（水利水电工程专业论文）水库综合自动化系统研究.pdf

摘要 本文拐s 寸了目前我国水工业计算机监控系缪泣用的一些比较先进的技术，以及这些 技术的发展。在此基础上，对水库综合自动化系统的框架进行了研究。水库综合自动化 系统包括水库闸门控制系统、电力自动化系统、水情自动测报系统、大坝安全监测系统、 视频监视系统等。研究系统采用的典型结构、特点及完成的功能水库综合自动化系统 的通信方式。结合山东唐村水库的工程实际，阐述了唐村水库溢洪闸、放水洞、水电站、 管理局监控系统及水库大坝安全监钡9 系统的硬件、软件的组成及功能实现。本文着重研 究了唐村水库自动监控系统的特点，指出要根据水库的具体隋况及控制规模等确定控制 系统的构成，同时指出个完善的综合自动化系统必须结构合理，设备先进，规范施工， 运行可靠。只有系统可靠运行，才能最大限度地保证水库的安全。针对唐村水库综合自 动化系统中反映出的一些的问题，分析了综合自动化系统中普遍存在的影响系统可靠胜 的些因素，研究了系统可靠性技术，提出提高系统安全可靠性的措施。 关键词：水库综合自动化监控系统系统可靠性 a b s t r a c t 血t h el i t e r a t u x e a d v a n c e dt e c h n i q u e sa n di t sd e v e l o p m e n to n m o n i t o r i n gs y s t e m o fw a t e ri n d u s t r yh a sb e e nd i s c u s s e d _ o nt h eb a s i so f t h e m , r e s c a z c ho na u t o m a t i c s y s t e m o f w a t e rr e s e r v o i rh a sb e e n p e r f o r m e d t h ec o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i c s y s t e m c o n s i s t so f g a t ec o n t r o ls y s t e mo f w a i e rr e s e r v o i t , e l e c t r i ca u t o m a t i cs y s t e m w a t e r i n f o r m a t i o na u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n df o r e c a s ts y s t e m ，m o n i t o r i n gs y s t e mo fd a m s a f e t y ，m o n i t o r q m gs y s t e mv i d e o 丘e - q u e n c y ，e t c i n t h er e s e a l h , t h et y p i c a ls l r u c t r r e ， c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so ft h es y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d eo ft h e s y s t e mh a v e b e e n s t u d i e d c o m b i n i n gt h ee n g n e e r i n go ft a n g c u n w a t e rr e s e r v o i ri n s h a n d o n g p r o v i n c e ，t h e m o n i t o r i n gs y s t e m o fs l n i c e g a t e ，o u t l e t c o l l d u n h y d r o p o w e r s m f i o na n dm a n a g e m e n tb u r e a uh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ec o n s t i t u t i o n o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd a m s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n di m p l e m e n t a t i o no f bf i m c t i o na l s oh a v eb e e ns m d i e d i nt h ea r d c i j e ，t h ec h a r a c t e r l s u c so fa u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e mo ft a n g c u nr e s e r v o i rh a sb e e np a i de m p h a s i so n m e a n w k i l e ，i t s h o u l db ep o i n t e do u tt h a tap e r f e c tc o m p r e h e n s i v ea n m m a t i cs y s t e mm u s th a v e r e a s o n a n es i r u c i l 】r e ，a d v a n c e de q u i p m e n t , n o r m a t i v ec o n s l r u c t i o na n dd e p e n d a b t e o p e r a t i o n o 由t h es y s t e m c a nb eo p e r a t e dd e p e n d a b l e ，t h es a f e t yo f w a t e rr e s e l v o i r c a nb e g u a r a n t e e d a i m i n g a tt h e p r o b l e m s o c c u r r e di nt h e c o m p r e h e n s i v e a u t o m a t l cs y s t e mo ft a n g c u nw a t e rr e s e r v o i r ，c o l n n l o rf a c t o r si m p a c t i n go nt h e s y s t e mr e l i a b i l i t yi nt h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i cs y s t e m h a v eb e e na n a l y z e d , t h e s y s t e mr e l i a b i l i t yt e c h n i q u e sh a v eb e e ns t u d i e d , a n dt h em e a s u r e st oi m p r o v et h e s y s t e mr e l i a b i l i t yh a v e b e e n p r e s e n 把d k e y w o r d s ：w a t e rr e s e r v o i rc o m p r e h e n s i v ea n t o m a d o n m o n i t o r i n gs y s t e ms y s t e mr e l i a b i l i t y 第一章鳍论 第一章绪论 1 1 概述 水库是水利系统的基础工程，担负着防洪抗旱、调洪蓄水、水利发电、航运 旅游以及工业用水、城市生活用水和农业灌溉的重任。水库的安全、经济和水量 的合理调配、优化调度，关系到人民生命财产安全和国民经济发展，其自动化、 智能化建设是水利自动化的基础，也是水利系统数字化、信息化的重要组成部分。 进入2 1 世纪，随着科学技术的发展，特别是计算机网络技术和多媒体技术的 快速发展，引发了人类历史上继文字和印刷技术以来的第三次信息革命。随着科 学技术的进步和社会的发展，我们正在从工业化社会迈向信息化社会。现代信息 技术的发展，必然会引起水利向现代水利发展和变革。 我国现有水库绝大多数停留在人工现场操作阶段，而且近4 0 存在安全隐 患。随着现代信息技术的发展，对水库的现代化管理水平要求也越来越高，为了 提高水库决策管理水平，需对水库控制模式、管理模式进行以计算机监控系统为 基础的综合自动化改造；对新建水库按综合自动化要求进行设计并实施。 同时，水库大多地处偏僻山区，远离城镇，职工长期生活在较差的环境之中。 对水库进行综合自动化改造的另一个目的就是改善广大水电职工的工作和生活 环境，用计算机监控系统来代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂劳动，使 水库逐步实现少人值班，最终达到无人值班( 或少人值守) 的目标。 山东省平邑县唐村水库l959 年建库，至今已有40 多年，工程存在老化 等诸多隐患。为了充分发挥唐村水库的作用，提高水库水资源管理水平。唐村水 库决定进行除险加固工程，其综合自动化系统工程是结合水库除险加固改造工程 同步进行的，采用分步实施的方法进行。工程于2 0 01 年开工，分三期进行设计、 施工，时间较长，包括唐村水库主坝、副坝、溢洪闸、南北放水洞、水电站及管 理局在内。目前一部分工程已通过竣工验收并交付使用，另一部分正在建设中。 本文综合自动化系统研究是一项综合性研究项目，基于水库自动化工程的设 计、旋工及运行管理。通过对这个工程的技术进行研究，解决水库综合自动化设 计、施工及运行管理中存在的一些问题，总结水库综合自动化工程建设的经验教 训，为今后水库综合自动化工程建设提供依据，使水库自动化建设水平得到提高。 1 2 现状分析及存在的主要问题 河海大学工程硕士专业学位论文 1 2 1 现状分析 我国水库监控自动化技术是随着国民经济发展和计算机技术的进步而逐渐 发展起来的，大体可分为以下三个发展阶段： 7 0 年代第一阶段。我国计算机实时监控技术起步于6 0 年代，而在水库 中开始应用则始于7 0 年代初。 8 0 年代第二阶段。自动控制系统由微机自动监控装置和常规自动控制 两部分组成，可以进行就地、远动监测和控制。 9 0 年代第三阶段。进入9 0 年代，随着计算机技术迅速发展和普及，监 控装置在水库得到了较快的发展。 9 0 年代以前的实时监控系统都是传统的、封闭式的，系统升级非常困难。 近年来，随着计算技术、图形化、人机界面技术、网络技术、操作系统标准化技 术的飞速发展，“开放系统”的概念开始形成，已为计算机厂商和用户所接受，系 统升级和扩容问题已得到解决。从技术和可靠性等方面考虑，目前完全可以用计 算机实时监控系统取代大部分常规控制系统，这也是水库技术发展的必然趋势。 1 2 2 存在的主要问题 l 、缺乏统一规划 由于各水库开始综合自动化建设的时间还不长，这么多年来，都习惯于传统 工作方法，不愿意接受新的工作方式，虽然对自动化的重要性有了一定的认识， 但还缺乏紧迫感，走一步算一步。没有形成统一指挥的建设机制，没有统一的规 划和明确的发展目标，使整个系统建设缺乏全局建设的有序性。计算机监控技术 发展很快，水库建设工期较长，不同时期的技术、设备、标准差距很大，给系统 联网带来困难。 2 、监测手段和管理模式相对落后 我国现有水库一方面存在大量安全隐患，另一方面监测手段和管理模式相对 比较落后，缺乏综合大坝、闸门、水文、雨情等安全信息的预警、报警系统。 3 、水库综合自动化系统不能形成统一的网络 涉及水库的信息有许多种类，如水量、水质、水情、水能等，现行条件下， 既使部分水库上了一些自动化系统，基本上也是分别管理、条块分割，既造成数 2 第一章绪论 据冗余，又很难实现信息共享，给水资源的统一配置、统一调度、统一管理带来 很大困难。 4 、水库自动化管理人才匮乏，管理不够规范 专业人员业务水平不高，技术力量薄弱。当水库综合自动化系统建设完善时， 水库的运行管理人员缺乏。 1 3 本文研究的意义 水利信息化、自动化是水利建设的发展方向，水利自动化起步较晚，但发展 很快。目前，各水库、泵站、水电站都在进行以计算机监控为主的自动化建设。 作为一项重要的信息化建设工程，水库综合自动化工程是实现水库治理开发与管 理现代化的关键措施和必由之路。因此，为结合防汛抗旱工作，变洪水为资源， 以“水利信息化带动水利现代化”的指导思想，将先进的信息技术引进水库自动化 系统，利用信息技术，提高工程管理水平，改造传统调度方式实时性差、主观性 强的弱点，在更高层次上提升水库水资源配置的监控调度水平。将一些老式水库 逐步进行以实现综合自动化为目标的改造，建立以计算机监控系统为主的高性能 的综合自动化系统是非常必要的。 水利综合自动化技术集测控技术、计算机技术、通信技术等为一体。目前的 计算机监控系统日趋成熟，监控系统的设计也日趋完善，我国水利信息化建设目 前已进入快速发展阶段，规范建设模式，总结先进经验不仅是水库建设所必须的， 也是我国市场经济条件下水利水电自动化建设方向。有些系统在理论上是先进可 行的，但在实际应用中会遇到各种各样的问题，通过对水库综合自动化系统的研 究，将理论与实践相结合，使设计、施工人员更加了解理论的应用条件，在理论 上完善系统，指导实践。因此，对开展水库综合自动化系统研究具有较大的理论 意义。 鉴于目前中小库自动化控制质量差，运行效率低下等现状，大量的水库自动 化程度低或控制设备老化，急需更新换代。同时，我国水库综合自动化技术研究 工作开展得还不普遍，水库综合自动化系统研究较少。尤其是在结合水利工程的 特点，实际工程建设应用中，还存在着一些急待解决的问题。因而，进行水库综 合自动化系统研究，对于完善我国水利水电建设项目，探索水库综合自动化建设 的程序、技术、方法等，具有重要现实意义。 河海大学工程硕士专业学位论文 本文结合工程实际，研究水库综合自动化工程建设中存在的技术问题，提高 系统的稳定性、可靠性，提高设计施工人员的技术水平，从而使水库自动化系统 更为完善。 1 4 本文研究的内容 本文研究的主要内容包括以下四部分： ( 1 ) 探讨了目前我国水库综合自动化系统应用的一些比较先进的技术，以 及这些技术的发展。 ( 2 ) 水库综合自动化监控系统是一个综合系统，包括闸门监控系统、大坝 安全监测系统、水情自动测报系统、水电站自动化系统、视频监控等系统。本文 重点讨论了水库综合自动化系统的构成、设计原则、功能、通信等问题。 ( 3 ) 结合山东唐村水库的工程实际，分析了溢洪闸、水电站、放水洞、管 理局监控系统及水库大坝安全监测系统。研究构建一个比较完善的综合自动化系 统所具备的条件。 ( 4 ) 针对水库运行中遇到的各种影响系统可靠性的问题，从监控系统的可 靠性，到网络安全、管理水平低等问题进行了分析研究，提出提高系统安全可靠 性的措施。 4 第二章水库综合自动化系统应用技术 第二章水库综合自动化系统应用技术 计算机控制系统的典型形式按控制方式分类目前主要有集散控制系统和现 场总线控制系统两种形式。半个多世纪以来，工业自动化领域的过程控制体系历 经基地式仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系 统、集散控制系统( d c s ) 等4 代过程控制系统“1 。 由于信息技术的飞速发展，网络化、信息化概念向自动化领域的渗透，使得 水库自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革，这种变革也必将对水工业自动 化产生重大影响。现场总线技术的发展，引起了自动化系统结构和自动化控制概 念的变革，进一步推动了管控一体化企业信息系统的建立，它集计算机技术、信 息技术和自动化技术为一体，成为流程工业自动化发展的趋势。经过近1 0 年的 努力，以p l c 为基础的集散型控制系统已成为当今水工业自动化系统的主流，并 具备了一定的技术和物质基础。 2 1 集散控制系统 阳 集散控制系统( d c s ) 又叫分布式控制系统。2 0 世纪7 0 年代问世的集散控制 系统用于生产过程的自动控制，已有二十余年的历程。集散控制系统把一个工业 大系统按系统结构进行垂直分解，各级既相互独立又相互联系，每一级又可水平 分解若干子集。一般分为三级。第一级为现场控制级，它承担分散控制任务并与 过程级操作站联系；第二级为监控级，包括控制信息的集中管理；第三级为管理 级，它把自动化系统与管理信息系统有机地结合了起来。从整体逻辑结构上看， 是一个以通信网络为钮带的集中管理、集散控制的多级计算机控制系统。集散控 制系统的思路是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。图2 1 d c s 基本分层层次图。 一 翌塑丕兰王堡堡圭主些兰壁鎏兰 工程；# 郾皓历史模件一 图2 1d c s 基本分层层次图 2 1 1 传统的集散控制系统的缺点 与早期的一些控制系统相比，d c s 系统在功能和性能上有了很大进步，可以 在此基础上实现现场级、监控级的优化和分散控制，但其仍然是一种模拟数字混 合系统，从现场到p l c 或计算机之间的检测、反馈与操作指令等信号传递，仍旧 依靠大量的一对一的布线来实现。这种信号传递关系称之为信号传输，而不是数 据通信，难以实现仪表之间的信息交换。传统的集散控制系统在性能与市场方面 还存在以下问题： 1 价格昂贵，技术滞后 大部分的d c s 厂家都使自己生产的计算机作为i o 控制站、操作员站和工程 师站，这种计算机价格昂贵，通用性差。 2 开放程度不够 自从i s o o s i 提出网络互联的层次思想以来，开放的思想就引入d c s 中，但 大多数d c 5 厂家只注重不同网络之间相互连接，却不注意不同厂家的硬件、软件 的互操作性，使得用户对某一d c s 厂家的依赖性很强，不利于市场竞争的发展。 3 功能需进一步分散化、智能化 传统的d c s 在i o 控制站这一层仍然是一个集中式的结构。有些系统出于成 6 第二章水库综台自动化系统应用技术 本或其他方面的考虑，将i o 控制站规模做的很大。这种设计提高了危险性的集 中度，如果为了提高可靠性而增加冗余措施，系统成本就会上升。 2 1 2 新一代开放式集散控制系统应用技术啪 为了适应面临挑战，新一代开放式集散控制系统采用标准化、模块化和系列 化的设计，由过程控制级、操作监控级和生产管理级组成的一个以通信网络为纽 带的集中监视、操作和管理而控制相对分散，配置灵活，组态方便，具有高可靠 性的实用系统。 1 工业p c 机在d c s 中的应用 由于计算机技术的发展，微处理器性能有极大的提高，使得p c 机深入到各 个领域，包括d c s 。由于p c 的开放性，使得p c 兼容厂商生产了很多按工业标准 设计生产的兼容机来满足工业市场的应用要求。 工业p c 机在d c s 中的应用，极大地提高了d c s 的性价比，d c s 可以采用p c 的成熟技术，把p c 作为操作员站和i o 控制站。 2 通用化、标准化软件包在d c s 中的应用 在软件这个领域内，完全依靠一个厂家自己开发研制能力来满足市场需要已 相当困难。d c s 中将更多地采用商品化的软件产品，包括组态软件和监控软件。 ( 1 ) 组态软件组态软件是开放式d c s 不可缺少的部分，是d c s 通用性的表 现，组态生成不同的数据实体( 包括图形文件、报表文件和控制回路文件等) 能 使系统满足应用设计的要求。 ( 2 ) 监控软件d c s 在控制领域的成功之处不仅在于灵活的配置，更在于开 发手段的完善，开放的模块化结构、强大的运算能力和通信功能、极高的可靠性、 使用和维护上的方便性等，使d c s 深受青睐。在这方面，过程监控软件起了重要 的作用，它以图形化、仪表化的软件界面使得操作简单而直观，易于为操作员接 受。 ( 3 ) 分散化和智能化新型开放式集散系统将在i o 控制站这一层进一步分 散化，并采用现场总线网络技术，形成以现场总线网络为基础的由智能i o 模块 构成分布式i o 控制站。也就是说，将传统的d c s 集中式的i o 控制站变成分布 式的i o 控制站，在d c s 网络的下一层再引入一层现场网络，形成控制网络( 以 现场总线网络为基础) 、系统网络( 传统的d c s 网络) 和管理网络( 适用于管理 7 河海大学工程硕士专业学位论文 控制一体化要求的计算机集成制造系统的c i m s 的上层网) 这样三层网络结构， 以此来满足不断提高的应用需要。 2 1 3 新一代开放式集散控制系统的特点 1 自主性系统上各工作站是通过网络接口连接起来，各工作站独立自主地 完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独 立运行的高可靠性子系统。 2 协调性实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间 从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。 3 在线性和实时性通过人杌接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、 记录、监视、操作控制，可进行系统结构组态、回路的在线修改、局部故障的在 线维修。 4 高可靠性高可靠性是d c s 的生命力所在，d c s 从结构上采用容错设计， 使得在任一个单元失效的情况下，仍能保持系统的完整性，即使全局性通信或管 理失效，局部站仍能维持工作。其硬件上包括操作站、控制站、通信链路都采用 双重化配置；软件上采用分段与模块化设计、积木式结构，并采用程序卷回或指 令复执的容错设计。 5 适应性、灵活性和可扩充性硬件和软件采用开放式、标准化设计和系统 积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生 产流程时，只需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填些表格即可实 现。 6 友好性d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人 员，采用了实用而简捷的人机会话系统、c r t 高分辨率交互图形显示、复合窗 口技术，其画面丰富，纵观、控制、调整、趋势流程图，回路一览，批量控制， 计量报表，操作指导画面，菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘， 触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等更便于操作。提供的组态软件包括系统组态、过 程控制组态、画面组态、报表组态，用户的方案及显示方式，由它来解释生成 d c s 内部可理解的目标数据，使用组态软件可以生成相应的实用系统，便于灵 活更改与扩充。 2 2 现场总线技术嘲 第二章水库综合自动化系统应用技术 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现 场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可 使用一条通信电缆将现场设备( 智能化、带有通信接口) 连接，用数字化通信代 替4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。图2 2 现场总线控制系统( f i l e d b u sc o n t r o ls y s t e m - f c s ) 结构图 般控计算考i ( 冗余) + _ 一 监控馨算机 一离 一 一 l i ii 一 ii 1j |l |i l 样智能检测模块奈溶橱能捡浏模块 j上上上 僚传传精传传 薅癌穆 感感感 变变燮燕燮变 遴送送 送送送 嚣嚣嚣器器器 图2 - 2 现场总线控制系统结构图 2 2 1 现场总线控制系统的特点 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与 设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围 一直延伸到生产现场。基于现场总线技术的控制系统技术的发展，引起传统控制 系统结构的改变。是传统的基于p l c 及d c s 控制技术系统发展的必然归宿。 引入现场总线网络技术以后，i o 控制站中各个智能i o 模块和智能设备、 智能仪表均具有独立运行的能力。这种系统的特点就是各个智能处理单元并不完 河海大学工程硕士专业学位论文 全依赖上位机运行，即使在上位机出现故障或失败的情况下，各个智能单元仍可 独立地运行并执行预定的功能，甚至可以通过现场总线网相互传递信息，完成某 些协调功能。现场总线控制系统( f c s ) 具有以下主要特点： 1 增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及 c i m s 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 - 2 0 m a 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完 成远程参数化工作。 2 开放式、互操作性、互换性、可集成性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备 具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如 控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向 行业特点的监控系统。 3 系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线， 对于大规模i o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有 现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、 修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 4 降低了系统及工程成本 对大范围、大规模i o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、i o 模块及 电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 总之，现场总线系统相对于集散系统其体系结构是不同的，主要特点是将 d c s 的“操作站一控制站一现场仪表”三层结构变革为“工作站一现场智能仪表” 两层结构。但工业过程的现场设备和现场仪表种类繁多，而不同厂家产品的互操 作性不高，必然要求在设备集成的过程中，在软、硬件上花费大量精力；而且各 种智能仪器、仪表的价格过高。因此，目前在水利自动化领域现场总线控制系统 的应用并不多见。 2 。2 2 现场总线的现状与标准化 目前，国内、外的现场总线有6 0 几种之多，由于这一新技术所具有的潜在 i o 第二章水库综合自动化系统应用技术 而巨大的市场前景，在商业利益的驱动下，导致了近年来制订现场总线国际标准 大战。在市场和技术发展需要统一的国际标准的呼声下，修改后的i e c6 1 1 5 8 3 6 标准最终于2 0 0 0 年1 月4 日获得通过。该标准包括了8 种类型的现场总线子 集。这8 种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，例如：p r o f i b u s 采用的 是令牌环和主从站方式；f f h s e 是c s m a c d 方式：w o r d f i p 是总线裁决方式。因 此，要这8 种现场总线实现相互兼容和互操作几无可能。面对这种多总线并存的 局面，系统集成将面临更为复杂的任务，系统集成技术也将会有很大的发展。 长期以来的标准之争，实际上已延缓了现场总线的发展速度。为了加快新一 代系统的发展，人们开始寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转向 e t h e r n e t ，用以太网作为高速现场总线框架的主传。 2 3 工业以太网技术 以太网在自动化行业中的应用分为两个方面的问题，或着说两个层次的问题， 一是工厂自动化技术与i t 技术结合，与互联网i n t e r n e t 技术结合，成为未来可能 的制造业电子商务技术，网络制造技术雏形。大多数专家对自动化技术这种发展 趋势给予肯定的评价。另一个方面，即以太网技术能否在工业过程控制底层，也 就是设备层或称现场层得到广泛应用，能否成为甚至取代现有的现场总线技术成 为统一的工业网络标准，这是目前自动化行业专家们争论的热点。 图2 - 3 工业以太网系统结构图 以太网是计算机应用最广泛的网络技术，在i t 领域已被使用多年，已有广 泛的硬、软件开发技术支持，更重要的是启用以太网作为高速现场总线框架，可 以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融台起来。工业以太网系 河海大学工程硕士专业学位论文 统结构图见图2 - 3 。 目前，工业以太网在自动化领域已有不少成功应用实例，主要集中在如下几 个方面： 1 车间级生产信息集成主要由专用生产设备、专用测试以太网、条码器、 p c 机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量的管理。 2 管理层信息网络即支撑工厂管理层m i s 系统的计算机网络；主要完成如 e r p 的信息系统。 3 s c a d a 系统别是一些区域广泛、含计算机广域网技术、无线通信技术的 s c a d a 系统，如城市供水或污水管网的s c a d a 系统、水利水文监测$ c a d a 系统等。 4 个别的控制系统网络个别要求高可靠性和一定实时i 生控制系统也有采 用以太网技术，如水电厂的计算机监控系统。 以太网用在工业过程控制底层，也就是设备层时，它不能满足工业网络通信 的实时性和确定性要求。可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性 网络。如果设备层对实时性没有严格的要求时可采用。随着网络技术的发展，以 太网应用于工业领域所要面对的网络确定性问题、环境适应性问题、包括总线供 电和安全问题都会得到解决。 2 4 管理控制一体化。” 在市场经济与信息时代的飞速发展中，企业内部之间以及与外部交换信息的 需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于 通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息 结合起来。管理控制一体化就是建立全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息 平台，把企业的横向通信( 同一层不同节点的通信) 和纵向通信( 上、下层之间的 通信) 紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障 诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。图 2 4 管理控制一体化系统结构图 第二章水库练合自动化系统应用技术 图2 4 管理控制一体化系统结构图 企业信息网络是管理控制信息集成的基本条件，没有信息网络就不可能实现 企业横向和纵向信息的沟通和汇集，建网的目标在于实现全企业范围内的信息资 源共享，以及与外部世界的信息沟通。随着市场经济的发展，工业企业面临前所 未有的发展机遇和愈加严峻的挑战，对企业的生产经营管理提出了更高的要求。 管理控制一体化企业信息系统的建立，将是增强企业竞争力的重要途径，特别是 信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管理控制一体化的重要性曰益显露出 来，由以p l c 为基础的集散型控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分 布式网络信息系统过渡是必然的。 2 5 可编程序控制器技术 2 5 1 可编程序控制器的发展及组成“蚍1 ” 1 可编程序控制器的发展 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p l c ) ，1 9 6 8 年美国通用 汽车( g m ) 公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了 第一代可编程序控制器，满足了g m 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计 河海大学工程硕士专业学位论文 算机技术的发展，现在已有第五代p l c 产品了。 在过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在 了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时 序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制； 以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的 离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以p l c 发展成了取 代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。 在八十年代至九十年代中期，是p l c 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3 0 4 0 。近年来p l c 增长速度渐缓。p l c 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、 应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我 们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。 2 可编程序控制器的组成 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括 c p u 板、i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成个不可拆卸的 整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这 些模块可以按照一定规则组合配置。p l c 的组成见图2 5 。 ( 1 ) c p u 的构成 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输 入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部 电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中 逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关 的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状 态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存 储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 ( 2 ) i o 模块 p l c 与电气回路的接口，是通过输入输出部分( i o ) 完成的。i o 模块集 1 4 第= 章水库综合自动化系统应用技术 图2 - 5p l c 组成图 成了p l c 的i o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器 状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入p l c 系统，输出模块相反。i o 分 为开关量输入( d i ) ，开关量输出( d o ) ，模拟量输入( a i ) ，模拟量输出( a o ) 等模块。 开关量是指只有开和关( 或t 和o ) 两种状态的信号，模拟量是指连续变化 的量。常用的i o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有2 2 0 v a c 、l l o v a c 、2 4 v d c ，按隔离方式分，有继 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型( 4 - 2 0 m a ，o - 2 0 m a ) 、电压型 ( o - l o g ，o - 5 v ，一1 0 一l o v ) 等，按精度分，有1 2 b i t ，1 4 b i t ，1 6 b i t 等。 除了上述通用i o 外，还有特殊i o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按i o 点数确定模块规格及数量，i o 模块可多可少，但其最大数受c p u 所 能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 ( 3 ) 电源模块 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入 电路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 2 2 0 v a c 或1 i o v a c ) ，直 流电源( 常用的为2 4 v a c ) 。 ( 4 ) 底板或机架 河海大学工程硕士专业学位论文 大多数模块式p l c 使用底板或机架，其作用是i 电气上，实现各模块间的联 系，使c p u 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块 构成个整体。 ( 5 ) p l c 系统的其它设备 编程设备：编程器是p l c 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控p l c 及p l c 所控制的系统的工作状况，但它 不直接参与现场控制运行。小编程器p l c 一般有手持型编程器，目前一般由计算 机( 运行编程软件) 充当编程器。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏( 或触摸屏) 式的体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机( 运行组态软件) 充当人机界 面非常普及。 、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如e p r o l f 、e e p r o m 写入器、 条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 为了完成控制策略，替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系 统梯形图，而编制了一套控制算法功能块( 或子程序) ，称为指令系统，固化在 存贮器r o m 中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类， 即基本指令和扩展指令。细分一般p l c 的指令系统有：基本指令、定时器计数 器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、b c d 运算指令、二进制运 算指令、增量减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似 汇编语言。另外p l c 还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存 贮区等内部资源，为编程带来极大方便。 由于各p l c 厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近 年来i e c 制订了基于w i n d o w s 的编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 ( 注：1 9 9 3 年i e c 颁布 可编程序控制器的国际标准i e c i l 3 1 ) ，它规定了指令表( i l ) 、梯形图( l d ) 、 顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本( s t ) 五种编程语言。这包括 了文本化编程( i l 、s t ) 和图形编程( l d 、f b d ) 两个方面，而s f c 则在两类编 程语言中均可使用。i e c 技术委员会( t c 6 5 ) 开展了i e c 6 1 4 9 9 项目，将i e c 6 1 1 3 1 3 进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准， 将对i e c 6 1 1 3 1 3 有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控帝4 装置在 1 6 一 墨三要查壁叁堂皇塾些墨堕窒旦苎查 高层次上走向开放性的标准化文件，是p l c 发展的一大趋势。 2 5 ，2p k c 的通信 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此， 网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出”网络就是控 制器”的观点说法。 p l c 具有通信联网的功能，它使p l c 与p l c 之间、p l c 与上位计算机以及其 他智能设备之间能够交换信息，形成一个统的整体，实现分散集中控制。 p l c 及其在网络中，存在两类通信方法：串行通信和并行通信。并行通信一般 是p l c 内部的通信，指多台处理器之间的通信，以及p l c 中c p u 单元与智能模块 的c p u 之间的通信。p l c 网络中常使用r s 一2 3 2 或r s - 4 8 5 串行通信。 2 6 本章小结 要实现水库综合自动化，必须以先进的理论为基础。本章分析研究了在水库 综合自动化系统应用中先进自动控制系统和技术，具体包括集散控制系统、现场 总线控制f c s 系统、工业以太网技术、管理控制一体化和可编程控制器技术。 本章着重分析了传统集散控制系统的缺点及新一代开放式集散控制系统应 用技术和特点。分析了现场总线控制f c s 系统的特点和标准化问题并对工业以太 网技术的应用和发展。提出了管理控制一体化是增强企业竞争力的重要途径，由 p l c 为基础的集散型控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分布式网络 信息系统过渡是必然的。最后对可编程序控制器的发展、组成及通信进行了深入 的分析。 1 7 河海大学工程硕士专业学位论文 第三章水库综合自动化系统框架研究 3 1 水库综合自动化系统的总体框架。帕。” 比较完善的水库综合自动化系统，是基于在线自动测量技术、自动控制技 术、计算机技术、图像监控技术，以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的 一个综合性的在线自动监测、统计、处理、控制系统。它按“无人值班、有人看 护”要求进行系统设计，基本不需要运行管理人员。水库综合自动化系统总体框 架见图3 1 。 图3 - 1 水库综合自动化系统总体框架图 3 1 1 水库管理中心主站 水库管理中心主站位于系统的最高层，负责一定区域或流域内若干水库的 运行监视、安全监测、水量统一调度、经济运行、水情测报、水质监测以及数据 管理和信息发布等任务，是辖区内水库自动化系统的调度指挥中心。 水库管理中心主站一般设在各地市或流域内的水利主管部门，通过通信网络 与下辖各水库自动化系统连接起来。系统通常采用双以太网结构，由通信处理设 备、工作站、数据库服务器、w e b 服务器、投影系统、打印机、多媒体系统、u p s 等组成。各水库的监测信息汇集到调度中心，由调度中心主站完成数据显示、图 形曲线显示、安全预警、故障报警、遥控遥调和水量调度、数据存储与管理、 1 8 第三章水库综合自动化系统框架研究 水利计算、报表管理和打印，以及设备管理、负荷预测、地理信息系统( g i s ) 、 视频监控等功能。 3 1 2 水库综合自动化系统的构成“5 1 0 ” 水库综合自动化包含的内容较多，如闸门监控、水库大坝安全监测、水情 自动测报、水质自动监测、水电站自动化以及配套电力设施自动化、视频监控等。 所谓水库综合自动化，就是将涉及水库的各自动化系统共用一套主站平台， 在共享通信处理机、主站网络、数据库服务器、w e b 服务器以及应用软件支撑平 台( s c a d a 支撑平台) 的基础上，进一步实现数据、信息的共享和融合，为水库 远程监控、安全监测、洪涝预报、优化调度提供决策依据。 在软硬件支撑平台的基础上，可以分别设置执行不同功能的工作站，如闸 门监控工作站、水库大坝安全监测工作站、水情工作站、水质工作站、电力工作 站等，各工作站配置不同功能的应用软件模块，执行不同的监控、调度和管理任 务，各负其责，互不干扰。图3 2 为水库综合自动化系统软件结构图。 阿网网网阿 l 监控ii 监测il 监测ii 监测li 监控j w m d o w sn t 2 0 0 0 ，u n i x p c 或p d s c 工作站、服务器 图3 2 水库综合自动化系统软件结构图 在建设水库综合自动化系统时应该综合考虑，统筹规划，避免多头建设、条 块分割，出现许多互不关联的自动化“孤岛”。具体实施时则可以根据轻重缓急， 酌情选择部分或全部子系统，分布实施，比如可以先建设闸门监控系统、大坝安 全监测系统，然后再根据情况建设水情自动测报系统、水质监测系统等，逐步完 善水库综合自动化系统的功能。 1 9 河海大学工程硕士专业学位论文 3 2 闸门监控系统切m 1 闸门监控系统的监控对象是供水闸、泄洪闸、泄洪道等，是水库综合自动化 系