然后通過一定的邏輯關系輸出顯示結果，也就是對真實的仿真對象逐一建模。一些PLC 主要生產廠家見表1。

表1 一些PLC 主要生產廠家

PLC 的選型原則主要為：

1）生產廠家的選擇；

2）輸入輸出（I/O）點數的估算；

3）PLC 存儲器容量的估算；

4）PLC 通信功能的選擇；

5）PLC 機型的選擇；

6）I/O 模塊的選擇；

7）特殊功能模塊的選擇。

1.3 PLC 的功能實現

本培訓系統PLC 選用德國西門子股份有限公司SMART 系列的SR60，其具有輸入量36 點，輸出量24點，另外擴展二塊數字量輸入模塊EM、DE32 具有輸入量16 點，輸出量16 點，完全可以滿足系統要求。

對寶應站計算機監控系統進行仿真，要實現的主要功能包括對泵站110 kV、10 kV 及400 V 電壓等級開關的操作培訓，主變、站變的操作培訓，開停機和機組事故停機的操作培訓等。同時對可能發生的主要故障或者事故進行模擬[4-5]，對此進行分析研究，增加學員對泵站工程的理解和面對異常情況的安全知識。PLC所要實現的主要功能為：

1）監測與接收大屏觸控一體機和Surface 的輸入信息；

2）實現主機與各輔機系統控制流程監測與輸出邏輯控制；

3）仿真故障發生控制處理與報警輸出；

4）與上位機通信，實現程序報警、控制畫面推送與動態控制流程仿真。

2 系統軟件

WinCC 是專用于西門子PLC SIMATIC 人機界面（HMI）的組態，其有著一套完備的組態開發環境，并提供類C 語言的腳本。其內嵌OPC 支持，可對分布式的系統進行組態。寶應站電氣主接線圖組態界面如圖4 所示。

圖4 寶應站電氣主接線圖組態界面

上位機軟件主要編寫的界面為寶應站機組運行主監控界面，包含機組運行狀態與信號、電機溫度和上下游水位的實時監測，打開模型控制鍵可實現寶應站模型燈帶顯示的單步操作或一鍵啟停，具有主機超速、冷卻水中斷、瓦溫過高和差動保護跳閘等一系列紅燈報警，實現站變和所變投入的機械互鎖功能。在現地手動狀態時，上位機的輸入信號對模型燈光不起作用，主要操作模型中自帶的手動按鈕[6]；當遠程狀態時，可實現大屏或Surface 信號輸入實時燈帶變化。另外還具有寶應站電氣主接線、低壓系統、風機系統、供排水系統、油系統、氣系統、水位和實時報表的仿真界面，WinCC的主要功能拓撲圖如圖5 所示。

圖5 WinCC 主要功能拓撲圖

3 系統開發

為了保證機組運行仿真計算機控制系統達到與寶應站機組實際的運行效果，在模型已有的輸入輸出量的基礎上，采取較多的仿真模擬場景，通過開發平臺設置較多的中間變量來觸發實際運行的采集量、故障等來達到機組運行的仿真效果[7]。也就是說，開發出的最后系統要求達到與機組實際運行基本相同的效果，具備與機組實際運行相同類似的功能、界面與故障報警等。

通過對現場模型開關面板的改裝，現場模型所設置的操作開關面板所有信號接入到PLC 中，通過相關的機組運行邏輯控制再輸出模型的燈光帶，同時不影響模型原來的手動所有功能；機組實際運行可能發生的報警與故障，通過軟件系統設置變量來完成。同時，利用模型開關面板上的備用開關來設置模型的手動/自動切換開關，處于手動位置時，具備原模型的基本功能，并且所有手動操作被計算機系統所監測。處于自動位置時，由系統程序控制，所具備的模擬功能與實際機組功能基本一致[8-9]。

為了保證效果，現場設置一套大屏幕觸摸系統，所有系統的界面與操作都可以在大屏幕上實現。

4 結束語

以南水北調寶應站為原型制作實物模型，并基于PLC 及其配套組態軟件WinCC 智能仿真寶應站機組和輔機系統運行，通過不同顏色的燈帶及燈光展現各個系統的工作狀態和流向，具有出色的直觀性和新穎性。其主要有以下的創新點：

1）制作了泵站實體模型來模擬泵站工程運行系統用作培訓；

2）制作了泵站工程系統全景模型，以單個顯示燈及流水燈帶走向的形式模擬機組油、氣、水、電的走向及過程控制；

3）采用Surface 和大屏演示一體機結合的培訓演示方式，培訓方式靈活多樣。

系統也存在著一些不足之處：

1）手持式Surface 在裝載服務器系統運行組態軟件的情況下，啟動與運行速度較慢；

2）缺少液壓閘門與拍門的聯動演示，系統的功能還需進一步加強。

通過南水北調寶應站模型仿真培訓系統的實際教學應用，經過統計得出：學員的結業考試成績提升約50%，培訓滿意度調查滿意率提升約40%，培訓效果顯著。