劉 錦，李 欣，張亞軍

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

烏江銀盤水電站位于烏江干流下游河段，重慶市武隆縣內(nèi)，為烏江干流水電梯級開發(fā)中的第11 個梯級水電站，電站總裝機(jī)容量為600 MW，單機(jī)容量150 MW。其中，船閘設(shè)計級別為500 t，航道等級為IV 級，2015 年09 月22 日通航運行。

銀盤船閘由上閘首、下閘首、放置船舶的閘室、上游引航道、下游引航道、上游人字門、下游一字門、上游和下游輸水門以及控制這些閘門的液壓啟閉機(jī)和電氣控制系統(tǒng)組成。船舶上行的程序是船舶由水電站下游進(jìn)入下游引航道，開啟下游輸水門使閘室泄水與下游水位齊平，打開下閘首一字門，船舶由下游引航道駛?cè)腴l室，關(guān)閉下閘首一字門，開啟上游輸水門使閘室充水與上游水位齊平，打開上閘首人字門，船舶駛出閘室，通過上游引航道進(jìn)入水電站上游。上行程序結(jié)束，進(jìn)入下行程序。船舶下行的程序與此相類似[1]。

1 設(shè)計原則

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)銀盤船閘工程的要求遵循以下原則：

（1）安全可靠性。在硬件設(shè)計上，中央控制站與現(xiàn)地子站之間通過環(huán)型光纖工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在軟件設(shè)計上，選用良好穩(wěn)定性的32 位網(wǎng)絡(luò)MicroSoft WINDOWS XP 中文版操作系統(tǒng)和西門子公司的WINCC V7.0 監(jiān)控組態(tài)軟件，保證了系統(tǒng)的可靠性與容錯性。

（2）開放性。監(jiān)控軟件和硬件選用開放性平臺，系統(tǒng)局域網(wǎng)LAN 選用100 M以太網(wǎng)，TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，預(yù)留與電站將來可能出現(xiàn)的其他系統(tǒng)的接口[2]。

（3）易維護(hù)性。在硬件配置設(shè)計上盡可能統(tǒng)一選型，控制元器件的互換性強(qiáng)，模塊采用即插即用，便于備品備件的統(tǒng)一采購和設(shè)備維護(hù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

銀盤船閘控制系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個監(jiān)控系統(tǒng)分成中央控制級和現(xiàn)地控制層[3]。

中央控制級和現(xiàn)地控制單元之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，并組成冗余環(huán)網(wǎng)，現(xiàn)地控制單元和RIO 單元之間通過profibus DP 網(wǎng)相聯(lián)。

中央控制級布置于船閘集控室內(nèi)，由操作員站、工程師站、多媒體站組成，中央控制級的計算機(jī)單元能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備并能實時記錄系統(tǒng)內(nèi)的所有運行參數(shù)，供調(diào)閱和查詢。

現(xiàn)地控制層共4 個，分別布置于上、下閘首的左、右岸，同閘首的左、右兩側(cè)現(xiàn)地站PLC 單元采用熱備系統(tǒng)單元，通過光纖實現(xiàn)雙機(jī)熱備連接。

2.1 硬件配置

銀盤船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由計算機(jī)及顯示器、用于連接計算機(jī)與現(xiàn)地控制單元的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、廣播通訊工作站和工業(yè)電視管理服務(wù)器、UPS 電源等組成。通過集控室的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)接入以太環(huán)網(wǎng)，接入的設(shè)備有2臺集控操作員站、1 臺工程師站、1 臺通訊工作站及打印機(jī)等設(shè)備，其中，2 臺集控操作員站互為冗余，充分保證系統(tǒng)的可靠性[4]。

通過與工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)和廣播語音系統(tǒng)的配合使用，運行人員可以隨時掌握通航情況，可為其調(diào)度和指揮提供參考，有效提高通航效率，確保通行安全。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

銀盤船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場各設(shè)備單元布置相對分散，各現(xiàn)地單元之間具有聯(lián)動性、互鎖性的特點，整個系統(tǒng)主體采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)，以光纜作為主通訊介質(zhì)，各單元柜內(nèi)采用光纖作為通訊介質(zhì)，組成整個網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)通訊的快速性、準(zhǔn)確性和抗干擾性，能夠適應(yīng)船閘的現(xiàn)場惡劣環(huán)境。

在每個通訊單元內(nèi)設(shè)置一個光電轉(zhuǎn)換機(jī)作為鏈接分支器，實現(xiàn)通訊單元至通訊網(wǎng)絡(luò)的鏈入。

系統(tǒng)的中央控制級、上閘首左子站、上閘首右子站、下閘首左子站、下閘首右子站等采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)鏈接，以確保系統(tǒng)通訊的可靠性，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)硬布線

銀盤船閘控制系統(tǒng)具有急停功能，中控室控制臺上的紅色急停按鈕可以切斷上下閘首控制柜的控制電源，使液壓啟閉機(jī)泵站設(shè)備停止運行；控制臺上的紅色緊急關(guān)輸水門按鈕可以發(fā)出關(guān)閉各閘首輸水門的信號。這兩個急停按鈕通過控制電纜以硬接線的方式連接至上下閘首各控制柜中。

上閘首左子站的閘門全關(guān)信號通過硬接線方式接入上閘首右子站系統(tǒng)，與上閘首右子站系統(tǒng)單元側(cè)全關(guān)信號，二者一起輸出上閘首閘門全關(guān)指令，并將此信號通過硬接線方式輸送給下閘首左、右子站系統(tǒng)。下閘首系統(tǒng)的硬接線同上閘首系統(tǒng)相類似。

3 軟件功能

銀盤船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件是船閘控制系統(tǒng)的監(jiān)測中心，負(fù)責(zé)整個船閘控制系統(tǒng)的實時監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、啟閉閘門及通航指揮燈的流程控制等，具有控制和監(jiān)視雙重作用。還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、船閘的實時動態(tài)運行屏幕顯示、事件順序記錄、時鐘同步、事故處理及恢復(fù)操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、實時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、記錄及歷史報表打印、系統(tǒng)設(shè)備運行維護(hù)管理、軟件開發(fā)及培訓(xùn)等功能。

3.1 運行狀態(tài)監(jiān)控

啟動監(jiān)控軟件，進(jìn)入上位監(jiān)控系統(tǒng)后，首先進(jìn)入監(jiān)控主畫面，主畫面顯示船閘主要數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)監(jiān)控主畫面如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

船閘運行主畫面是軟件的核心畫面，船閘的當(dāng)前信息，操作控制和關(guān)鍵設(shè)備的主要運行狀態(tài)都集中在該畫面中，畫面顯示船閘運行期間主要參數(shù)，運行以動畫的方式顯示船閘系統(tǒng)各設(shè)備運行狀態(tài)，操作人員無需頻繁切換畫面就可以了解整個船閘的的運行狀態(tài)。畫面整體由側(cè)視和俯視兩張圖構(gòu)成，從兩個不同的角度反映了船只過閘情況，每張圖都體現(xiàn)出了應(yīng)有的結(jié)構(gòu)。鑒于主畫面的使用頻率最高，所以一些主要的、需要長期觀察的數(shù)據(jù)在主畫面中體現(xiàn)出來，如閘門開度和狀態(tài)、各側(cè)水位高程、交通指揮燈狀態(tài)、報警信息等。

通過在系統(tǒng)監(jiān)控主畫面中選擇系統(tǒng)操作控制欄中的相關(guān)選項，可以實現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)備、船閘的自動上行和下行、船閘的單步上行和下行、方式清除、下班停運等控制功能。

3.2 操作安全保護(hù)

銀盤船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為了確保系統(tǒng)安全可靠運行，防止誤操作引發(fā)的通閘事故，不論在“自動”下的“集控”、“現(xiàn)地”或“檢修”工作狀態(tài)，本系統(tǒng)都具有上下閘首互鎖保護(hù)功能，下閘首一字門和輸水門全部關(guān)閉到位后，上閘首人字門或輸水門才能開啟；同樣，上閘首人字門和輸水門全部關(guān)閉到位后，下閘首一字門或輸水門才能開啟。

系統(tǒng)軟件還設(shè)置了誤操作報警及自動保護(hù)，對于違反船閘運行流程的操作不予執(zhí)行，提示操作員注意。

3.3 故障報警功能

報警畫面是構(gòu)成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要組成頁面，用來實時檢測被控對象、環(huán)境及工況的各種非正常狀態(tài)。報警時間一般根據(jù)事件的緊急程度和嚴(yán)重程度分級，對于正常事件、一般事件、嚴(yán)重事件進(jìn)行分類處理，并采用不同背景色，前景色及警報聲音等組合來表達(dá)，幫助運行人員正確處理各類信號[5]。

銀盤船閘報警畫面包括故障報警彈出窗、實時故障報警記錄框、報警燈顯示、歷史報警記錄及查詢，通過輸入不同查詢條件可以切換不同報警，也可以添加、修改及刪除報警查詢條件，通過修改查詢條件可以切換到歷史報警，保證了船閘運行的可追溯性，便于查詢維修，系統(tǒng)報警畫面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)報警畫面

3.4 歷史事件查詢和分析

通過計算機(jī)監(jiān)控軟件中的歷史趨勢分析窗口，可以實現(xiàn)兩個功能，實時跟蹤和歷史查詢。實時跟蹤是用來監(jiān)控當(dāng)前動態(tài)點的變化趨勢；歷史查詢則用來表達(dá)某動態(tài)點值在一段時間內(nèi)的變化趨勢過程。趨勢頁面一般用來觀察模擬量值，反映出設(shè)備在運行時各參數(shù)之間的變化關(guān)系以及設(shè)備是否發(fā)生突變，進(jìn)而直接展現(xiàn)設(shè)備運行的全過程。

對于每個現(xiàn)地子站的重要模擬量數(shù)據(jù)，如上下游及閘室水位值、上游人字門、下游一字門、輸水門的開度值等，監(jiān)控系統(tǒng)均配置實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，歷史曲線可以放大、縮小并通過查詢區(qū)間來觀察不同時間段的數(shù)據(jù)變化信息，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線如圖4。

圖4 實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線

4 結(jié)語

銀盤船閘位于烏江下游河段，上游接彭水水電站。它的投入運行，標(biāo)志著從武隆至彭水段由于電站的建設(shè)而中斷的烏江航道恢復(fù)了通航。船閘經(jīng)過3 年多的運行，表明該系統(tǒng)的監(jiān)控畫面顯示齊全、系統(tǒng)操作簡單、控制程序邏輯動作正確，配置的硬件合理，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠，滿足了船閘設(shè)備監(jiān)控和安全運行的要求。通航實踐說明，該系統(tǒng)是一套較先進(jìn)的船閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了船閘生產(chǎn)運行的預(yù)期效果。