張玉平，張 毅

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控技術(shù)的研究

張玉平，張 毅

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

結(jié)合大型長距離輸水工程自動化系統(tǒng)的應用需求，對遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件平臺、控制策略、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)維護管理等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究與探討。

長距離輸水工程；遠方集中監(jiān)控

0 前言

長距離輸水工程具有線路長、覆蓋范圍大、地域分布廣、用戶多、系統(tǒng)龐雜、管理復雜、對自動化控制要求高等特點，為保證全線輸水的安全可靠與高效運行，充分發(fā)揮其巨大經(jīng)濟效益和社會效益，必須采用先進的自動化控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)，建設一套完善的、先進的遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)對眾多現(xiàn)地無人值班站進行遠方集中管理，實現(xiàn)輸水全線所有泵站現(xiàn)地站的統(tǒng)一自動控制和優(yōu)化調(diào)度。

1 設計原則

根據(jù)本單位在大型遠方集中控制系統(tǒng)平臺開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合大型長距離輸水工程自動化系統(tǒng)的特點，確立系統(tǒng)設計原則如下：

a)采用基于廣域控制專網(wǎng)的分層分布式開放系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建跨平臺長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)平臺，提高UNIX與Windows兩個平臺軟件的兼容性；

b)廣泛采用國際標準，遵循國家標準、行業(yè)標準和有關(guān)技術(shù)規(guī)程、規(guī)范，提高系統(tǒng)的標準化、通用化程度；

c)系統(tǒng)功能軟件齊全，充分考慮與其他系統(tǒng)的互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，并為各類高級應用軟件接入提供方便的軟件接口，提高系統(tǒng)的開放性；

d)廣泛采用分布處理技術(shù)和冗余技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫及控制功能分布，系統(tǒng)功能分布在網(wǎng)絡的各個節(jié)點中，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點的故障不影響其余節(jié)點的正常工作；

e)為達到“無人值班”，現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)應具有極高的可靠性，現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，取消中間環(huán)節(jié)，提高整體可靠性能。

f)具有齊全的集成開發(fā)工具軟件，提高系統(tǒng)開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)采用基于廣域控制專網(wǎng)的全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為遠方集中監(jiān)控層及現(xiàn)地控制層，遠方集中監(jiān)控層由系統(tǒng)中心站、分中心站監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)地控制層由眾多無人值班的現(xiàn)地站監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成。中心站、分中心站及現(xiàn)地站各監(jiān)控子系統(tǒng)依托輸水工程通信和計算機網(wǎng)絡構(gòu)建廣域控制專網(wǎng)，實現(xiàn)安全可靠的高速廣域網(wǎng)絡連接，形成一個完整的冗余控制專網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實時閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。

大型長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)是全線自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分，分布在中心站和分中心站的遠方監(jiān)控系統(tǒng)通過廣域控制專網(wǎng)與各現(xiàn)地站PLC和其它現(xiàn)地測控設備直接通信，完成實時數(shù)據(jù)采集與處理、遠方集中監(jiān)測、實時與歷史數(shù)據(jù)存儲管理等功能，并根據(jù)控制權(quán)限和控制命令對現(xiàn)地站PLC進行遠方控制。

大型長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)采用開放的分層分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有良好的擴充性，實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設備配置可根據(jù)實際輸水工程自動化控制系統(tǒng)規(guī)模大小、實際應用需求、總體功能和性能要求進行靈活配置。系統(tǒng)軟件采用分布式模塊化結(jié)構(gòu)，配置及擴充靈活方便。

根據(jù)系統(tǒng)功能與可靠性等性能指標要求，中心站和分中心站系統(tǒng)配置建議采用雙重冗余配置的千兆以太網(wǎng)交換機作為主干網(wǎng)絡交換機，計算機系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，主要設備冗余配置，規(guī)模靈活可變，根據(jù)工程實際應用要求靈活調(diào)整。

為保證遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與實時性，在分中心站通過對采集服務器進行負荷平衡管理與互備冗余配置，實現(xiàn)對分中心站所屬各現(xiàn)地站PLC和其它現(xiàn)地測控設備的通信，完成實時數(shù)據(jù)采集和控制功能，并負責為遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)及其他下屬部門提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務。

為進一步提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，可在中心站配置數(shù)據(jù)采集服務器，與各分中心站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務構(gòu)成冗余熱備系統(tǒng)，當分中心站實時采集服務器均發(fā)生故障時，可由中心站配置的采集服務器，接替其工作，實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地站PLC數(shù)據(jù)采集功能的無擾動自動切換，并負責為中心站、分中心站和其他下屬部門提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務。

為了保護用戶的投資和開發(fā)的延續(xù)性，系統(tǒng)采用跨平臺解決方案，即系統(tǒng)主要的服務器一般采用64位服務器與UNIX操作系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)性能和工作的穩(wěn)定性，完成輔助功能的服務器與工作站可采用PC服務器和Windows操作系統(tǒng)?？缙脚_的解決方案是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

各遠方集中監(jiān)控子系統(tǒng)服務器與工作站實際配置應根據(jù)應用需要靈活確定。以下為系統(tǒng)的典型配置（圖1）：

圖1 長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC直接上網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，取消中間環(huán)節(jié)，提高整體可靠性能；各個現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)也不會因遠方控制級發(fā)生故障而影響現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)各自承擔的監(jiān)控功能?，F(xiàn)地站控制層可與遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制層離線獨立運行。

3 系統(tǒng)軟件平臺

監(jiān)控系統(tǒng)平臺采用面向服務器的跨平臺分布式系統(tǒng)架構(gòu)模式實現(xiàn)，可實現(xiàn)分布式環(huán)境下高效網(wǎng)絡數(shù)據(jù)訪問服務器，同時使系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴展性，能適應不同的應用和優(yōu)化調(diào)度模型的需要。

面向服務器已成為當今信息系統(tǒng)的發(fā)展方向，其特點是系統(tǒng)軟件由一系列具有特定功能的服務器組成，服務器可以配置在網(wǎng)絡中任意位置的節(jié)點上，并可被復制和重復使用，服務器既可獨立運行也可協(xié)同工作。采用面向服務器的分布式系統(tǒng)架構(gòu)不僅使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰簡潔，也提高了系統(tǒng)的靈活性與可靠性。

大型長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設計廣泛采用分布處理技術(shù)和軟硬件冗余技術(shù)以提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，系統(tǒng)中任何一個計算機節(jié)點的應用軟件和服務器可根據(jù)用戶實際需求靈活配置，應用軟件和服務器可以配置在網(wǎng)絡中任意位置的節(jié)點上，并可被復制和重復使用，既可獨立運行也可協(xié)同工作。如數(shù)據(jù)采集服務器、應用服務器、調(diào)度員站或工程師站，各計算機節(jié)點根據(jù)不同的授權(quán)和具體配置實現(xiàn)不同的功能和服務。當任何一個計算機節(jié)點出現(xiàn)故障時，可通過自動切換或授權(quán)調(diào)整實現(xiàn)功能的重新分配。如正常運行時，工程師站不具備現(xiàn)場設備的操作控制權(quán)，但經(jīng)過權(quán)限的調(diào)整，可以進行控制操作。因此，當一個系統(tǒng)具有多臺計算機節(jié)點時，計算機出現(xiàn)全部調(diào)試故障的概率可以認為是零，系統(tǒng)永遠是可控的。

目前由于計算機的硬件資源相對豐富，很多原先需要很高配置的設備完成的工作一般計算機均能完成，因此，將現(xiàn)地人機聯(lián)系計算機節(jié)點的功能也充分提升，基本上可以完成主控級的人機聯(lián)系任務，使系統(tǒng)的控制可靠性得到進一步加強。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及控制功能采用分布處理架構(gòu)，全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫分布在中心站和分中心站遠程監(jiān)控系統(tǒng)計算機中，各現(xiàn)地站單元數(shù)據(jù)庫分布在各個現(xiàn)地站控制層中，系統(tǒng)功能分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上，每個節(jié)點嚴格執(zhí)行指定的任務并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡與其它節(jié)點進行通信，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點的故障不影響其余節(jié)點的正常工作，并可通過冗余配置或系統(tǒng)功能的重新分配使受影響的系統(tǒng)局部功能及時恢復；采用冗余配置時，系統(tǒng)中全部冗余設備的檢測及切換由軟件自動完成，必要時也可通過手動切換，切換過程無擾動。

現(xiàn)地站獨立完成實時數(shù)據(jù)采集，為本現(xiàn)地站更新實時數(shù)據(jù)庫。負責與PLC和其它節(jié)點通信、數(shù)據(jù)采集與處理、向PLC發(fā)送控制指令。這樣，既有利于PLC的安全，又能減輕PLC的負擔，使得系統(tǒng)更安全、穩(wěn)定、可靠。

4 控制權(quán)管理

系統(tǒng)控制方式分為兩種：遠方和現(xiàn)地?，F(xiàn)地方式是指在現(xiàn)地站，通過現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)或手動裝置進行設備的操作控制，此時遠方集中控制功能被閉鎖。只有現(xiàn)地站運行在遠方方式下，中心站、分中心站才可對該現(xiàn)地站均可進行自動控制。

正常情況下，控制方式應該為中心站/分中心站遠方控制方式。

根據(jù)輸水業(yè)務運行管理的需要，中心站、分中心站和現(xiàn)地站均具備控制功能，系統(tǒng)需為每個現(xiàn)地站建立一個"中心站/分中心站/現(xiàn)地站"控制權(quán)切換軟開關(guān)，以確保在正常情況下，每個現(xiàn)地站同一時刻均只能有一處獲得其控制權(quán)，系統(tǒng)控制權(quán)的切換需通過嚴格的控制權(quán)管理軟件實現(xiàn)。

現(xiàn)地站系統(tǒng)控制權(quán)限最高，分中心站次之，中心站最低。當不同級別的用戶控制同一設備時，控制權(quán)限高的用戶優(yōu)先獲得控制權(quán)?，F(xiàn)地站可根據(jù)實際情況，隨時切換控制權(quán)，對本現(xiàn)地站進行現(xiàn)地操作，當遇到緊急情況時，現(xiàn)地站可直接進行緊急處理操作，并發(fā)出告警信息。

大型長距離輸水工程監(jiān)控系統(tǒng)具有控制層次多、被控設備多、操作復雜的特點，在控制權(quán)限管理和操作用戶權(quán)限管理的基礎上，宜增加調(diào)度員站控制范圍設定功能，對每臺調(diào)度員站的設備控制范圍進行設定，便于對全線各現(xiàn)地站實現(xiàn)靈活有效的運行管理。

為防止多臺監(jiān)控終端對同一設備同時操作，系統(tǒng)還應具備操作對象鎖定功能，當某臺監(jiān)控終端對一設備操作時，通過設置鎖定標志，此時其他調(diào)度員站對該設備操作時系統(tǒng)將給出相應提示并閉鎖其對該設備的操作。

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為兩類：實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)為記錄完整生產(chǎn)運行過程數(shù)據(jù)，包含所有現(xiàn)場實際采集數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)運行管理數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)掃描周期存儲，特點是實時性要求高。

歷史數(shù)據(jù)是根據(jù)應用系統(tǒng)的需要，按照不同的周期存儲的定時數(shù)據(jù)，或按觸發(fā)條件存儲的變化報警數(shù)據(jù)。

(1)實時數(shù)據(jù)管理

實時數(shù)據(jù)采用全分布式實時數(shù)據(jù)庫管理機制，具有方便高效的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計和通用開放的接口，提供對當前主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支持，可根據(jù)具體工程應用和用戶需求進行集成。

為最大限度地保證系統(tǒng)的實時性與可靠性，系統(tǒng)平臺中實時數(shù)據(jù)庫采用獨具特色的全冗余分布式結(jié)構(gòu)，其中中心站實時數(shù)據(jù)庫包含全線所有現(xiàn)地站的實時數(shù)據(jù)，分中心站實時數(shù)據(jù)庫包含本分中心站所屬現(xiàn)地站的實時數(shù)據(jù)，現(xiàn)地站存儲本站實時數(shù)據(jù)，可有效地避免實時數(shù)據(jù)集中存放帶來的可靠性和通信瓶頸等問題。能夠運行在各種Unix，及Windows平臺下，實現(xiàn)實時過程數(shù)據(jù)的管理和存取。

(2)歷史數(shù)據(jù)存儲機制

系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)服務完成中心站和分中心站遠程現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢與維護管理功能，以企業(yè)版商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為后臺數(shù)據(jù)庫，C/S體系結(jié)構(gòu)，不僅可將實時數(shù)據(jù)按不同周期自動存入歷史數(shù)據(jù)庫，形成各類報表數(shù)據(jù)，而且可以將各類特征數(shù)據(jù)、報警信息、操作記錄、趨勢記錄等自動存入數(shù)據(jù)庫，形成各類特征記錄歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)可根據(jù)工程應用的實際需要進行各類數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設計。

歷史數(shù)據(jù)服務支持不同的后臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并與系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的運行維護協(xié)調(diào)一致，具有方便高效的商業(yè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設計和通用開放的商業(yè)歷史庫接口。

6 系統(tǒng)維護管理

分布式廣域網(wǎng)絡控制系統(tǒng)必須具備完善的系統(tǒng)運行維護、檢測自診斷與自恢復功能，并提供系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程集中監(jiān)測功能，可實時集中監(jiān)測系統(tǒng)設備、網(wǎng)絡的運行狀況。系統(tǒng)各設備不僅自檢，還通過網(wǎng)絡進行設備間的互檢，出現(xiàn)系統(tǒng)異常情況及時報警，通知運行人員維護處理，并可對某些異常情況進行自動自恢復或冗余部件切換處理。完善的系統(tǒng)自診斷與自恢復功能是實現(xiàn)現(xiàn)地“無人值班”的重要條件。

現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)是個生產(chǎn)運行控制系統(tǒng)，一般情況下，系統(tǒng)維護不能影響系統(tǒng)的正常運行，并要保證監(jiān)控服務、PLC系統(tǒng)、各級遠程監(jiān)控子系統(tǒng)的一致性。因此，必須建立統(tǒng)一的維護管理體系，采用以遠程維護為主的方式，實現(xiàn)監(jiān)控軟件平臺定義、修改和部署，PLC系統(tǒng)和各級遠程監(jiān)控子系統(tǒng)的程序更新，及時、快速、準確、高效地完成系統(tǒng)維護工作。

7 結(jié)束語

大型長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控系統(tǒng)作為全線自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，具有規(guī)模大、控制復雜、技術(shù)要求高、難度大的特點，我國現(xiàn)有自主研發(fā)系統(tǒng)普遍缺乏工程應用經(jīng)驗，特別是在大規(guī)模長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控技術(shù)的研究還存在一定差距，因此結(jié)合本單位在城市引水泵站綜合自動化系統(tǒng)項目研究成果、長距離水調(diào)自動化工程經(jīng)驗，以及在大型梯級水電廠遠方集中控制方面的技術(shù)優(yōu)勢，通過對大型長距離輸水工程遠方集中監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)難點的研究，對提高我國長距離大型輸水工程自動化和安全運行管理水平具有重要和深遠的意義。

TV 736

B

1672-5387（2010）03-0050-03

2010-04-28

張玉平(1973-)，女，高級工程師，碩士，主要從事電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)、研制工作。（E-mail∶jskfb@iwhr.com）