（农业电气化与自动化专业论文）基于plc的水电站闸门监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息化在水利行业的大力推广，作为水利信息化重要组成部分的水闸自动化监控系 统也日益受到重视。而水利现代化的发展，资源调度自动化的要求，要求设计出高可靠性的 闸门监控系统，要求闸门监控系统具有网络通信能力，远程监控能力，具有较好的网络扩展 容量及较多的系统冗余量，使设计出的系统在信息化、自动化、可视化等方面满足现实的及 今后一段时间的需要。 课题以四川薛城水电站为研究对象，着重研究了以p l c 为控制核心，对大、中型水电站 的闸门监控系统实现自动控制的方法。本文从系统集成的角度出发，对监控系统做了整体方 案设计并对相关设备进行了选型研究。在p l c 的选择上，通过综合考虑，采用国内外水电站 应用技术中非常成熟的施耐德系列p l c 作为控制器，并简要叙述了应用到闸门监控系统中的 一些先进技术：集散技术、热备技术、以太网技术等，进行了p l c 的程序设计和监控系统的 组态，分析了监控系统的组成和功能。 整个监控系统的组态可以分为两个部分，上位机的组态和现地控制单元人机界面的组 态。上位机控制系统主要对单个闸门控制和三个闸门成组控制进行了组态，并对监控系统的 软件方案、数据流向进行了探讨。现地人机界面则主要对闸门控制、闸首一般状态量、电气 量、模拟量、温度量以及报警画面做了组态。 目前该控制系统已经成功投运，实际运行结果证明了该系统设计的合理性、动作的可靠 性和性能的优越性。薛城电站闸门监控系统的可靠设计及顺利运行，真正实现了“无人值班， 少人值守”的控制模式，真正为闸站及整个电站的科学管理带来了巨大的便利和经济效益。 关键词：闸门；p l c ；现地控制单元；监控系统 东北农业大学丁学硕上学位论文 t h e s t u d y o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fs l u i c e g a t eb a s e do np l c a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nw a t e rr e s o u r c ei n d u s t r y ，s l u i c e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e ma t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n 、枷i l ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e m o d e r n i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e ，t h ed e m a n do ft h ea u t o m a t i o no fr e s o u r c es c h e d u l i n g ，h i g h r e l i a b l es l u i c eg a t em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e m a n d e da n dt h es l u i c eg a t em o n i t o r i n gs y s t e mi sa l s o d e m a n d e dt oh a v et h ea b i l i t yo fn e t w o r ks e r v i c e ，r e m o t em o n i t o r i n g ，b e t t e rn e t w o r kp a t u l o u s c a p a c i t ya n dm o r es y s t e mr e d u n d a n c yw h i c hw i l le n a b l et h es y s t e mt om e e tt h ep r a c t i c a la n d h e r e a f t e r sd e m a n do fi n f o r m a t i z a t i o n ，a u t o m a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n ，e t c t a k et h es i c h u a nx u e c h e n gh y d r o p o w e rs t a t i o na sar e s e a r c ho b j e c t , t h ea u t o m a t e dc o n t r o l m e t h o dw h i c ht o o kp l ca st h ec o n t r o lc o r ew a sf o c u s e do n a i m i n ga tl a r g eo rm e d i u ms i z e d h y d r o p o w e rs t a t i o n s s l u i c eg a t em o n i t o r i n gs y s t e m f r o ms y s t e mi n t e g r a t i o ns t a n d p o i n t , t o t a l s o l u t i o n sa i m i n ga tm o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e da n dt h eo p t i o n so fr e l a t e de q u i p m e n t sw e r e a l s os t u d i e d o nt h eo p t i o no fp l c ，b yc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r i n g ，w et o o ks c h n e i d e re l e c t r i c s p l ca sc o n t r o l l e r , w h i c hh a sh a dr i p eu s ei nh y d r o p o w e rs t a t i o na th o m ea n da b r o a d ab r i e f s u r v e yo fs o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g yw h i c hw a sa p p l i e dt ot h es l u i c eg a t e sm o n i t o r i n gs y s t e mw a s r e p o r t e d ，s u c ha sd c st e c h n o l o g y , p l ct e c h n o l o g y , e t h e r n e tt e c h n o l o g ye t c t h ed e s i g no fc o n t r o l p r o g r a mw a sd i s c u s s e da n dc o n f i g u r a t i o n so fm o n i t o r i n gs y s t e mw e r em a d e t h ec o m p o n e n t sa n d t h ef u n c t i o n so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mw e r ea l s oa n a l y z e di nt h ep a p e r t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s t h e ya r e c o n f i g u r a t i o no fi p ca n dc o n f i g u r a t i o n o fh m ii nl o c a lc o n t r o lu n i t i ni p cc o n t r o l s y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n sa i m i n ga tb o t hs i n g l es l u i c e sc o n t r o la n dt h r e es l u i c e s c o n t r o li ng r o u pw e r e m a d e s o f t w a r es o l u t i o nf o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，d a t af l o wa n do t h e rm a i n m o d u l ew e r ed e s i g n e di n t h ep a p e r i nl o c a lc o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n sw e r em a d ea i m i n ga ts l u i c ec o n t r o l ，g e n e r a l q u a n t i t i e so fs t a t e ，e l e c t r i cp a r a m e t e r s ，a n a l o gq u a n t i t i e s ，t e m p e r a t u r eq u a n t i t i e sa n da l a r mp a n e l b yn o w , t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o ns u c c e s s f u l l ya n dt h er e s u l t so fa c t u a l r u n ss h o wt h er a t i o n a l i t yo fd e s i g n ，t h er e l a b i l i t yo fm o t i o na n dt h ea d v a n t a g e so ff u n t i o n t h e r e l i a b l ed e s i g na n dt h es m o o t hr u n i n gi nx u e c h e n gh y d r o p o w e r ss l u i c em o n i t o r i n gs y s t e ms h o w t h a tt h eu n a t t e n d e dm o d ei sr e a l l ya c h i e v e d g r e a tc o n v e n i e n ta n db e n e f i t sa r eb r o u g h tt ot h e s c i e n t i f i cm a n a g e m e n to ft h es l u i c es t a t i o na n de v e nt ot h ew h o l eh y d r o p o w e rs t a t i o n k e yw o r d s ：s l u i c eg a t e ；p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ；l o c a lc o n t r o lu n i t ；m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t c a n d i d a t e ：j i a n gl i f a n g s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy u l i n 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 一 ( 注! 翅遗查墓丝益要挂剔主盟笪! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：薹薪笏 日期：年月，仁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：善笳易 日期：矽吁年占胄，媚 导师签名：玺玉辨吼励留年多月，石 引言 1 引言 1 1 研究的目的 中国水能资源居世界首位，有很大的发展潜力。据统计，全国水电资源理论蕴藏量为6 9 4 亿千瓦，年发电量6 0 8 2 9 亿千瓦时，其中技术可开发容量5 4 2 亿千瓦，经济可开发容量4 0 2 亿千瓦( 李定中，2 0 0 6 ) 。全国单站装机l o 兆瓦以上的大型水电站有2 0 3 座，小型水电站可 达数万座。1 9 8 0 年1 9 9 9 年这2 0 年来，水利发电量占全国总发电量的1 5 3 ，利润却占总 售电利润的6 4 ( 李定中，2 0 0 6 ) 。由此可见，水电是我国的利润大户。而且水电是可再生 的清洁能源，它不排放温室气体。对于保护全球大气环境，防止气候变暖，实现可持续发展 具有重要作用( 朱辰，施冲，王伟，2 0 0 6 ) 。作为我国最主要的清洁的可再生能源，水电在 电力结构调整和农村的能源结构调整中占有重要地位。中国“十一五”国民经济和社会发展 规划中提出积极发展电力，“在保护生态环境的基础上有序开发水电，统筹做好移民安置、 环境治理、防洪和航运工作”( 梁维燕，2 0 0 6 ) ，“十五”计划将装机容量2 5 万千瓦以下的农 村水电纳入可再生能源范畴，提出要开展小水电现代化建设，用5 年或稍长一点时间，使5 0 的农村水电站和电网采用现代化技术，达到现代化水平；同时也明确提出要求新建农村水电 站都要按无人值班( 少人值守) 进行设计和建设，二十世纪九十年代以前建设的水电厂，要 按总体目标做出更新改造计划，在2 0 1 0 年前全部实现无人值班( 少人值守) ( 程夏蕾等，2 0 0 5 ) 。 要合理地利用水资源，必须对水资源进行合理的有效调度。 随着国民经济及科学技术的进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重要性和必要 性，水资源是制约我国国民经济发展和人民生活水平提高的重要因素。要做到水资源的优化 调度，最终必须通过调节闸群来实现，所以说闸群控制在水资源的信息化当中，扮演着非常 重要的角色。随着“无人值班，少人值守”这一控制模式的提出，水电厂、水利枢纽的自动 控制也迫切要求设计并生产出可靠性高、性价比好的闸门控制系统。因此，为了加强对水资 源的重视，在水利信息化的过程中，加强对闸门控制的研究也是必不可少的。没有闸群的自 动化，就很难谈得上水利的信息化。因此闸群控制方面的研究就成为一项迫切的现实要求。 随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥控遥测、通信及计算机技术应用于 闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的合理输送、节制和分配， 就是水闸监控系统的主要内容和目标( 蒋元广，2 0 0 2 ) 。 1 2 水闸自动化监控系统的研究背景 水电自动化是水电建设的一部分，在2 0 世纪2 0 年代的美国、瑞士等国家即已出现，4 0 年代，水电站运行采用在中控室和机旁两级值班：5 0 年代后期，开始实现无人值班，由上级 调度所或梯级调度所遥控。计算机及相应自动化配套装置和元件的应用使水电站的自动化进 东北农业大学工学硕士学位论文 入一个新的发展阶段，计算机监控是水电站自动化今后的发展方向。在工业发达国家，无人 值班或少人值守的水电站已占绝大多数，而在我国的应用却很少，多数电厂还保留着两级值 班的模式，这使我国水电厂的劳动生产率比国际水平低很多。 虽然我国的水电自动化水平跟国际水平相比还有很大差距，但8 0 年代后期，我国的水 电发展进步很快，特别是国家实行业主负责制、流域滚动开发以来，由于业主在集资建设、 自主经营、卖电还贷的机制中唱主角、负主要责任，因此提高劳动生产率必然地成为业主追 求的目标，自动化可以将发电机层、水轮机层、公用设备及前池尾水的测量、信号、操作控 制等均集中到控制室进行，不设就地值班，达到少人值守或无人值班的目的。所有在建或拟 建的水电站都采用计算机监控系统，以实现“无人值班，少人值守”。一些已建的水电站也 正在逐步向全计算机监控系统方向迈进，进行或准备进行系统的改造以实现减人增效的目 标。 随着“无人值班，少人值守”这一控制模式的提出，水电厂、水利枢纽的自动控制迫切 要求设计出可靠性高、性价比好的闸门监控系统。传统的闸门控制系统，多采用继电器一接 触器的控制方式，这种控制方式的缺点在于设计周期长、接线复杂、可靠性差、维修工作量 大、维修周期长、控制逻辑一旦确定就不可更改：而现有的闸门控制系统，有的缺乏主控计 算机的支持，不能联网进入电站的全面监控系统；有的系统，闸门开度数据仍采用数字量或 模拟量的方式采集，有的仍采用单片机的控制装置，因此可以说，闸门监控系统在我国的应 用水平良莠不齐。而水利现代化的发展，资源调度自动化的要求，要求设计出高可靠性的闸 门监控系统，要求闸门监控系统具有网络通信能力，远方监控能力，具有较好的网络扩展容 量及较多的系统冗余量，并要求系统的设计具有一定的前瞻性，使设计出的系统在信息化、 自动化、可视化等方面满足现实的及今后相当长一段时间的需要，因此，水闸监控系统的设 计与研究具有重要的现实意义。 1 3 水电站计算机监控系统的发展方向 新世纪水电事业的中心在中国。截至2 0 0 4 年底，中国水电已建1 0 8 2 6 6 亿千瓦。2 0 0 4 年度水电发电量为3 2 8 0 亿千瓦时。根据中国国家规划，2 0 1 0 年，水电装机容量将达到1 6 亿千瓦，2 0 2 0 年将达到2 7 亿千瓦。当前，三峡、小湾、龙滩、水布垭等水电站工程的兴建， 标志着水电建设已经逐步迈向世界先进水平，并且逐步成为水电技术发展的中心( 邓诗军， 2 0 0 6 ) 。 随着水电事业的发展，中国的水电自动化技术在实用水平的基础上又迈上了一个新台 阶，提高到一个新水平。从设计开发、生产制造、安装调试、运行维护等方面来看，目前我 国的水电自动化技术已位居世界先进行列。 尽管目前水电站计算机监控系统具有数据采集、数据处理、a g c a v c 、远方诊断、监 视、控制、通信、记录、打印、诊断和操作票等功能，而且监控系统具有较高的可靠性、稳 定性、实时性、准确性、易操作性、安全性、可扩展性、可维护性和较高的自动控制水平， 但随着社会进步，技术进步，随着计算机、网络、通信的迅速发展，水电站计算机监控系统 2 引言 将朝着以下几个方面发展： ( 1 ) 独立的历史数据库系统 历史数据库系统实际上是监控系统的一个组成部分，只是将原来监控系统中需要历史保 存的数据、事件和相关信息进行分门别类地存放在商用数据库中，供需要时进行查询、打印 或备份。历史数据库系统以单独的计算机来实现，具有美观的人机界面，方便的操作方式和 丰富多彩的显示形式。这样的配置既减轻了监控系统的负担，减化了监控系统的软件复杂性， 增加了监控系统的实用性，还能通过标准数据库接口s q l 、o d b c 、j d b c 等与其他系统互 连，如m l s 系统。 ( 2 ) 发展无主系统。 所谓有主系统，指在双主机正常的情况下，一台主机工作，另一台主机热备用。当主工 作机故障时，备用机在几秒后能自动升级为主工作机，成为单主机。而在无主系统中，两台 主机和两台操作员工作站的功能基本上是一样的，即使两台主机死机，也不影响主站的正常 监视和控制操作。 在监控系统软件总体设计中也可引入无主设计的概念，使得系统中任何一个计算机节点 的应用软件配置完全相同，如数据库管理站、操作员站或工程师站，相同的软件配置根据不 同的功能授权实现不同的功能。当任何一个计算机节点出现故障时，可通过功能授权调整以 便于实现功能的重新分配。比如说运行时，工程师站不具备现场设备的操作控制权，但经过 权限调整，便可以进行控制操作。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，则该系统永远是可控的。 相比之下，有主系统相对无主系统米说简单许多，但，有主系统的可靠性不是很高。在 有主系统中，如果主工作机运行一段时间后发生故障，而在单机的情况下再发生死机现象， 那么中控室操作台将失去监控作用。在这种情况下，无主系统相对有主系统来说可靠性要高 得多，它根本不用担心主站死机的问题，可以保证监控系统1 0 0 地监控机组。只是相对有 主系统，无主系统要复杂许多，特别是无主系统要考虑四台机器数据库一致性问题，要更多 地考虑跟踪和切换问题。 ( 3 ) 发展面向无人值班的监控系统 现在工业发达的国家，无论是大型水电站还是小型水电站，许多电站都已经实行了无人 值班或少人值守的控制方式，这是水电厂发展朝着更高的目标迈进的标志。“无人值班”这 一控制模式的提出，符合国家电力体制改革的需要，适合水电厂运行体制的变革。“无人值 班”( 少人值守) 的推行，既有利于提高水电厂的技术装备和自动化水平，又有利于提高电 厂的管理水平和值班人员的整体素质，从而提高安全生产水平；推行“无人值班”( 少人值 守) ，还有利于减少运行人员的劳动强度，更大限度地发挥人的主观能动作用，达到减人增 效的目的。在这种控制方式的要求下，极大地提高了监控系统的自动化水平，极大地减少了 电站的运行人员，减少了电站的运行费用。 ( 4 ) 发展面向少维护的“傻瓜式监控系统” 随着水电厂设备的更新和技术的进步，随着水电厂无人值班方式的出现，水电厂中，不 仅运行人员将大幅度减少，而且维护人员也将大幅度减少。过去水电厂为了维护好计算机监 控系统，专门成立了计算机班或是专门引进计算机专业人才，现在随着计算机监控系统的成 3 东北农业大学工学硕士学位论文 熟，大型水电厂计算机监控系统的维护人员也只需要两人即可满足要求。 由于现在全国水电厂计算机监控系统的维护人员在逐渐减少，为了减少维护工作量，生 产厂家正在努力把计算机监控系统尽量设计制造成“傻瓜式监控系统”，这种系统应该具有 “一键”备份的功能，以便减少比较繁杂的上位机、下位机的备份工作；具有“一键”恢复 的功能，以便使计算机监控系统的上位机、下位机的恢复重装系统以及程序的工作变得简单、 方便；具有自动清除垃圾文件的功能，使占用存储资源的垃圾文件在认定情况下，由计算机 自动定期完成以减少维护工作量；具有自动重启进程的功能，使得某个进程在死机的情况下， 监控系统自动记录死掉原因并立即重新启动该进程，以免该进程所要完成的功能无法完成； 另外“傻瓜式系统”还应具有自动重启机器的功能，因为进程有重要程度之分，一般的进程 只影响某些功能，而重要的进程死掉会导致整台机器死机，因此，在导致整台机器死机后， 监控系统在自动记录其死机的原冈后，应该立即重新启动该台机器。在这样的设计下，监控 系统的使用、维护会更加简便，并可以更好地适应水电厂无人值班的需要。 ( 5 ) 发展移值性能好的监控系统 目前，水电厂计算机监控系统的运行使用寿命一般为十年左右。由于各种原因，水电厂 计算机监控系统的备品备件不可能购买很多。在监控系统投运使用五年或更跃时间后，其设 备便会开始老化甚至损坏。开始时可能还会有备件可以更换，但随着时间的推移，设备的损 坏几率增加，备件也已用完，而计算机行业发展的日新月异，市场上已经买不到相同类型的 计算机等备件，这就给水电厂安全发供电带来了一定的困难。另外，由于水电厂计算机监控 系统软件的可移植性能较差，基本上不能安装在新的计算机上使用。所以，水电厂计算机监 控系统的备件问题直困扰着诸多水电厂。很多水电厂在这种情况下选择了淘汰原有的监控 系统，购买新的监控系统，从而缩短了监控系统的运行使用寿命，更增加了电厂的成本。因 此，大力发展移植性能良好的计算机监控系统也是十分必要的。 1 4 水电站闸门监控系统的设计思想 根据水电站闸门的实际运行特点和计算机技术的发展状况，在系统设计时应考虑以下各 种因素： ( 1 ) 开放性和可扩展性。计算机硬件和软件技术的发展与更新非常迅速，水电厂在使用 闸门监控系统中也会不断的提出新的要求。所以监控系统应具有方便用户修改、维护、增加 新的测点、画面以及增加新的硬件和软件的功能。 ( 2 ) 分层分布结构。分层分布一方面是指物理结构的分层分布，另一方面是指系统功能， 数据库等的分层分布。采用分层分布结构可提高系统的可靠性和实时响应。 ( 3 ) 热备冗余技术。由于闸门在电站中的重要作用，对其监控系统的可靠性要求非常高， 采用冗余在线热备用技术是提高系统可靠性的重要手段之一。要采用多种冗余配置，保证在 最极端的情况下也能保证闸门的安全启动和停止。 ( 4 ) 测控单元智能化。电站闸门的测控信息量很大，处理内容十分丰富，速度响应要求 高。采用智能化模件技术是解决信息堵塞的可靠技术手段。 4 引言 1 5 课题研究的主要内容 本课题是以四川省杂谷脑河薛城水电站为研究对象，对该水电站闸门监控系统的自动控 制功能进行研究与设计。本文的主要工作有： ( 1 ) 从系统集成的角度出发，根据用户实际应用需要和投入资金的规模为出发点，从整 个系统的可靠性与经济性角度出发进行系统整体方案设计、设备选型，并根据闸门控制系统 要实现的功能，结合各种计算机通信和网络技术，提出了基于p l c 的水电站闸门监控系统的 硬件方案。 ( 2 ) 根据闸门监控系统的要求，对p l c 的双机热备技术进行了讨论，实际做了热备系统 应用程序传送的测试及热备切换测试，并应用编程软件对闸门的控制程序进行了设计与开 发。 ( 3 ) 针对监控系统的实际要求，对上位机监控软件进行功能研究，探讨了数据处理等功 能的实现过程。 ( 4 ) 对水电站闸门监控系统的通讯网络进行了研究，比较了串行通讯及网络通讯两种不 同的通讯方式并介绍了常用的通讯协议。 ( 5 ) 对实现人机界面功能的触摸屏技术进行了研究并根据实际需要，做了各种组态，以 便于实时的监视和控制闸门的运行情况，使操作人员能够根据组态的画面实时地查询各种状 态量，温度量数据，模拟量数据及电气量等数据。 ( 6 ) 对监控系统进行了出厂前调试和现场调试运行等工作，从事实上验证了系统的可靠 性和正确性。 5 东北农业大学丁二学硕十学位论文 2 监控系统总体方案设计 系统集成作为一种新兴的服务方式，是近年来国际信息服务业中发展势头最猛的一个行 业。系统集成的本质就是最优化的综合统筹设计。近几年，随着水电事业的发展，基于p l c 的系统集成方式已经成为水电站的自动控制系统的发展趋势，因此，本文从系统集成的角度， 来对整个闸门监控系统进行设计。 2 1 系统集成 所谓系统集成，即是以用户的应用需要和投入资金的规模为出发点，综合应用各种计算 机网络相关技术，适当选择各种软硬件设备，经过相关人员的集成设计、安装调试、应用开 发等大量技术性工作和相应的管理性及商务性工作，使集成后的系统能够满足用户对实际工 作要求、具有良好的性能和适当的价格的计算机网络系统的全过程。系统集成涉及到计算机 软件、硬件、操作系统技术、数据库技术、网络通讯技术等。实际上这些产品和技术是由各 个不同的厂商提供的，采用的也是多种不同的协议和标准，而且是面向各种不同的应用，因 此系统集成的过程不仅需要将不同厂家提供的不同产品结合在一起，还要让它们能够互连、 互操作、不产生冲突。更为重要的是，整个系统要达到性能最优，即所有部件和成分合在一 起后不但能工作，而且全系统是低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充的和可维护的系 统。 计算机系统的集成也是信息系统的系统集成。即根据应用需求，将硬件( 含系统软件、 工具软件等) 、网络、数据库及相应的应用软件组合成为有实用价值的具有良好性价比的计 算机应用信息系统的全过程。从广义上讲，系统集成包括人员的集成、企业内部组织的集成、 各种管理上的集成、各种技术上的集成、计算机系统平台的集成等；从狭义角度看，系统集 成的主要对象和内容包括人员的集成、硬件的集成、软件的集成、信息的集成等。 2 2 本课题研究的主要对象 2 2 1 工程概况 薛城水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县境内，是岷江上游一级支流杂谷脑河水 电规划“一库七级”开发规划方案中的第六个梯级电站。该电站为引水式电站，地面厂房， 保证出力3 3 万千瓦，多年平均年发电量6 5 7 8 亿千瓦时，年利用小时4 7 7 0 h 。本电站为单一 发电工程，无防洪、航运、供水等综合利用要求。电站总装机容量1 3 8 兆瓦，装设3 台单机 容量4 6 兆瓦的水轮发电机组。电站主厂房型式为地面式，装机3 台，主厂房总净长7 0 0 2 m ( 含 6 髓控系统总体方案设计 安装间) ：主厂房净宽2 0 m 。在主厂房安装间端头为副厂房，副厂房二楼布置有中控室。计 算机监控系统站控级设备、开关站现地控制单元( 以下简称l c u ) 和公用l c u 都布置在中 控室内，机组l c u 布置在主厂房的发电机层下游侧。闸酋设有配电房，室内布置有闸首l c u 。 在控制单元的屏面上设有触摸屏，可实现对水位以及各个闸门的监视和控制。 在1 号3 号泄洪闸、冲砂闸的液压启闭机室内，设有闸门的p l c 控制柜，可以实现对 所控制闸门的现地自动、手动开启和关闭的操作。 2 2 2 泄水系统的闸门和启闭设备 闸首位于上游，距厂房1 8 公里。在闸首处修建一拦河坝，整个坝段共布置三孔泄洪闸、 一孔冲砂闸、一孔排污闸，主要用于泄洪排沙及排污。闸顶高程1 7 1 1 o o m 。每孔泄洪闸、冲 沙闸前部设检修闸门门槽，后部设工作闸门门槽，三孔泄洪闸、冲砂闸检修闸门储门槽布置 在左岸坝段。三孔泄洪闸共用一扇检修闸门，泄洪闸检修闸门、冲砂闸检修闸门、排污闸工 作门由一台4 0 0 k n 5 0 k n 单向门机操作，副钩5 0 k n 用于检修泄洪、冲砂闸液压启闭机。 2 2 3 课题研究的主要对象 ( 1 ) 泄洪闸工作闸门及启闭设备 泄洪闸工作闸门为潜孔弧形闸门，采用双主横梁直支臂、球铰结构型式，弧面半方向分 成三节，工地拼装焊接。泄洪闸工作闸门主要是用于泄洪和控制库水位，闸门为动水启闭， 也可局部开启，在局部开启状态下运行时，需要加强观察，当闸门在某一开度下运行发生强 烈振动时，应该调节其开度，以避开强振开度。泄洪闸工作闸门由设置在闸墩边墙上的2 5 0 0 k n 液压启闭机操作。 ( 2 ) 泄洪闸检修闸门及启闭设备 泄洪闸检修闸门为潜孔平面滑动闸门，门页沿高度方向分成三节，在工地将下两节拼装 成整体。能承受总水压力5 3 3 2 k n 。闸门为静水闭门，启门时，先提上节门叶1 0 0 m m 进行节 间充水，平压后再提整扇闸门。泄洪闸检修闸门由闸顶4 0 0 i n 5 0 k n 单向门机通过拉杆操作。 检修闸门平时放在闸顶左侧的储门槽内。 ( 3 ) 进水口工作闸门及启闭设备 进水口工作闸门为潜孔平面定轮闸门，上游止水，闸门承受总水压力8 8 8 3 k n 。闸门为 动水启闭，由设置闸顶排架1 7 2 1 5 0 m 高程上2 6 3 0 k n 固定卷扬式启闭机操作，扬程2 3 m 。 7 东北农业人学工学硕士学位论文 2 3 整体方案设计 2 3 1 系统设计实施原则 在闸门监控系统设计时结合系统本身的要求，其系统设计实施原则如下： ( 1 ) 系统按“无人值班”( 集中控制) 的原则设计，系统能按实现现地、远方监控的指 导思想进行总体设计和配置。 ( 2 ) 安全可靠性是系统能够长期地正常稳定运行的保证。必须强调系统设备的可靠性与 安全性，采用高可靠的控制设备和传输设备。系统应该高度可靠、冗余，其本身的局部故障 不应影响现场设备的正常运行，系统的m t b f 、m t t r 及各项可用性指标均应达到中国电力 部的规定。同时系统设计应考虑整个系统尽量简单，以提高可靠性并降低维护工作量和难度。 使整个控制系统达到系统先进、安全可靠、运行操作简便、维护方便的目的。 ( 3 ) 设计应充分体现系统的先进性。系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点， 并采用成熟的自动控制技术，充分利用计算机领域的先进技术，使系统达到当前的国际先进 水平。 ( 4 ) 设备选型应充分考虑整个水利枢纽计算机自动化管理的要求，使系统具有良好的开 放性，系统硬件与软件平台采用现在具有成熟运行经验、严格遵守现代工业标准且具有较好 信誉的产品，以便为应用开发提供最大的灵活性，并能方便地进行升级，从而达到保护用户 对系统初期投资的目的( 王树勇，2 0 0 3 ) 。 ( 5 ) 采用全开放、全分布式系统结构，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资 源和投资。分布式功能、开放分布式数据库以及配置面向对象编程的全图形界面软件开发支 持工具，遵循应用软件模块化、结构化设计原则，使系统能适应功能的增加和规模的扩充， 并能自诊断。 2 3 2 系统的功能 闸门监控系统应该能够实时、准确、有效地完成所有被控对象的安全监视和控制，能够 对所控制机电设备的运行情况进行全面监视。为可靠完成闸门的启闭操作，闸门控制系统应 具备如下功能： ( 1 ) 闸门控制功能 闸门控制功能包括控制大坝所有闸门开启或关闭到指定开度、事故状态下紧急落门及紧 急抱闸刹车等功能。 ( 2 ) 闸门运行参数及状态信号的采集和处理 1 ) 水位及闸门开度采集和处理 闸门控制单元应该能够采集水位及闸门开度并对其进行监控，接收荷重输入的模拟量， 8 豁挖系统总体方案设计 进行越限检测、记录越限点号及其发生时间等处理功能。 2 ) 电度量采集和处理 闸门控制单元通过对现场各电气量和非电气量进行采集，监视现场运行状态，并通过闸 门控制中心的彩色显示器显示出来。闸首l c u 内装设2 只精度为0 5 级的多功能有功、无功 电度表，以测量1 书闸首变1 t s h 、2 嚣闸首变2 t s h 的低压侧电度，l c u 通过r s - 4 8 5 接口与 该电度表通信，采集有功、无功电度量。 ( 3 ) 人机联系功能 人机联系包括集中控制部分的人机联系、现地控制单元的人机联系和启闭机控制装置的 人机联系三部分。 集中控制部分的人机联系功能包括信息显示功能、报表打印功能以及信息输入功能。人 机界面包括主控界面、闸首模拟量及电气量界面、统计打印界面、在线帮助等界面。操作人 员可以通过这些界面来获取闸门的工作状态信息，并通过这些界面，采用键盘或鼠标输入的 方式实现对各个闸门的控制。报表打印功能能直观地反映闸门工作状态记录，它能根据时间、 闸门号选择各扇闸门状态报表、报警报表及闸门开度报表。 现地控制部分的人机联系是通过彩色触摸屏进行运行操作及运行参数监视和在线修改。 现地控制单元的人机界面主要由六幅图组成，即闸门控制界面、闸首一般状态量界面、闸首 电气量界面、闸首温度量界面、闸首模拟量界面及报警界面。通过闸门控制界面可完成闸门 的开启，停止和关闭操作，并通过不同界面可直接查询工作门开度、压力、油箱油温以及对 各个电气量、模拟量、状态量、温度量进行查询。当设备发生事故或故障时，能自动启动屏 幕闪光，并发出报警声，为保护屏幕，在设备无故障和无操作时，在一段时间后屏幕会自动 关闭。 启闭机控制装置的人机联系也是通过彩色触摸屏进行运行操作及运行参数的监视的。该 人机界面主要由主页面、开度预置界面、油泵查询、闸门查询及故障查询界面组成。系统上 电运行后人机显示主页面，主页面主要显示当前闸门开度、油压、油温、油位、油泵电机状 态等信息，并可以通过主页面进入其他页面。 ( 4 ) 站控级的通信功能 现地控制单元需要向中控室发送信号并且接受中控室发出的指令，因此需要通过光纤收 发机与主厂房监控系统通信，接受站控级的控制命令，并进行有效性检查和核对。当l c u 在“自动”方式时，站控级或调度中心远程操作站可以实现直接控制；当l c u 在“手动” 方式时，站控级或调度中心远程操作站发指令，由闸门运行人员在现地确认后才能实现控制。 “自动”、“手动”方式转换开关设在闸f - jl c u 处。 ( 5 ) 能脱离站控级独立运行的功能。 在闸门现地控制单元与站控级脱离联系的情况下，可以根据现地控制单元上的触摸屏上 显示的信息查询闸门的工作状态，并根据需要，在触摸屏上进行启门、闭门的操作。 ( 6 ) 自诊断功能 闸门控制系统具备自诊断能力，在线运行时对闸f - jl c u 的硬件及软件进行自诊断，能 够及时检测出故障部位模件和性质。当诊断出故障时，会自动发出信号；对于冗余模件，能 自动切换到备用模件，保证系统正常工作。 9 东北农业大学t 学硕l ：学位论文 2 3 3 闸门控制系统的结构 以p l c 为控制器的闸门监控系统，目前主要有两种结构模式：集中式控制系统和分布式 控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 集中式控制系统以一台p l c 或者p c 为核心，所有现场传感器的输入信号、状态输入信 号和输出控制信号都通过一一对应的线入线出电缆传输，控制设备比较集中，易于管理， 一次投资小，但这种方式的可靠性依赖于p l c ，一旦p l c 或外围关键设备出现故障，就会影 响整个系统的正常工作。另外，集中式控制方式所需电缆较多，现场安装工作量大，而且扩 展性能较差。 分布式控制系统综合了计算机技术、通信技术、图形显示技术( c r t ) 和过程控制技术， 采用了多层次分级的结构形式，以适应现代生产控制与管理的需要。它由多台p l c 组成，每 个闸门现地控制级均采用一个p l c 。分布式系统的特点是设备比较分散，一次性投资大，但 可靠性高，子系统故障一般不会影响全局；模块化结构使系统容易实现通用化与系统化，扩 展功能强；系统适应性好，系统中的数据、程序、外设等资源都可由各子系统共享，因此系 统具有较高的适应性与灵活性：而且采用分布式系统能够大大减少现地级与集中级之间的通 信电缆。现地级的设备通过现场通信总线实现与集中控制设备的互联。但这种控制方式存在 的问题是： ( 1 ) 数据通信量很大，需要增加通信联网设备及费用，而且带来数据通信安全性与保密 性等问题。各种传感器、执行器及控制器之间传递的4 一- - 2 0 m a 的模拟信号，传输过程中信 号易衰减、抗干扰能力差。 ( 2 ) 技术要求高，不同d c s 之间实现网络互联和信息共享的问题比单机系统要复杂得多， 而且系统总体调度、协调和优化问题相对单机系统来说，难度大许多。 2 3 4 整体方案 闸门监控系统的主要目的是通过计算机监控系统达到水闸水位、闸门工情、图像信息 的自动化采集与传输，并能够在监控中心远程控制闸门启闭以及闸门的自动控制。 薛城电站闸门监控系统是整个电站计算机监控系统的一部分，它采用分层分布式的功能 结构，分为主控层( 也称站控层) 、现地控制单元层。主控层和闸首l c u 均采用双机热备 用的方式。 由于电站为引水式电站，大坝位于厂房数公里以外，通常，过去在大坝处设有闸门集控 中心。对于中、小型梯级电站，为适应“无人值班( 少人值守) ，的运行管理模式，将闸门 集控中心设计成与电站监控系统合并，纳入站级计算机监控系统的监控范围内，以实现集控 中心的远程监控。监控系统包括现地l c u ，控制室的系统服务器、主机兼操作员工作站、网 关计算机及相关网络设备组成。整个监控系统采用双环形1 0 0 m b s 的交换式快速以太网的结 构，每套工业交换机分别通过1 0 0 0 m r j 4 5 端口连接网关计算机，其它主控层设备采用 1 0 i i ： 控系统总体方案设计 1 0 0 m r j 4 5 电口连接。每套主干交换机还分别通过各自的1 0 0 m 单模光口及单模光纤与闸首 l c u 的工业交换机连接。主控层通过交换机和网关计算机，采用点对点方式接入规划中的杂 谷脑河集控中心，以接受该集控中心的监控。监控系统还通过网关机和电力调度数据网实现 与四川省调度中心的直接通信。 闸门监控系统结构图如图2 1 所示： l 闸门监控中心( 主机兼操作员工作站) i 图2 1 闸门监控系统结构框图 f i g 2 1f r a m eg r a p h i co ft h eg a t e sm o n i t o r i n gs y s t e m 主控层以双计算机为核心，主要完成采集下位机系统设备运行的实时数据，如水位、闸 位、运行状态等，根据上级管理部门给定的闸门开度，控制闸门开启高度，监视开启状态。 作为人机联系界面的操作员工作站屏幕，要实时显示所有闸门及液压启闭系统的运行状态、 操作动态过程、事故和故障以及有关参数。事故报警画面具有最高优先权。 现地控制层主要指闸首现地控制单元和启闭机的电气控制装置。闸首的现地控制单元监 控启闭机电气控制装置，即p l c 控制柜，由启闭机电气控制装置直接监视被监控设备，它既 可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置单独运行。闸首现地控制单元主要完 成对现场数据，如水位、闸位、运行状态等数据的采集，并对启闭机电气设备进行控制。它 负责向主控层传送采集的数据，报告各现地控制层设备的运行情况等信息。它还要实现对闸 门现地控制和远方控制的实时控制和调节。 东北农业人学工学硕士学位论文 2 4 系统设备选型研究 2 。4 1 设备选型原则 结合电站闸门监控系统的要求，设备选型应遵循的原则是：在保证系统可靠性、性能、 质量、开放的同时，尽量减少设备的多样性，以便增强系统内设备之间的兼容性、替换性。 其中，开放性是系统设计中硬件、软件选型的重要因素。根据用户需要，采用经过i s 0 9 0 0 0 质量标准认证的国际著名厂商生产的、性