长距离输水工程远方集中监控技术的研究

张玉平，张 毅

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

长距离输水工程远方集中监控技术的研究

张玉平，张 毅

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

结合大型长距离输水工程自动化系统的应用需求，对远方集中监控系统的系统结构、软件平台、控制策略、数据库、系统维护管理等关键技术进行了研究与探讨。

长距离输水工程；远方集中监控

0 前言

长距离输水工程具有线路长、覆盖范围大、地域分布广、用户多、系统庞杂、管理复杂、对自动化控制要求高等特点，为保证全线输水的安全可靠与高效运行，充分发挥其巨大经济效益和社会效益，必须采用先进的自动化控制技术、计算机网络技术、通信技术，建设一套完善的、先进的远方集中监控系统对众多现地无人值班站进行远方集中管理，实现输水全线所有泵站现地站的统一自动控制和优化调度。

1 设计原则

根据本单位在大型远方集中控制系统平台开发经验，结合大型长距离输水工程自动化系统的特点，确立系统设计原则如下：

a)采用基于广域控制专网的分层分布式开放系统架构，构建跨平台长距离输水工程远方集中监控系统平台，提高UNIX与Windows两个平台软件的兼容性；

b)广泛采用国际标准，遵循国家标准、行业标准和有关技术规程、规范，提高系统的标准化、通用化程度；

c)系统功能软件齐全，充分考虑与其他系统的互联与数据共享，并为各类高级应用软件接入提供方便的软件接口，提高系统的开放性；

d)广泛采用分布处理技术和冗余技术，实现数据库及控制功能分布，系统功能分布在网络的各个节点中，系统内任一节点的故障不影响其余节点的正常工作；

e)为达到“无人值班”，现地站监控系统应具有极高的可靠性，现地站监控系统采用PLC直接上网的结构，取消中间环节，提高整体可靠性能。

f)具有齐全的集成开发工具软件，提高系统开发效率和产品质量。

2 系统总体结构

大型长距离输水工程自动化控制系统采用基于广域控制专网的全计算机控制的分层分布开放式系统结构，系统总体结构分为远方集中监控层及现地控制层，远方集中监控层由系统中心站、分中心站监控子系统构成，现地控制层由众多无人值班的现地站监控子系统构成。中心站、分中心站及现地站各监控子系统依托输水工程通信和计算机网络构建广域控制专网，实现安全可靠的高速广域网络连接，形成一个完整的冗余控制专网结构的实时闭环过程控制系统。

大型长距离输水工程远方集中监控系统是全线自动化控制系统的重要组成部分，分布在中心站和分中心站的远方监控系统通过广域控制专网与各现地站PLC和其它现地测控设备直接通信，完成实时数据采集与处理、远方集中监测、实时与历史数据存储管理等功能，并根据控制权限和控制命令对现地站PLC进行远方控制。

大型长距离输水工程自动化控制系统采用开放的分层分布式网络系统结构，具有良好的扩充性，实际系统结构和硬件设备配置可根据实际输水工程自动化控制系统规模大小、实际应用需求、总体功能和性能要求进行灵活配置。系统软件采用分布式模块化结构，配置及扩充灵活方便。

根据系统功能与可靠性等性能指标要求，中心站和分中心站系统配置建议采用双重冗余配置的千兆以太网交换机作为主干网络交换机，计算机系统采用分布式结构，主要设备冗余配置，规模灵活可变，根据工程实际应用要求灵活调整。

为保证远方集中监控系统的可靠性与实时性，在分中心站通过对采集服务器进行负荷平衡管理与互备冗余配置，实现对分中心站所属各现地站PLC和其它现地测控设备的通信，完成实时数据采集和控制功能，并负责为远方集中监控系统及其他下属部门提供监控和数据库服务。

为进一步提高数据采集的可靠性，可在中心站配置数据采集服务器，与各分中心站系统的数据采集服务构成冗余热备系统，当分中心站实时采集服务器均发生故障时，可由中心站配置的采集服务器，接替其工作，实现远程监控系统与现地站PLC数据采集功能的无扰动自动切换，并负责为中心站、分中心站和其他下属部门提供监控和数据库服务。

为了保护用户的投资和开发的延续性，系统采用跨平台解决方案，即系统主要的服务器一般采用64位服务器与UNIX操作系统，以确保系统性能和工作的稳定性，完成辅助功能的服务器与工作站可采用PC服务器和Windows操作系统。跨平台的解决方案是技术发展的必然趋势。

各远方集中监控子系统服务器与工作站实际配置应根据应用需要灵活确定。以下为系统的典型配置（图1）：

图1 长距离输水工程自动化控制系统总体结构图

现地站监控系统采用PLC直接上网的结构，取消中间环节，提高整体可靠性能；各个现地站监控系统也不会因远方控制级发生故障而影响现地站监控系统各自承担的监控功能。现地站控制层可与远程监控系统控制层离线独立运行。

3 系统软件平台

监控系统平台采用面向服务器的跨平台分布式系统架构模式实现，可实现分布式环境下高效网络数据访问服务器，同时使系统具有很好的灵活性和可扩展性，能适应不同的应用和优化调度模型的需要。

面向服务器已成为当今信息系统的发展方向，其特点是系统软件由一系列具有特定功能的服务器组成，服务器可以配置在网络中任意位置的节点上，并可被复制和重复使用，服务器既可独立运行也可协同工作。采用面向服务器的分布式系统架构不仅使系统软件结构清晰简洁，也提高了系统的灵活性与可靠性。

大型长距离输水工程远方集中监控系统软件总体设计广泛采用分布处理技术和软硬件冗余技术以提高系统的可靠性，系统功能分布在系统的各个节点上，系统中任何一个计算机节点的应用软件和服务器可根据用户实际需求灵活配置，应用软件和服务器可以配置在网络中任意位置的节点上，并可被复制和重复使用，既可独立运行也可协同工作。如数据采集服务器、应用服务器、调度员站或工程师站，各计算机节点根据不同的授权和具体配置实现不同的功能和服务。当任何一个计算机节点出现故障时，可通过自动切换或授权调整实现功能的重新分配。如正常运行时，工程师站不具备现场设备的操作控制权，但经过权限的调整，可以进行控制操作。因此，当一个系统具有多台计算机节点时，计算机出现全部调试故障的概率可以认为是零，系统永远是可控的。

目前由于计算机的硬件资源相对丰富，很多原先需要很高配置的设备完成的工作一般计算机均能完成，因此，将现地人机联系计算机节点的功能也充分提升，基本上可以完成主控级的人机联系任务，使系统的控制可靠性得到进一步加强。

系统数据库及控制功能采用分布处理架构，全系统实时数据库和历史数据库分布在中心站和分中心站远程监控系统计算机中，各现地站单元数据库分布在各个现地站控制层中，系统功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务并通过系统网络与其它节点进行通信，系统内任一节点的故障不影响其余节点的正常工作，并可通过冗余配置或系统功能的重新分配使受影响的系统局部功能及时恢复；采用冗余配置时，系统中全部冗余设备的检测及切换由软件自动完成，必要时也可通过手动切换，切换过程无扰动。

现地站独立完成实时数据采集，为本现地站更新实时数据库。负责与PLC和其它节点通信、数据采集与处理、向PLC发送控制指令。这样，既有利于PLC的安全，又能减轻PLC的负担，使得系统更安全、稳定、可靠。

4 控制权管理

系统控制方式分为两种：远方和现地。现地方式是指在现地站，通过现地站监控系统或手动装置进行设备的操作控制，此时远方集中控制功能被闭锁。只有现地站运行在远方方式下，中心站、分中心站才可对该现地站均可进行自动控制。

正常情况下，控制方式应该为中心站/分中心站远方控制方式。

根据输水业务运行管理的需要，中心站、分中心站和现地站均具备控制功能，系统需为每个现地站建立一个"中心站/分中心站/现地站"控制权切换软开关，以确保在正常情况下，每个现地站同一时刻均只能有一处获得其控制权，系统控制权的切换需通过严格的控制权管理软件实现。

现地站系统控制权限最高，分中心站次之，中心站最低。当不同级别的用户控制同一设备时，控制权限高的用户优先获得控制权。现地站可根据实际情况，随时切换控制权，对本现地站进行现地操作，当遇到紧急情况时，现地站可直接进行紧急处理操作，并发出告警信息。

大型长距离输水工程监控系统具有控制层次多、被控设备多、操作复杂的特点，在控制权限管理和操作用户权限管理的基础上，宜增加调度员站控制范围设定功能，对每台调度员站的设备控制范围进行设定，便于对全线各现地站实现灵活有效的运行管理。

为防止多台监控终端对同一设备同时操作，系统还应具备操作对象锁定功能，当某台监控终端对一设备操作时，通过设置锁定标志，此时其他调度员站对该设备操作时系统将给出相应提示并闭锁其对该设备的操作。

5 系统数据库管理

系统数据分为两类：实时数据和历史数据。实时数据为记录完整生产运行过程数据，包含所有现场实际采集数据和监控系统运行管理数据，按照数据扫描周期存储，特点是实时性要求高。

历史数据是根据应用系统的需要，按照不同的周期存储的定时数据，或按触发条件存储的变化报警数据。

(1)实时数据管理

实时数据采用全分布式实时数据库管理机制，具有方便高效的数据库数据结构设计和通用开放的接口，提供对当前主流数据库系统的支持，可根据具体工程应用和用户需求进行集成。

为最大限度地保证系统的实时性与可靠性，系统平台中实时数据库采用独具特色的全冗余分布式结构，其中中心站实时数据库包含全线所有现地站的实时数据，分中心站实时数据库包含本分中心站所属现地站的实时数据，现地站存储本站实时数据，可有效地避免实时数据集中存放带来的可靠性和通信瓶颈等问题。能够运行在各种Unix，及Windows平台下，实现实时过程数据的管理和存取。

(2)历史数据存储机制

系统的历史数据服务完成中心站和分中心站远程现地站监控系统的历史数据存储、查询与维护管理功能，以企业版商用关系型数据库为后台数据库，C/S体系结构，不仅可将实时数据按不同周期自动存入历史数据库，形成各类报表数据，而且可以将各类特征数据、报警信息、操作记录、趋势记录等自动存入数据库，形成各类特征记录历史数据。历史数据可根据工程应用的实际需要进行各类数据表结构设计。

历史数据服务支持不同的后台关系数据库系统，并与系统实时数据库的运行维护协调一致，具有方便高效的商业关系型数据库数据表结构设计和通用开放的商业历史库接口。

6 系统维护管理

分布式广域网络控制系统必须具备完善的系统运行维护、检测自诊断与自恢复功能，并提供系统运行状态的远程集中监测功能，可实时集中监测系统设备、网络的运行状况。系统各设备不仅自检，还通过网络进行设备间的互检，出现系统异常情况及时报警，通知运行人员维护处理，并可对某些异常情况进行自动自恢复或冗余部件切换处理。完善的系统自诊断与自恢复功能是实现现地“无人值班”的重要条件。

现地站监控系统是个生产运行控制系统，一般情况下，系统维护不能影响系统的正常运行，并要保证监控服务、PLC系统、各级远程监控子系统的一致性。因此，必须建立统一的维护管理体系，采用以远程维护为主的方式，实现监控软件平台定义、修改和部署，PLC系统和各级远程监控子系统的程序更新，及时、快速、准确、高效地完成系统维护工作。

7 结束语

大型长距离输水工程远方集中监控系统作为全线自动化控制系统的关键系统，具有规模大、控制复杂、技术要求高、难度大的特点，我国现有自主研发系统普遍缺乏工程应用经验，特别是在大规模长距离输水工程远方集中监控技术的研究还存在一定差距，因此结合本单位在城市引水泵站综合自动化系统项目研究成果、长距离水调自动化工程经验，以及在大型梯级水电厂远方集中控制方面的技术优势，通过对大型长距离输水工程远方集中监控关键技术难点的研究，对提高我国长距离大型输水工程自动化和安全运行管理水平具有重要和深远的意义。

TV 736

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1672-5387（2010）03-0050-03

2010-04-28

张玉平(1973-)，女，高级工程师，硕士，主要从事电站计算机监控系统的开发、研制工作。（E-mail∶jskfb@iwhr.com）