银盘船闸计算机监控系统设计与实现

刘 锦，李 欣，张亚军

（西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

乌江银盘水电站位于乌江干流下游河段，重庆市武隆县内，为乌江干流水电梯级开发中的第11 个梯级水电站，电站总装机容量为600 MW，单机容量150 MW。其中，船闸设计级别为500 t，航道等级为IV 级，2015 年09 月22 日通航运行。

银盘船闸由上闸首、下闸首、放置船舶的闸室、上游引航道、下游引航道、上游人字门、下游一字门、上游和下游输水门以及控制这些闸门的液压启闭机和电气控制系统组成。船舶上行的程序是船舶由水电站下游进入下游引航道，开启下游输水门使闸室泄水与下游水位齐平，打开下闸首一字门，船舶由下游引航道驶入闸室，关闭下闸首一字门，开启上游输水门使闸室充水与上游水位齐平，打开上闸首人字门，船舶驶出闸室，通过上游引航道进入水电站上游。上行程序结束，进入下行程序。船舶下行的程序与此相类似[1]。

1 设计原则

计算机监控系统总体设计根据银盘船闸工程的要求遵循以下原则：

（1）安全可靠性。在硬件设计上，中央控制站与现地子站之间通过环型光纤工业以太网络进行数据通讯。在软件设计上，选用良好稳定性的32 位网络MicroSoft WINDOWS XP 中文版操作系统和西门子公司的WINCC V7.0 监控组态软件，保证了系统的可靠性与容错性。

（2）开放性。监控软件和硬件选用开放性平台，系统局域网LAN 选用100 M以太网，TCP/IP 标准协议，预留与电站将来可能出现的其他系统的接口[2]。

（3）易维护性。在硬件配置设计上尽可能统一选型，控制元器件的互换性强，模块采用即插即用，便于备品备件的统一采购和设备维护。

2 系统结构

银盘船闸控制系统采用分层分布式网络结构，整个监控系统分成中央控制级和现地控制层[3]。

中央控制级和现地控制单元之间通过工业以太网连接，并组成冗余环网，现地控制单元和RIO 单元之间通过profibus DP 网相联。

中央控制级布置于船闸集控室内，由操作员站、工程师站、多媒体站组成，中央控制级的计算机单元能远程操控系统内的设备并能实时记录系统内的所有运行参数，供调阅和查询。

现地控制层共4 个，分别布置于上、下闸首的左、右岸，同闸首的左、右两侧现地站PLC 单元采用热备系统单元，通过光纤实现双机热备连接。

2.1 硬件配置

银盘船闸计算机监控系统硬件设备主要由计算机及显示器、用于连接计算机与现地控制单元的网络设备、广播通讯工作站和工业电视管理服务器、UPS 电源等组成。通过集控室的工业级以太网交换机接入以太环网，接入的设备有2台集控操作员站、1 台工程师站、1 台通讯工作站及打印机等设备，其中，2 台集控操作员站互为冗余，充分保证系统的可靠性[4]。

通过与工业电视监控系统和广播语音系统的配合使用，运行人员可以随时掌握通航情况，可为其调度和指挥提供参考，有效提高通航效率，确保通行安全。

2.2 网络结构

银盘船闸计算机监控系统根据现场各设备单元布置相对分散，各现地单元之间具有联动性、互锁性的特点，整个系统主体采用现代工业以太网，以光缆作为主通讯介质，各单元柜内采用光纤作为通讯介质，组成整个网络通讯系统，提高了系统通讯的快速性、准确性和抗干扰性，能够适应船闸的现场恶劣环境。

在每个通讯单元内设置一个光电转换机作为链接分支器，实现通讯单元至通讯网络的链入。

系统的中央控制级、上闸首左子站、上闸首右子站、下闸首左子站、下闸首右子站等采用环形工业以太网链接，以确保系统通讯的可靠性，控制系统网络结构如图1 所示：

图1 控制系统网络结构图

2.3 系统硬布线

银盘船闸控制系统具有急停功能，中控室控制台上的红色急停按钮可以切断上下闸首控制柜的控制电源，使液压启闭机泵站设备停止运行；控制台上的红色紧急关输水门按钮可以发出关闭各闸首输水门的信号。这两个急停按钮通过控制电缆以硬接线的方式连接至上下闸首各控制柜中。

上闸首左子站的闸门全关信号通过硬接线方式接入上闸首右子站系统，与上闸首右子站系统单元侧全关信号，二者一起输出上闸首闸门全关指令，并将此信号通过硬接线方式输送给下闸首左、右子站系统。下闸首系统的硬接线同上闸首系统相类似。

3 软件功能

银盘船闸计算机监控系统的监控软件是船闸控制系统的监测中心，负责整个船闸控制系统的实时监视、参数设定、启闭闸门及通航指挥灯的流程控制等，具有控制和监视双重作用。还能实现数据采集和处理、船闸的实时动态运行屏幕显示、事件顺序记录、时钟同步、事故处理及恢复操作指导、数据通信、系统状态自诊断、实时数据库管理、历史数据库管理、记录及历史报表打印、系统设备运行维护管理、软件开发及培训等功能。

3.1 运行状态监控

启动监控软件，进入上位监控系统后，首先进入监控主画面，主画面显示船闸主要数据信息，系统监控主画面如图2 所示。

图2 系统监控主画面

船闸运行主画面是软件的核心画面，船闸的当前信息，操作控制和关键设备的主要运行状态都集中在该画面中，画面显示船闸运行期间主要参数，运行以动画的方式显示船闸系统各设备运行状态，操作人员无需频繁切换画面就可以了解整个船闸的的运行状态。画面整体由侧视和俯视两张图构成，从两个不同的角度反映了船只过闸情况，每张图都体现出了应有的结构。鉴于主画面的使用频率最高，所以一些主要的、需要长期观察的数据在主画面中体现出来，如闸门开度和状态、各侧水位高程、交通指挥灯状态、报警信息等。

通过在系统监控主画面中选择系统操作控制栏中的相关选项，可以实现系统准备、船闸的自动上行和下行、船闸的单步上行和下行、方式清除、下班停运等控制功能。

3.2 操作安全保护

银盘船闸计算机监控系统为了确保系统安全可靠运行，防止误操作引发的通闸事故，不论在“自动”下的“集控”、“现地”或“检修”工作状态，本系统都具有上下闸首互锁保护功能，下闸首一字门和输水门全部关闭到位后，上闸首人字门或输水门才能开启；同样，上闸首人字门和输水门全部关闭到位后，下闸首一字门或输水门才能开启。

系统软件还设置了误操作报警及自动保护，对于违反船闸运行流程的操作不予执行，提示操作员注意。

3.3 故障报警功能

报警画面是构成计算机监控系统的一个重要组成页面，用来实时检测被控对象、环境及工况的各种非正常状态。报警时间一般根据事件的紧急程度和严重程度分级，对于正常事件、一般事件、严重事件进行分类处理，并采用不同背景色，前景色及警报声音等组合来表达，帮助运行人员正确处理各类信号[5]。

银盘船闸报警画面包括故障报警弹出窗、实时故障报警记录框、报警灯显示、历史报警记录及查询，通过输入不同查询条件可以切换不同报警，也可以添加、修改及删除报警查询条件，通过修改查询条件可以切换到历史报警，保证了船闸运行的可追溯性，便于查询维修，系统报警画面如图3 所示。

图3 系统报警画面

3.4 历史事件查询和分析

通过计算机监控软件中的历史趋势分析窗口，可以实现两个功能，实时跟踪和历史查询。实时跟踪是用来监控当前动态点的变化趋势；历史查询则用来表达某动态点值在一段时间内的变化趋势过程。趋势页面一般用来观察模拟量值，反映出设备在运行时各参数之间的变化关系以及设备是否发生突变，进而直接展现设备运行的全过程。

对于每个现地子站的重要模拟量数据，如上下游及闸室水位值、上游人字门、下游一字门、输水门的开度值等，监控系统均配置实时趋势曲线和历史趋势曲线，历史曲线可以放大、缩小并通过查询区间来观察不同时间段的数据变化信息，实时趋势曲线和历史趋势曲线如图4。

图4 实时趋势曲线和历史趋势曲线

4 结语

银盘船闸位于乌江下游河段，上游接彭水水电站。它的投入运行，标志着从武隆至彭水段由于电站的建设而中断的乌江航道恢复了通航。船闸经过3 年多的运行，表明该系统的监控画面显示齐全、系统操作简单、控制程序逻辑动作正确，配置的硬件合理，环形网络结构可靠，满足了船闸设备监控和安全运行的要求。通航实践说明，该系统是一套较先进的船闸计算机监控系统，达到了船闸生产运行的预期效果。