南水北调睢宁二站工程自动化系统设计

张 占，耿海峰

（1.江苏省骆运水利工程管理处，江苏宿迁 223800；2.江苏省徐州市水务局，江苏徐州 221000）

1 工程概况

南水北调东线一期工程睢宁二站工程（以下简称睢宁二站工程）位于徐州市睢宁县沙集镇境内的徐洪河输水线上，工程主要任务是与泗洪泵站、邳州泵站一起，通过徐洪河输水线向骆马湖输水100 m3/s，与中运河共同满足向骆马湖调水275 m3/s的目标。

泵站工程安装4台套2600HDQ20－9立式混流泵（含备机1台），叶轮直径2 600 mm，单机设计流量20 m3/s，总装机流量为80 m3/s，配4台套TL3000-40/3250型立式同步电机，单机功率3 000 kW，总装机容量12 000 kW。采用肘形进水流道、虹吸式出水流道、真空破坏阀断流，采用液压调节机构调节流量。

2 设计主要工作内容

睢宁二站工程自动化系统主要包括泵站和变电所的所有微机监控、视频监视、信息管理系统以及管理所信息管理系统与睢宁一站、二站信息交换等。

3 自动化系统设计原则

（1）按照“无人值班、少人值守”方案进行设计，既可实现站内监控，又能实现远程监控。

（2）系统总体框架采用分层、分布、模块式体系结构，各层之间通过以太网或现场总线进行信息传输和资源共享，以便于软硬件的维护、扩展和升级。

（3）充分考虑系统的实时性、响应速度、抗干扰能力、可适应性、可利用率高、可维护性，先进灵活便于扩充性能。

（4）为提高监控系统可靠性，系统具有冗余容错设计，重要的单元或模件采取冗余配置的方式。

（5）软件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。

4 自动化系统的组成与结构

睢宁二站工程自动化系统主要由计算机监控系统、视频监视系统、泵站信息管理系统三个子系统组成，如图1所示。

计算机监视系统对泵站主机组、公用及辅机、高低压配电设备的运行进行监控，并提供设备运行统计、操作指导等辅助功能，如图2所示。

视频监视系统对工程主要部分进行实时图像监视，并具有历史图像信息查询等功能，辅助工程安全运行及管理，如图3所示。

信息管理系统构建泵站运行管理单位办公局域网的硬件平台，完成生产运行和管理信息的存储和发布，并提供数据查询和外传的接口，如图4所示。

5 自动化系统的设备组成

5.1 计算机监控系统设备的组成

图1 自动化系统网络结构拓扑图

图2 计算机监控系统拓扑图

图3 视频监控系统拓扑图

图4 信息管理系统拓扑图

该系统主要由以下设备组成：5套PLC控制柜（1、2号主机PLC柜、3、4号主机PLC柜、公用PLC柜、辅机PLC柜、110 kV配电设备PLC柜）、1套 主 变 保 护 柜 （RCS-9671CS、RCS-9681CS、RCS-9661CS）、1套综合测控柜（PSL-621D、RCS-9705C、RCS-9703C）、1套机架式服务器柜（服务器柜内包括历史数据库服务器、WEB发布服务器、信息管理系统服务器、站内交换机、信息系统交换机、防火墙、网络隔离及GPS对时等设备）、1套直流系统（包括电池柜、直流电源柜及逆变电源柜）、1套电力通讯系统设备、6套保护装置（包括4套机组保护、10 kV进线保护及10 kV站变保护各一套）等。

5.2 视频监视系统组成

该系统主要由以下设备组成：2台16路视频主机、1套矩阵控制系统、3台网络硬盘录像机、1套投影仪、1套120"电动投影屏幕、4台52寸液晶等离子电视机、25套彩色固定摄像机（摄像头分别安置于：冷水机组2只、叶片调节装置2只、联轴器层4只、水泵层2只、供水泵房2只、GIS室1只、主变室1只、消防控制室1只、低压室1只、高压室1只、设备间6只、励磁变室1只、继电保护室1只）、4套彩色一体化球机（摄像头分别安置于：主厂房、真空破坏阀室、控制室及控制室门厅各1只）、3套红外一体化球机安装及调试（摄像头分别安置于：上游、下游及清污机）、3套三合一防雷器、1套视频网络交换机（用于网络视频传输）、1套视频柜（包括：视频主机、硬盘录像机、视频矩阵、视频交换机等设备）。

5.3 信息管理系统设备组成

该系统主要由以下设备组成：1套管理应用服务器、1套数据发布服务器、1套网络设备、8台网络终端计算机、1套打印机、1套UPS电源、1套投影仪、1套120"电动投影屏幕、1套会议音响系统、1套电话交换机、20门电话机。

6 自动化系统软件

6.1 监控软件组成

睢宁二站计算机监控系统的软件主要由系统软件、支持软件、数据库软件、通信软件及应用软件组成。

（1）系统软件主要指操作系统软件，操作系统主要有WINDOWS2008、LINUX等。针对各类操作系统监控平台的特点，考虑到系统的安全可靠及调度运行方便，本系统采用了支持跨平台的监控软件，即对于操作员工作站等功能节点，采用通用的WINDOWS及LINUX操作系统，既解决了系统的稳定、可靠的问题，又解决了运行操作简便的问题。

（2）支持软件主要包含软件开发平台、实用软件及工具软件等。

（3）数据库软件包含实时数据库和历史数据库两部分，实现各种数据的管理。其中商用数据库采用Wonderware公司的Historian Server大型数据库软件。

（4）应用软件采用Intouch组态软件，由应用软件平台及在平台上二次开发的软件组成，主要包括上位机监控软件平台及二次开发软件、PLC编程软件及二次开发软件、触摸屏编程软件及二次开发软件、通信管理装置编程软件及二次开发软件、局域网数据库管理软件等。

6.2 上位机监控软件

6.2.1 软件组成及功能分配

上位机监控软件功能：数据采集及处理、报警记录显示和打印、监控与调节、人机接口、语音、文字信息发布及查询、系统服务管理、诊断及维护、双机切换、时钟同步，分布于上位机系统的各节点中。

（1）主机兼操作员工作站：主要完成数据采集处理及转发、提供与运行人员的人机接口，实现运行监视与控制操作，语音报警等。

（2）历史服务器：主要完成历史数据的存储、统计与管理。

（3）调度通信服务器：实现与电力调度中心的通信。

（4）WEB服务器：布置在局域网内，实现监控画面、报表、曲线发布至局域网内浏览。

（5）局域网数据库管理：布置在局域网内，实现数据的统计管理，按照南水北调自动化技术要求，进行相关运行台时、流量、电量累计计算、统计水位水文信息等并进行存储。

6.2.2 人机界面设计

画面按照国家规范及工程特点进行设计、开发，既要满足系统功能要求，又尽可能美观。

6.2.3 上位机通信程序设计

（1）上位机与PLC通信

上位机与PLC通信采用信箱方式通信，主要有以下优点：

各种交换数据分类存储，且长度可变，便于PLC程序的组织，节省PLC寄存器空间；

增加了特征码字段，提高了上位机通信的准确性、可靠性；

流程报警事件等信文上送，能准确了解I/O信号的动作次序及故障原因。

（2）与其他系统通信程序设计

上位机系统的通信服务器负责与电力调度进行通信。通信的规约一般采用IEC60870-104规约。通信链路传输采用平衡和非平衡两种传输方式。由主站启动的传输服务，采用非平衡传输方式。

6.3 LCU监控软件

6.3.1 PLC监控软件设计

监控系统泵站LCU PLC选用施耐德公司的Unity Quantum系列。采用施耐德公司Unity Pro编程软件进行PLC监控软件的开发。泵站监控系统控制的对象主要有水泵、电机、高低压开关、辅机等。PLC监控软件在统一的架构下，完成不同控制对象的监控。软件由主程序、初始化程序、数据采集程序、事件记录、通信程序、控制流程及管理等主要模块组成。

6.3.2 触摸屏监控软件

触摸屏采用迈思德公司迈驰组态软件平台进行触摸屏程序的开发，触摸屏程序采用模块化、标准化思路设计开发。画面美观、层次清晰、监视操作功能安全可靠。主要包括主画面、I/O量实时监视画面、控制操作画面、报警画面等，能实现本LCU的所有监视与控制功能。

6.3.3 SJ30通信管理装置通信软件

SJ-30通讯管理装置嵌入了LINUX操作系统，LINUX为用户提供了很丰富的编程调试和版本控制工具（如：kbuilder、gdb、ddd等等）。

SJ-30通讯管理装置支持任一通讯口独立编程，为通讯口编程提供了简洁、完备的产品库函数，可以快速扩充新的通讯驱动程序。通讯驱动程序需在开发机上编译，下载到SJ-30通讯管理装置后执行。用户可以通过网络联接进行远程调试。

LCU对外通信，通过PLC CPU上的串口与SJ30进行连接，实现迅速、可靠通信。

7 视频监控软件

网络视频监控软件采用海康威视iVMS-4200软件，该软件支持Windows操作系统，支持数种国际通用语言，支持中文管理界面，具有完善的使用手册和帮助文档，自动检测网内设备运行状态，以图文结合方式列出设备异常情况，辅助管理人员排查处理。

海康威视视频监控软件，具有以下特点：

（1）最多可支持16个集中储存服务器进行集中储存；

（2）集中管理、配置IP前端，可添加、删除IP前端，修改参数等；

（3）远程访问与控制IP前端设备；

（4）广泛报警接入，联动报警输出，报警信息主动上传，报警输出名称可定义；

（5）用户权限统一分配，具备登陆、验证；

（6）电子地图热点、热区联动效应。

同时具有以下优秀的性能：实用性、适应性、可靠性、安全性、先进性、开放性、易扩展性、易管理性、易维护性。

8 信息管理系统软件

信息管理系统的软件包括系统软件及应用软件。系统软件包括操作系统、数据库管理平台及防病毒软件。应用软件包括数据接口与管理程序、信息发布与查询程序、数据上传接口程序以及办公自动化软件。

8.1 操作系统

信息管理系统的各类服务器应采用Win⁃dows2008的服务器版，办公终端采用WindowsXP专业版。

8.2 数据库管理平台

信息管理系统的数据库平台应选用SQL Serv⁃er2008，5用户版。数据库平台软件有以下基本功能：

（1）采用客户机/服务器体系结构；

（2）支持快速存取和实时处理；

（3）能控制数据的完整性和统一性；

（4）支持数据仓库的建立和管理，对数据仓库和OLAP应用有完善的支持；

（5） 支持XML（Extensive Markup Language，扩展标记语言）；

（6）支持ODBC、ADO、OLE DB等多种查询；

（7）支持分布式的分布视图；

（8）数据库软件的安全性应满足系统对数据独立性、数据安全性、数据完整性、并发控制以及故障恢复的要求。

9 结束语

睢宁二站工程自动化系统安装完成后，先后经历了泵站机组试运行、江苏段试通水运行以及南水北调东线试运行检验，检验结果表明该系统运行平稳可靠，数据采集基本准确，基本实现了“无人值班，少人值守”的设计原则，达到了预期设计的目的，取得了良好的经济和社会效益，对类似的泵站工程自动化系统设计具有指导意义。