景洪水力式升船机计算机监控系统设计与实现

张亚军，王 洋，何庆周，王虎军

（西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

景洪水电厂位于云南省西双版纳州景洪市北郊约5 km 的澜沧江干流，是澜沧江干流中下游为两库八级开发方案的第6级，由5 台单机容量为350 MW 的混流式水轮发电机组组成，总装机容量为1750 MW。

景洪水电厂水力式升船机的过船吨位为500 吨级，全程升或降时间约17 分钟，最大提升高度为66.86 m，年货运量约124.5 万 t。

该升船机的工作原理是以水能作为提升动力，通过开启充、泄水阀对竖井内进行充泄水，调节竖井内浮筒平衡重侧浮力，驱动浮筒平衡重的升降，带动承船厢升降运行，当竖井充水时，驱动浮筒平衡重升起，驱动承船厢下降；反之，竖井泄水时，浮筒平衡重下降，驱动承船厢上升，从而实现船舶在上下游水位高达近68 m 落差间的通行[1]。

1 设计原则

根据景洪水力式升船机工程的特殊要求，计算机监控系统总体设计遵循以下原则：

（1）安全可靠性。在硬件方面，现地LCU 子站采用双环工业以太网络，操作员站和所有现地LCU 子站PLC 的双机热备方案，以实现无扰动切换和增强系统的容错功能。在软件设计上，采用成熟而又可靠性高的基于NT 构架的安全加固操作系统平台和功能强大的监控组态软件，且支持远程监控和故障诊断。

（2）技术先进性。升船机工程在国内外业界具有很大的影响力，它应用了国际上先进的自动化技术，体现出了我国水电工程自动化的高水准，在考虑采用先进技术的同时还考虑了技术的成熟性。系统的配置与选型、网络的型式与网络的结构，均符合计算机发展的趋势，配置的高档次产品，保证了今后相当长时间内系统的技术先进性。

（3）可扩充性。监控软件、硬件平台选用开放性平台，以保证系统的互联性以及系统扩展和设备更新时的软件可移植性[2]。系统留有与电厂通航集中调度系统的接口以及与电厂厂房计算机系统、变电所继电保护系统、消防系统、电站MIS 系统的接口。局域网 LAN 选用 100 M 以太网，IEEE802.3 u，TCP/IP 标准与协议。

2 系统功能

景洪水力式升船机控制系统由主控层和现地层构成。

计算机监控系统属于主控层，是指挥管理中心，负责整个升船机的实时监视、流程控制、单机构调试以及通航指挥的控制等。具有升船机自动控制、人机对话、实时数据处理、系统时钟同步、故障报警及应对处理、历史数据管理、与上级调度以及与其它控制系统间的通信等功能。

3 系统结构

景洪水力式升船机的控制系统采用双以太环网结构，整个系统采用客户机服务器模式和无主对等模式的设计。

主控层设置主机操作员工作站、工程师/培训工作站、数据服务器、调度通讯服务器以及打印机、网络设备等。

现地控制层，按地理位置及控制功能相对集中原则，设置了4 个子站，分别为：驱动LCU 子站、承船厢LCU 子站、上闸首LCU 子站和公用LCU 子站，其中驱动LCU 子站由八个子站和一个本地站组成，主要完成承船厢的升降功能；承船厢LCU 子站由六个子站和一个本地站组成，主要完成承船厢内设备的上下游对接和解除对接功能；上闸首LCU 子站由三个子站和一个本地站组成，主要完成上游航道内设备的对接和解除对接功能；公用LCU 子站由一个本地站组成，主要完成供配电设备、直流系统等数据的采集和处理。

3.1 硬件配置

景洪水力式升船机计算机监控系统主控层通过集控室的工业级以太网交换机接入环网实现同步连接，接入的设备有2台操作员工作站、1 台工程师工作站、2 台数据服务器、1 台调度网络服务器及2 台打印机等设备[3]。

在升船机计算机房内，配套的设备还有中控室配电柜、2台冗余UPS 和计算机控制台，控制台上放置有火灾报警计算机、GPS 时钟、无线电台、电话调度台、广播通讯工作站和工业电视管理服务器等设备。

3.2 网络结构

景洪水力式升船机计算机监控系统的主控层和现地层的各层通过工业以太网交换机接入以太环网中[4]。

升船机各设备控制单元首先通过MB+ 网络实现和相应LCU 子站的数据交换，再通过LCU 子站实现和主控层设备的间接数据交换[5]。

中控室的计算机监控系统可以实时监控整个系统网络的状态，显示网络故障中断的地点，便于维护人员快速查找故障点进行维修，控制系统网络结构见图1。

图1 控制系统网络结构图

3.3 软件组态

景洪水力式升船机计算机监控系统的2 台操作员工作站、1 台工程师工作站、2 台数据服务器和1 台网络服务器安装了完整的Windows XP Professional SP3 操作系统和所有相关设备的驱动程序，在C 盘中存储操作系统和安装应用软件，D 盘中存储升船机监控程序和运行数据、各LCU 子站PLC 程序及工程师文件，E 盘中存储计算机各设备的驱动软件和所需的应用软件等。

4 监控功能的实现

景洪水力式升船机计算机监控软件运行于Wonderware 公司InTouch10.1 的Window Viewer 运行平台和IO Server 软件。操作员工作站启动后，相关软件能够自动运行，无需操作人员干预。

4.1 运行状态监视

操作员登陆的升船机系统监控主画面，见图2。

图2 系统监控主画面

主画面由菜单区、运行状态显示区、操作命令区、实时信息登录区、紧急处理命令区、信息显示区、运行参数显示区和运行动画显示区等区域组成。

菜单区通过下拉菜单实现监控画面切换等功能，运行状态显示区域显示计算机监控系统及现地各子站当前工作方式及运行状态，操作命令区显示计算机监控系统控制方式、运行工况及各工况下的操作命令，其中各工况操作命令在同一区域显示，实现互锁，避免误操作，实时信息登录区实时显示升船机系统操作、运行及故障信息。

紧急处理命令区布置紧急关闭上游事故门和下游事故门、快速关闭充、泄水阀门等命令，以应对紧急情况下的操作。信息显示区显示计算机监控系统、监控网络等当前信息，运行参数显示区显示升船机运行期间主要参数。运行动画显示区以动画的方式显示升船机系统各设备运行状态。

4.2 系统操作安全保护功能

景洪水电厂水力式升船机计算机监控系统为了确保升船机系统运行安全、可靠，避免误操作，在软件中设计了各种类型的确认、操作闭锁及保护措施。

对于一些关键操作，处于安全考虑，软件设置了再次确认环节，以再次提醒操作员注意。

对于违反升船机运行流程的操作，软件设置了自动保护，不予执行，同时报警提示操作员注意[6]。

4.3 系统故障处理

针对升船机运行中出现的故障报警采取了多种处理方法，包括重大故障报警弹出报警窗、实时故障报警登录、报警指示灯显示、报警信息查询、历史报警记录及查询，同时还允许操作员根据各子站报警内容对各子站报警进行复位尝试。

当发生紧急事故时，操作员可以通过软件紧急处理命令区下发紧急关闭上游事故门和下游事故门以及快速关闭充、泄水阀门等操作。

如果在发生事故时，控制系统未能进行相关保护动作，操作员还可以通过中央控制台上的硬急停按钮进行操作，以确保人员和设备的安全。

4.4 历史事件查询

通过计算机监控软件中的历史事件查询窗口，可以对历史事件按照时间、操作人员、报警组等条件进行筛选，历史事件查询窗口，见图3。

图3 历史事件查询窗口

通过计算机监控软件中的历史趋势分析窗口，可以对特定标记名的历史数据进行趋势分析，在历史趋势设置对话框内可以设置要进行分析的数据标记名、时间段、曲线颜色、最大值、最小值等参数，在历史趋势分析窗中以曲线方式显示出设定段的数据，通过调整选型可以对曲线进行放大、缩小、上移、下移等操作。

4.5 历史数据的导取功能

景洪水电厂水力式升船机计算机监控系统设置了导取历史数据功能，其数据涵盖了升船机大部分模拟量数据，如64 根驱动均衡油缸调平和64 根承船厢调平油缸的压力和位移、64套浮筒锁定设备的状态、16 台导向荷重、12 台同步轴扭矩等，历史数据导取界面，见图4。

图4 历史数据导取界面

5 结语

景洪水力式升船机是一台世界首创、中国原创的升船机。这里从计算机监控系统着手，分析了其网络结构、硬件配置以及监控、控制等功能。经实践运行表明，该系统设计的网络结构能够实现容错和冗余功能、硬件配置合理、监控内容齐全、控制功能动作正确，是一套较先进的升船机计算机监控系统。该系统操作简单、防止误操作的设计逻辑正确，完全满足对升船机设备监控和安全控制的要求，经过近2 年的运行，达到了升船机预期的生产运行效果。