DHF水库输水工程自动化系统设计与实现

徐芊芊

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

DHF水库是一座防洪、供水、灌溉、发电、养鱼等综合利用的大型水利工程。因此，其运行的安全性对周边地区的生产、生活、经济具有重要的意义。为获得水库的水位和流量实时数据，对水库系统进行合理的调控以保证其运行在安全参数以内，有必要设计水库的自动化监测和调控系统。整个水库输水工程有调度中心、配水站、加压泵和取水头组成。该工程有利于水库运行联调决策支持、工程监测与安全运行评估、事故应急处理预案与决策支持等。

1 系统设计与实现方式

1.1 系统的设计

本系统由各点的监测分中心和调度控制中心组成，包含有DHF输水工程调度中心及5个配水站、1个加压泵站、1个取水头部(取水口监控分中心)。DHF水库计算机监控系统的监控内容包括：5个配水站、1个加压泵站、1个取水头部所涉及的闸门、抽水泵、调流阀和电动蝶阀等设备的控制和运行工况、流量测量、水位、压力、供电回路的运行工况等。各分中心对隧洞、机电设备等各类数据自动采集、实时监测、实时预报、实时控制等，并能对采集的数据进行预处理，存储并迅速转发到调度管理中心。输水工程调度中心监控系统接受并处理各分监控中心所有的监测、监控数据，并能对各监控系统进行远程控制，对接收的数据进行分析处理，为调度系统提供数据。输水系统的运行由调度中心统一调度管理。调度中心实时监测输水系统运行，动态管理输水流量。计算机监控系统根据调度中心的控制要求完成对所控设备的控制。

1.2 自动化的实现方式

DHF水库输水工程的自动化是一个数据自动采集、数据分析与比较、数据输出、自动控制、故障监测的过程。由于该输水工程点多、线长，所以其实现方式必定是多点监测统一调度。即通过对配水站、加压泵站、取水头部及分中心的数据进行采集，由相关软件分析之后做出初步判断，在对本分点进行控制的同时将数据传输到中心，中心在综合各分中心的数据后对各分点的控制进行优化和改进。

1.3 系统设计原则

由于DHF水库工程监测点多、分布范围广，工程地远离城镇。所以系统的设计应当保证技术可靠、稳定、成熟，功能实用、使用维护方便的设计原则。具体要求如下：

1)DHF水库输水工程自动控制依靠计算机监控系统。计算机监控系统按安全、可靠、经济、实用的原则进行设计和配置，保证计算机监控系统高度可靠。

2)分控中心计算机监控系统与调度中心之间进行通信，可实现遥信、遥测、遥控和遥调的功能。

3)采用全分布开放式冗余系统，便于功能和硬件的扩充，又能充分保证高的性能价格比。分布式数据库及软件模块化、标准化的设计，确保系统具有良好的可靠性，可扩充性和可移植性，并支持异型机互联。

4)系统高度可靠，自身的局部故障不会影响现场设备的正常运行，系统的MTBF、MTTR及各项可用性指标均达到部颁《水电厂计算机监控系统基本技术条件》DL/T578—95的规定。

5)实时性好，抗干扰能力强；人机接口功能强，界面友好、操作方便。

2 系统结构及组成

2.1 系统结构

DHF自动化系统在系统实时性、可靠性、经济性以及控制精确度方面要求较高，因此系统从结构方面也要考虑对以上性能的要求，主要包括以下几个方面：

计算机控制系统采用分布式结构；

1)监控系统中的关键设备均采用冗余配置，包括：操作员工作站、网络设备、PLC的CPU等设备，此外与控制信号采集和控制命令的发送均采用现场总线和I/O硬接线两种方式；

2)采用如图1所示的分层分布式的监控结构。

图1 分布式监控结构示意图

3)水库输水工程监控系统通讯网络采用如图2所示的开放式、分层、分布式网络结构。一层通讯网络：调度中心与取水头监控分中心、加压泵站及各配水站监控分中心间的通讯，采用冗余百兆以太网通讯网络。二层通讯网络：各监控分中心内现地控制单元与本中心监控计算机之间的通讯。各监控分中心内采用工业以太网交换机，将各现场设备控制单元(PLC)与监控计算机连接。三层通讯网络：各现地控制单元与现场设备、传感器、控制器之间的通讯，采用Modbus现场总线方式。

图2 网络结构图

2.2 系统配置

各中心根据需要同时考虑经济效益的原则合理选购所需的硬件和软件配置。主要配置有：操作员工作站、通信工作站、网络设备、UPS电源、GPS卫星时钟、打印机、大屏幕显示系统、操作系统软件Windows NT、监控软件EC2000、流量计、网络设备柜、现地控制单元LCU、直流系统、专用工具、中控台、水位计、压力计、网络交换机、超声波流量计等。以加压泵站计算机监控系统的配置为例，加压泵站主要监控对象是主干上的7台泵及分支上的3台泵，以及每台泵相关的进口蝶阀、出口液控环闭蝶阀、出口蝶阀、进口和出口压力计等，此外还有泵房的排水泵、加氯间的状态、泵站内电源等。加压泵站计算机监控系统设备包括：操作员工作站2台、通信工作站1台、打印机1台，网络交换机及网络设备和网络设备柜2套、UPS电源1套、GPS卫星时钟1套、中控台1套、大屏幕系统1套、监控系统软件1套、现地控制单元LCU 11套、直流系统1套、专用工具1套、用于测量泵房排水井水位的水位计1套、压力计20套、流量计6套。

3 系统控制方式和对象

3.1 控制方式

DHF水库输水工程自动化系统采用分层分布式结构，计算机监控系统的监控方式分为如下几层：

(1)调度中心远方监控：在调度中心内通过操作员工作站对本系统的闸门、泵站、阀门进行远方监控；

(2)分中心远方监控能在分中心通过操作员工作站对所辖区的设备进行远方监控，使得运行人员在管理处就可实现对整个辖区泵站和闸门的控制和监视。

(3)现地监控在设备投运期间、设备检修期及远方监控方式发生故障等情况下，能通过各自的现地控制单元直接对设备进行监控。

控制权限按照不同的控制优先级别来划分，优先级别为离控制对象越近，控制级别越高，现地控制单元有高的优先权现地控制单元的控制优先级别最高，分中心其次，调度中心的控制优先级别最低。现地控制与远方控制方式相互闭锁，以保证系统运行的可靠性和安全性。监控系统在各种方式的切换时无扰动，以保证生产设备的安全。LCU既作为整个监控系统的现地监控设备，向主控级上行发送采集的各种数据和事件信息，接受主控级的下行命令对设备进行监控，在主控级设备或网络故障时又能独立工作。在系统总体功能分配上，数据采集和控制操作的主要功能均由LCU完成，其它的功能如运行监视、事件报警、与外系统通讯、统计记录等功能则由主站级计算机完成。

3.2 控制对象

对沿线的泵站、闸门、阀门、柴油发电机、变电所的设备进行监视和控制，同时对各观测点的水位、流量和压力进行监控。

对沿线的运行设备进行控制，以保证能做到随时对设备的启动和停止的操控，达到对水量和水压及水质的监测和调控。

对沿线的设备状态、故障、报警量进行监测。

4 软件的选择

DHF计算机监控系统软件采用计算机领域较前沿的面向对象技术进行系统设计和软件实现，使用贴近于工程应用的客观对象，给使用者提供集成环境下的简便快速生成工具，构造控制系统，以及完成现场调试和维护。

DHF输水工程计算机监控系统采用最佳的软件配置，其中包括调度中心监控软件、分中心上位机监控软件、现地控制单元(LCU)监控软件以及为完成整个监控系统功能而必须的通信软件。

5 结语

设计的DHF水库输水工程自动化系统是一个分层次、开放式，含有多个子系统的综合自动化系统。通过对监测数据的采集和与安全数据的对比，可以了解大伙房水库沿线各点的水文数据，并对其进行控制。该系统能很好的实现DHF水库输水工程自动化，节约人力和财力，提高控制的实时性、可靠性和精度。