《2022年青草沙水库综合自动化系统设计与实现 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年青草沙水库综合自动化系统设计与实现 .pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、设计施工水利规划与设计2013 年第 12 期77青草沙水库综合自动化系统设计与实现富庆范肖佳华（上海勘测设计研究院上海200434 ）【摘要】本文针对上海青草沙水库工程由多个枢纽建筑物（泵站、 水闸等） 构成的特点，论述了可靠、先进、有效的集泵闸控制、视频监控、通信、水文水质监测、公共广播、水库综合调度与管理等功能于一体的综合自动化系统，并对其设计原则、结构特点、配置及功能进行了剖析。【关键词】大型水库综合自动化集控综合调度与管理【DOI 编码】10.3969/j.issn.1672-2469.2013.12.021 【中图分类号】TP27 【文献标识码】B 【文章编号】1672-2469(
2、2013)12-0077-05 1 概述上海青草沙水库总面积70.99km2， 有效库容5.46 亿 m3， 主要由环库大堤 （总长约48.91km ） 、取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井及控制中心等工程组成（见图1） ，是迄今为止世界上最大的潮汐河口蓄淡避咸水库，是上海市最大的水源地工程。图 1 青草沙水库平面位置图该工程管理层次清晰，地理分布广阔，自动化系统涉及1 个控制中心和4 个分控站 （取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井），整个系统可划分为应用系统与基础设施两部分，其中泵闸监控系统、视频监视系统、通信、水文水质监测系统、公共广播系统等为专业应用系统，分别完成相应的功能；水库
3、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属高级应用的综合自动化系统。基础设施则为整个系统提供基本运行条件和技术基础，主要包括：光缆网络系统、防雷接地、电源及硬件实体环境。2 系统总体设计思路与实现原则2.1 系统总体设计思路19青草沙水库综合自动化工程是该原水工程的重要子项， 系统的设计、 集成开发将遵循先进、成熟、稳定、安全和经济的理念；系统要很好地满足工程实时性、可靠性、可维性、实用性、安全性、可扩性等性能要求；在充分满足水库控制需求的基础上进行一体化的集成；与相关工程子项实现无缝对接和高效协调。工程设计全过程确保如下技术理念的实现：（ 1）系统设计、集成等严
4、格执行国家标准或行业标准；（ 2）采用技术先进、具有良好的使用业绩和评价的业界知名品牌的软、硬件产品，并确保这些产品在本工程中使用的合理性；（ 3）立足于工程的人性化设计，以优化原水调度和管理为目标，实施软硬件的协同配置，建立多专业统一的信息化平台；（ 4）系统的设计应使系统集成和软件开发能实现各子系统的无缝集成，完全满足取输水泵、闸站的远程监控和无人值守的要求；（ 5）系统的技术设计与调度管理系统的设作者简介：富庆范（1965 年），男，高级工程师。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
5、- - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 设计施工水利规划与设计2013 年第 12 期78计相匹配和协调，确保系统的稳定运行、经济运行，并为后续开发实现自动运行创造条件；（ 6）系统应具有规范的多专业、多协议、多系统和多相关方（系统）的通信接口，实现多专业信息与综合自动化统一数据库的一体化融合，满足系统综合应用功能的需要。2.2 系统实现原则青草沙水库是符合上海水源地“百年”战略的重大工程，是保障城市供水安全，实现“多源供水一网调度”的战略举措。该水库位于长江入海口处，地理位置十分特殊，水库既要实现在非咸潮期的“避咸蓄淡”，又要在咸潮期末时段与两盐峰之间抢蓄优质
6、淡水。因此，综合自动化系统的实现更应突出：（ 1）以安全性、极高可靠性为原则；（ 2）以先进实用、适度超前为原则；（ 3）以统筹规划、分步实施为原则。3 系统结构及功能青草沙水库综合自动化系统的总体架构分为控制中心，取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井等几个部分。他们既是一个统一的整体，又在网络结构和网络组成上有很大的不同。整个网络系统以开放性、分布式、点对点为原则设计为一个可伸缩式的三层网络系统。整个网络系统采用专用光缆将控制中心、取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井五个局域网首尾连接成一个1000M的干线双环形以太网，最大程度地保证通讯的安全性、可靠性；同时视频监控网络也单独形成100
7、0M 的光纤环网，以减少视频信息对监控网络系统的影响。自控系统与视频监控系统之间采用100M 的 RJ45 电口连接。并为水库电话通信、网络广播等配备了通信光纤环网。水库总体网络架构见青草沙水库网络结构总图。3.1 控制中心系统结构及功能水库控制中心是整个系统的数据汇总、处理中心，对分中心传送上来的数据加以处理、存储及管理。控制中心以1000M的环网交换机连接服务器、工作站、打印机等设备组成一个小型局域网。服务器主要包括：工业实时数据库服务器，用 来 保 存 各 种 需 要 长 期 保 存 的 过 程 数 据 ；SCADA服务器负责执行具体的控制指令；数据采集服务器，负责采集各分控站的I/O
8、数据，对其汇总后存入数据库服务器和SCADA服务器；网络广播服务器则是各个分控站的网络广播的管理中心。 调度工作站显示各个分控站的运行情况，并可以发出控制指令；通过WEB 服务器连接公司MIS 系统，并保存MIS 系统用户所需的数据及画面，WEB 服务器和MIS 系统间均通过路由器连接。大屏幕驱动工作站安装大屏幕显示共享软件，对大屏幕控制器进行操作。网络交换机用于自动化系统的内部及外部连接。3.1.1 水库控制中心与五号沟集控中心间的通信水库控制中心的通讯服务器用于实现与五号沟集控中心间的通讯，并可以通过GPRS 设备接收长江口水质监测站盐度信息。水库控制中心与五号沟集控中心间的通讯网络由SC
9、ADA监控网络，常规信息及视频图像通信网络构成。其中SCADA实时监控网络设主信道和备用信道，主信道在五号沟泵站集控中心和水库控制中心间申请一条电信MPLS VPN 专线，用于SCADA系统实时数据的传送；备用信道主要用来传输常规信息，语音及视频信息，采用联通的VPN构筑专网；紧急备用信道采用GPRS 方式。3.1.2 网络故障切换水库控制中心与五号沟泵站集控中心间的通讯主信道或备用信道中任何一个发生故障时，主备信道之间可以进行无扰切换，保证数据传输的正常进行，保证不发生数据丢失现象。为了保证无扰切换的正常进行，主信道接入端设置集成防火墙和入侵检测的路由器，保证不会由于外界干扰而影响信道切换。
10、备用信道设置两台路由器，一台作为热备，保证随时可以进行切换。3.2 分控站系统结构及功能取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井是青草沙水库的四个分控站，不仅负责各自分控站内水库系统的正常运行、维护，同时也能够对所管辖范围内所有采集的数据进行存储与管理，有选择性的将数据上传控制中心。下面仅以取水泵站为例阐述分控站系统结构及功能。3.2.1 取水泵闸分控站系统结构青草沙水库上游取水泵站位于水库西北侧，是本工程规模最大的单项工程，其主要功能是咸潮初期提水，预蓄水避咸和咸潮期盐峰之间抢引名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名
11、师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 设计施工水利规划与设计2013 年第 12 期79淡水。 泵站设计总流量200m3/s，主泵房内装设6台立轴混流式水泵及同步电动机，单泵设计流量33.4m3/s，电动机功率3150kW 。分控站监控系统采用分层分布式结构，由站控级和现地控制单元级组成。其网络结构是以100/1000M的工业交换机为核心，外部连接水库大型环网，内部连接各种子设备组成小型环网。通过 100/1000M 工业交换机，连接各种服务器和工作站，组成取水泵闸分控站的信息控制、处理和储存中心。与现地控制单元间的连接则是首先通过
12、10/100M 工业交换机， 分别连接到各种LCU 柜，再通过LCU 柜连接到各种硬件设备。例如：通过10/100M工业交换机连接泵组LCU柜，并通过泵组LCU柜连接电动机励磁柜、电动机软启控制柜、水泵端子箱等各种设备。图 1 青草沙水库网络结构总图3.2.2 取水泵闸分控站功能取水泵闸分控站设备功能描述见表1。表 1 取水泵闸分控站设备功能表序号设备名称功能描述1 数据库服务器担负着相关数据的存储、管理，并提供数据存取服务等功能。2 操作员工作站负责对本枢纽的自动化控制系统、视频监视系统、安全监测系统、水文水质监测系统等进行单系统或多系统人机交互操作。3 视频工作站视频控制管理服务器的客户端
13、。4 网络交换机用于自动化系统内部连接。5 大屏幕驱动工作站安装大屏幕显示共享软件，对大屏幕控制器进行操作。6 DLP 高清背投大屏幕显示系统各画面， 各设备的实时信息，视频监视画面， 以及多媒体的演示等。7 UPS不间断电源为自动化系统设备提供可靠的电源。8 打印机用于报表的打印、 画面等的打印功能。9 中控台用于放置工作站、打印机等设备。10 现地控制单元LCU 以 PLC 为控制核心，实现数据采集和控制输出。4 系统主要硬件配置及特点青草沙综合自动化系统在设备配置选型方面，综合考虑到工程的重要意义和地位，均选择国际知名品牌，确保系统的稳定可靠和先进适用。4.1 服务器及操作员站主服务器采
14、用部件级冗余的工业标准容错技术，可靠性设计达到99.999% 以上，电源、CPU、内存、 I/O 控制组件均采用冗余配置；服务器完全采用硬件容错方式，集成锁步（Lock-Step ）技术，冗余部件在同一时钟周期做同样的工作，不需要使用任何软件和编写脚本程序；当部件出现故障时，其冗余部件能继续正常工作，且无需编制切换脚本。而硬盘（包括操作系统、应用软件和静态数据等）采用镜像RAID1 方式保护， 同时服务器还具有内存动态数据的镜像保护，保证实时数据的安全性；同时服务器具有连续工作及故障追溯功能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
15、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 设计施工水利规划与设计2013 年第 12 期80水库综合自动化系统涉及到的工程师站、操作员站、 振动分析站等计算机以及其他非容错服务器，都选用了工业级的控制计算机。选用的产品均为Nematron AE4U系列产品，该产品使用Intel 的最新双核处理器，为提供足以运行应用程序的强大系统平台，该产品还有特殊的防尘、抗氧化处理和增强的抗振处理，是完全集成化的高性能工控计算机。4.2 交换机设备交换机应能满足HMI监控系统的要求；目前 市 场 上 典 型 的 自 愈 时 间 在3005
16、00ms ，N-TRON交换机可以达到100ms 以内； 有对每个端口的在线流量监控和网络分析；支持热插拔，可进行在线维护；单台设备延时6 微秒以内；工业级标准，MTBF 值 10 年以上。4.3 PLC 控制设备PLC 控制设备应能直接上以太网；所有模块均能带电拔插，CPU 可以插在任意槽位；双 CPU热备灵活、组态维护能力强，无须编程；编程软件指令丰富支持在线修改，可网络编程；CPU 速度不大于0.08ms/Kbyte ；机械与电气特性好。在供水和水环境系统有着丰富的经验和开发实力。4.4 大屏幕DLP 显示控制系统控制室系统应能提供整体的解决方案，其投影单元、控制器和控制软件的可靠性、先
17、进性和可扩展性应居一流水平。与本工程的重要地位相匹配。4.5 水质水情在线仪表常规五参数（pH、温度，溶解氧，电导率、浊度）、氨氮、总磷在线分析仪以及叶绿素、蓝绿藻水质监测设备，均选用行业著名品牌产品；所有在线仪表自动监测仪都是国际主流一线产品，均具有大量成功的应用经验。4.6 振动分析系统设备选用的产品，其振动、摆度监测仪和振动分析软件系统都是目前市场上的高端产品，尤其是其水下振动传感器的可靠性和先进性得到了广泛的认可。而且在源江水厂、江苏太湖流域枢纽泵站等工程上都得到了很好的业绩验证。5 系统软件及功能、特点5.1 控制中心软件及功能青草沙水库综合自动化系统，是一个层次型（控制中心、分控站
18、）多系统集成式的综合自动化系统， 共有 4 个计算机小局域网并互联构成水库总局域网。为此， 我们在控制中心建立了包含泵闸监控子系统、视频监视子系统、水库综合调度管理子系统、联动预案子系统、GIS 地理信息子系统、公共广播子系统、大屏幕子系统、UPS 监测子系统、报表子系统、灯光管控子系统、水库设备管理子系统、水质监测子系统、水情测报子系统、大坝安全监测子系统，共14 个子系统的水库监控一体化平台。该平台是整个系统的数据汇总中心，在这里将完成对各分中心传送上来的各种不同类型和频率的相关数据的接收、校验、综合处理、存储及管理； 在控制中心的控制人员可通过系统提供的丰富的人机界面了解整个水库内泵闸、
19、水情、水质、气象、安全监测等数据的各种专业图形报表以及综合监视、查询、比较分析；并对各泵闸（取水泵闸，下游水闸，输水泵站，输水闸井）进行操作。整个系统软件的层次关系如图2 所示。图 2 整个系统软件的层次关系如图控制中心的各专业应用系统的软件配置及功能开发都比较成熟，本文不再赘述。水库的综合调度管理、联动预案、GIS 信息管理等主要功能，是在数据采集、传输和处理基础之上实现的高级应用部分，属于分析决策层，分述如下：5.1.1 水库控制中心综合调度管理子系统水库综合调度管理系统是结合水库的物理（蓄水能力、取水能力、出水能力等）特征，以实时监测数据（水文水质数据、大坝监测数据、设备工况数据）为依据
20、，根据天气预报数据、海潮预报数据、 长江上游来水预报数据、历史数据、水动力模型作出预测和分析，自动给出几种可行名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 设计施工水利规划与设计2013 年第 12 期81调水方案，辅助决策者作出分析、判断并确定一个最为优化、经济的方案，由调度控制系统依据此方案转换成可执行的指令来控制各水闸泵站的启闭、 开关。实现调度决策的合理化和自动化，管理科学化。5.1.2 联动预案子系统联动预案子系统主
21、要用于在各个子系统发生报警时，根据预先设定好的预案，调用指定的子系统，进行联动，及时高效地应对突发事件。例如在某监控点发生突发事件时，根据管理员的报警操作， 通知视频监视系统将详情监视器的视频信号源切换为报警点附近的摄像机图像，通知公共广播系统播放指定的语音预案。5.1.3 GIS 地理信息子系统GIS 地理信息子系统是基于地理信息的设备、机组、闸门、水雨情站网、水质动态信息查询画面，具有地图的缩小、放大、 开窗、 漫游、 导航、快速定位等功能，提供对各个分控站中各类设备的综合信息显示、设备的调用控制的索引工具、水质信息实时监视、水雨情信息的实时监视、历史数据查询、雨量等值线填色图生成与动态演
22、进、任意多边形面积量算及面雨量计算、站点信息维护等功能并提供相关报警设置和动态提示。5.2 分控站软件及功能各分控站的软件结构及配置基本相同，均配有监控主机、综合信息工作站及视频服务器，实现无人值守下的远程分布式数据采集与集中统一管理， 系统能实时、 准确、有效地完成对泵站、闸门等控制对象的安全监控。其主要功能包括：数据采集和处理；安全运行监视及事件报警；事故分析处理；语音报警； 趋势分析及事故追忆；实时控制与调节；根据调度计算，确定开机台数和开机组合，实现泵组自动运行控制；运行参数统计记录与生产管理；人机接口；数据通信；系统自诊断与冗余切换；软件开发与维护；运行及操作指导；事件、事故及故障打
23、印功能；培训功能等。5.3 系统特点（ 1）系统为标准C/S 三层架构，支持构件化的开发方法，系统内的模块可以动态进行加载；（ 2）系统运行环境为Window2000/XP/2003操作系统， 数据库可支持主流的大中型关系型数据库，如Oracle ，SQLServer 。（ 3 ） 系 统 的 软 件 集 成 平 台 核 心 为Wonderware System Platform， 通 过 其 组 件Wonderware Application Server 、 Wonderware Historian 、Wonderware Information Server配合监控组态软件InTouch
24、 来满足对所有子系统进行数据采集、处理、监控、存储、发布，从而完成综合监控功能，提供了一个先进的信息共享平台。（ 4）系统遵循“核心加固、边界隔离”的原则，分别采用硬件防火墙系统、网络病毒防护系统、服务器核心防护系统等措施，为网络安全提供保障。（ 5）软件平台具备良好的兼容性和可扩展性，用户在面对新增设备时，只需增加相应驱动或模块，即可实现新设备的接入。整个平台可以兼容来自工业实时数据库、关系数据库等的数据。（ 6）在软件交互方式上，可同时提供组态和 GIS展示方式来对现场设备的部署情况和运行状态进行实时监视，并允许两种显示方式中的相关对象进行相互关联，并允许围绕所关注的对象在两种展示方式间相
25、互调用。（ 7） GIS 平台支持模块化的功能增减，允许进行GIS功能的动态扩展或缩减，此外对于GIS 的显示图层，用户可以根据自己的需要随时进行个性化的定制修改。6 结束语青草沙水库综合自动化系统的设计和实现，从可靠、安全、经济、技术先进和便于扩充的角度出发，既充分考虑现代水利的技术特性，又结合了大型水利工程的实际特点。在满足现阶段设备运行监控、安全监测管理和生产运行调度的基础上，更加注重高起点统筹规划，为后续进一步开发和完善构筑统一协调的软硬件平台，使之在相当长的一段时期内不断满足大型水利工程信息化发展的要求。目前， 国内类似的大型水利工程的综合自动化系统的开发和运行经验还不十分丰富，本工程设计采取的统一监控平台，整体协调控制；完善的会商环境，应对突发事件决策支持；专用通信网络，保障调度信息畅通等理念和技术措施，期望可以得到类似工程的借鉴，为我国水利信息化建设和发展做出些许贡献。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -