孫 毅，張 暉，王連強，陳北帥，劉 芳，潘月喬

（1.南水北調(diào)江蘇泵站技術(shù)有限公司，江蘇 揚州 225000；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)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(tǒng)水泵與水泵站業(yè)務(wù)培訓(xùn)存在理論知識晦澀難懂、教學(xué)培訓(xùn)時間長、培訓(xùn)質(zhì)量不高等問題。從技術(shù)方面來看，水泵及水泵站的業(yè)務(wù)培訓(xùn)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(xué)效果出色；②在泵站現(xiàn)場參觀教學(xué)也只能看到水泵主機及輔機系統(tǒng)的外殼，無法直接看到其內(nèi)部構(gòu)造和作用；③泵站工程中油、氣、水、電等各個系統(tǒng)的組成、功能、原理、結(jié)構(gòu)、位置、控制及走向也無法直觀看到，僅從相關(guān)圖紙學(xué)習(xí)，難以形成立體的印象；④水泵機組的解體檢修培訓(xùn)，一般是通過跟現(xiàn)場、師帶徒的方式，耗時費力，培訓(xùn)效率低下。從大中型泵站業(yè)務(wù)培訓(xùn)的管理來看：①隨著大型泵站的應(yīng)用越來越廣泛，對水泵及泵站的業(yè)務(wù)培訓(xùn)需求不斷增多；②泵站管理單位當(dāng)前培訓(xùn)方法存在需求不明確的問題，缺乏成熟有效地培訓(xùn)體系，將課程內(nèi)容割裂開，導(dǎo)致課程之間缺少合適地銜接，培訓(xùn)效果不夠理想。

綜上所述，改進和完善泵站業(yè)務(wù)的培訓(xùn)方式十分必要。本文提出了一種以實物模型為基礎(chǔ)、開發(fā)上位機泵站系統(tǒng)智能仿真的培訓(xùn)方式，實物模型以南水北調(diào)寶應(yīng)站為原型參照，智能仿真應(yīng)用了西門子PLC 及與其配套的WinCC 上位機開發(fā)軟件，采用Surface+大屏觸控一體機與實物模型燈帶相結(jié)合的演示方式。系統(tǒng)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(tǒng)整體實施方案

圖2 上位機開機流程圖

1 系統(tǒng)硬件

1.1 寶應(yīng)站模型制作

寶應(yīng)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(chǎn)品。模型主要用來表達、研究泵站的形態(tài)與結(jié)構(gòu)、各種構(gòu)造性能、人機等關(guān)系。模型的各部分組件的尺寸與機構(gòu)上的相互配合關(guān)系都嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行制作。

模型內(nèi)容包括寶應(yīng)站水泵電機模型、水工建筑物、輔機設(shè)備等，模型各部分以不同顏色的燈光表達油、氣、水、電系統(tǒng)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(zhì)均為透明有機玻璃。且廠房采用了剖面的體現(xiàn)形式，樓層之間采用透明結(jié)構(gòu)可直觀體現(xiàn)設(shè)備，模型的整體制作大方美觀，體現(xiàn)了可視化的特點，十分有利于培訓(xùn)教學(xué)。寶應(yīng)站實物展示模型如圖3 所示。

圖3 寶應(yīng)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(yōu)點。對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的仿真，主要是模擬一切在真實的系統(tǒng)中能進行的任何操作。包括開、停機，開關(guān)的分合閘操作及出現(xiàn)故障后的處理等，這些功能都可以通過編寫PLC 程序來實現(xiàn)，但并不是簡單地將原計算機監(jiān)控系統(tǒng)（寶應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)接來的；而在仿真系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)都只能人為地進行初始化（或者從實際系統(tǒng)中讀取），賦予初值，然后通過一定的邏輯關(guān)系輸出顯示結(jié)果，也就是對真實的仿真對象逐一建模。一些PLC 主要生產(chǎn)廠家見表1。

表1 一些PLC 主要生產(chǎn)廠家

PLC 的選型原則主要為：

1）生產(chǎn)廠家的選擇；

2）輸入輸出（I/O）點數(shù)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(xiàn)

本培訓(xùn)系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)要求。

對寶應(yīng)站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真，要實現(xiàn)的主要功能包括對泵站110 kV、10 kV 及400 V 電壓等級開關(guān)的操作培訓(xùn)，主變、站變的操作培訓(xùn)，開停機和機組事故停機的操作培訓(xùn)等。同時對可能發(fā)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(xué)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(xiàn)的主要功能為：

1）監(jiān)測與接收大屏觸控一體機和Surface 的輸入信息；

2）實現(xiàn)主機與各輔機系統(tǒng)控制流程監(jiān)測與輸出邏輯控制；

3）仿真故障發(fā)生控制處理與報警輸出；

4）與上位機通信，實現(xiàn)程序報警、控制畫面推送與動態(tài)控制流程仿真。

2 系統(tǒng)軟件

WinCC 是專用于西門子PLC SIMATIC 人機界面（HMI）的組態(tài)，其有著一套完備的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，并提供類C 語言的腳本。其內(nèi)嵌OPC 支持，可對分布式的系統(tǒng)進行組態(tài)。寶應(yīng)站電氣主接線圖組態(tài)界面如圖4 所示。

圖4 寶應(yīng)站電氣主接線圖組態(tài)界面

上位機軟件主要編寫的界面為寶應(yīng)站機組運行主監(jiān)控界面，包含機組運行狀態(tài)與信號、電機溫度和上下游水位的實時監(jiān)測，打開模型控制鍵可實現(xiàn)寶應(yīng)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(xiàn)站變和所變投入的機械互鎖功能。在現(xiàn)地手動狀態(tài)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(dāng)遠程狀態(tài)時，可實現(xiàn)大屏或Surface 信號輸入實時燈帶變化。另外還具有寶應(yīng)站電氣主接線、低壓系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、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(tǒng)開發(fā)

為了保證機組運行仿真計算機控制系統(tǒng)達到與寶應(yīng)站機組實際的運行效果，在模型已有的輸入輸出量的基礎(chǔ)上，采取較多的仿真模擬場景，通過開發(fā)平臺設(shè)置較多的中間變量來觸發(fā)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(fā)出的最后系統(tǒng)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(xiàn)場模型開關(guān)面板的改裝，現(xiàn)場模型所設(shè)置的操作開關(guān)面板所有信號接入到PLC 中，通過相關(guān)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(fā)生的報警與故障，通過軟件系統(tǒng)設(shè)置變量來完成。同時，利用模型開關(guān)面板上的備用開關(guān)來設(shè)置模型的手動/自動切換開關(guān)，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(tǒng)所監(jiān)測。處于自動位置時，由系統(tǒng)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(xiàn)場設(shè)置一套大屏幕觸摸系統(tǒng)，所有系統(tǒng)的界面與操作都可以在大屏幕上實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

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

1）制作了泵站實體模型來模擬泵站工程運行系統(tǒng)用作培訓(xùn)；

2）制作了泵站工程系統(tǒng)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(jié)合的培訓(xùn)演示方式，培訓(xùn)方式靈活多樣。

系統(tǒng)也存在著一些不足之處：

1）手持式Surface 在裝載服務(wù)器系統(tǒng)運行組態(tài)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(lián)動演示，系統(tǒng)的功能還需進一步加強。

通過南水北調(diào)寶應(yīng)站模型仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實際教學(xué)應(yīng)用，經(jīng)過統(tǒng)計得出：學(xué)員的結(jié)業(yè)考試成績提升約50%，培訓(xùn)滿意度調(diào)查滿意率提升約40%，培訓(xùn)效果顯著。