東江是香港、廣州、深圳和東莞等地的主要供水水源，東莞市目前超過(guò)90%的供水水源來(lái)自東江，但城區目前缺乏大型調蓄工程，無(wú)法滿(mǎn)足枯水季節、咸潮上溯、突發(fā)水體污染事件等時(shí)期安全供水的需要。為確保飲用水安全，東莞在2008年開(kāi)工建設東江與水庫聯(lián)網(wǎng)供水工程。該工程以現有多口提水工程和供水水庫為基礎，將中部及沿海的同沙、橫崗、松木山3個(gè)中型水庫及水濂山、白坑、蘆花坑、五點(diǎn)梅、馬尾、蓮花山6個(gè)小型水庫聯(lián)通，以松木山水庫為調節樞紐，增設東江干流黃大仙取水口，通過(guò)補水總干道與松木山水庫銜接，形成以東江水源為主、水庫調蓄為輔，與原有供水系統管網(wǎng)相銜接的水資源優(yōu)化配置體系。聯(lián)網(wǎng)水庫供水范圍主要為長(cháng)安、虎門(mén)、大朗等缺水較嚴重鎮區，重點(diǎn)解決東莞中部地區水資源緊缺現狀。

    東江與水庫供水水源工程以企石鎮黃大仙廟前東江河岸邊為取水口，在東江沙角取水泵站取水，途徑東引運河至泰崗圩加壓泵站，再經(jīng)寒溪水及松木山至松木山水庫。從東江取水輸至松木山水庫，沿途共有兩個(gè)梯級泵站，分別為東江沙角取水泵站（總裝機容量為5×2600kW）和泰崗圩加壓泵站（總裝機容量為5×2800kW）。

   東莞市東江與水庫供水水源工程計算機監控系統包括位于監控中心和松木山水庫的兩個(gè)計算機監控系統，其中監控中心計算機監控系統只包含上位機監控部分，功能上同時(shí)監控沙角取水泵站、泰崗圩加壓泵站和松木山水庫現場(chǎng)設備。松木山水庫計算機監控系統含上位機系統和現場(chǎng)自動(dòng)化控制器系統。

    1 現場(chǎng)自動(dòng)化控制單元的構建

    現場(chǎng)控制器單元是泵站控制主要現場(chǎng)控制部分，對數據起到采集、處理、記錄等作用。根據設計任務(wù)書(shū)要求，主要現場(chǎng)控制器采用由冗余型S7-400PLC，同時(shí)采用冗余現場(chǎng)總線(xiàn)和雙工業(yè)以太網(wǎng)結構，保證系統的可靠運行。部分輔助設備的控制由非冗余的S7-300PLC完成。系統由冗余中央處理器S7-400CPU，冗余網(wǎng)絡(luò )接口，以太網(wǎng)模塊及相應的網(wǎng)絡(luò )通訊組件和輸入輸出組件等組建而成。

    1.1 現場(chǎng)控制器單元核心組件

   泵站現場(chǎng)控制單元核心單元的選擇有多種形式。目前行業(yè)內應用較多的控制單元有采用PLC和單片機兩種。PLC性能可靠穩定，應用廣泛，抗干擾能力和通用性強，且PLC系統集成開(kāi)發(fā)應用便利快捷，故本項目選擇了PLC作為核心單元。
    
                
                                    圖1 泵站自控系統圖   

   德國西門(mén)子公司的PLC產(chǎn)品在我國水利水電項目中有著(zhù)廣泛應用。因此，在沙角取水泵站現場(chǎng)控制單元中，用戶(hù)決定選用西門(mén)子公司的S7-400H系列的冗余PLC作為系統的核心控制單元。

    泵站現場(chǎng)控制核心單元CPU采用冗余型中央處理器CPU412-3H，該CPU的運算速度為75ns，工作內存為768k，基本滿(mǎn)足本項目技術(shù)要求。冗余方式為雙控制器冗余，采用雙機架、雙CPU、雙電源、雙網(wǎng)絡(luò )模塊方式。與其它PLC廠(chǎng)家的冗余產(chǎn)品不同，西門(mén)子公司S7-400H系列PLC采用專(zhuān)用的冗余型CPU，而不是簡(jiǎn)單將兩個(gè)普通型CPU并行使用，是專(zhuān)用的硬件冗余方式。主控制器機架的處理器、電源、機架、網(wǎng)絡(luò )、上位監控網(wǎng)絡(luò )完全按照冗余配置，只有當主站故障（包括電源、主機架、CPU）才切換CPU，而總線(xiàn)鏈路或I/O從站接口模件故障都不會(huì )強制CPU切換，從而減少CPU做無(wú)謂切換，提高系統總體可靠性。
  
                       
                         圖2 現場(chǎng)控制單元PLC冗余結構圖

    在主從CPU的同步方式上，西門(mén)子S7-400H也有獨特的工作模式，其同步方式是采用事件同步的方式，這種同步機制既保證主從CPU間的同步效率，又保證CPU能在發(fā)生故障切換的情況下穩定工作，系統的切換時(shí)間可控制在100ms以?xún)?。任何部件故障或異常關(guān)斷都能通過(guò)事件同步的方式把信息同步到主控CPU和備用系統，確保信息和I/O信號不會(huì )丟失，保證系統穩定無(wú)擾動(dòng)運行。同時(shí)控制器具有獨立運行模式，當系統發(fā)生故障和意外時(shí)，控制器可獨立運行和監控。若一臺控制器不能工作或被診斷故障，另一臺必須保證所有設備及模式能不間斷、無(wú)擾動(dòng)、無(wú)數據丟失的繼續自動(dòng)切換運行。在主從控制器的切換時(shí)間內，不影響監控對象和監控系統設備正常運行、系統功能正常執行及數據的正常通訊。

    S7-400H系列冗余處理器采用模塊化結構，支持熱插拔、通信和擴充。單個(gè)CPU可支持8個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信模塊，具有強大的網(wǎng)絡(luò )通訊功能，支持多種通訊規約。PLC的編程軟件采用運行于Windows操作系統下的STEP7 V5.5，無(wú)需專(zhuān)用的冗余系統編程軟件。支持IEC方式編程。支持四種組態(tài)語(yǔ)言—功能塊（用來(lái)組態(tài)模擬控制回路）、梯形圖（用來(lái)組態(tài)邏輯控制）、順序圖（用來(lái)組態(tài)順序控制）及結構文本（用于用戶(hù)自行編程和開(kāi)發(fā)軟件）。處于冗余工作方式下的PLC程序編制方式與采用單機控制的PLC編程方式完全一致。

    1.2 輸入輸出組件

    現場(chǎng)控制單元對外設交流數據交換方式分為I/O方式的數據采集和通信方式采集。

    PLC的I/O模塊采集數據信號分為開(kāi)關(guān)量和模擬量?jì)煞N。對于普通的開(kāi)關(guān)量信號，一般PLC廠(chǎng)家會(huì )提供不同電壓范圍的I/O模塊供選擇。但對響應時(shí)間要求很高的帶事故記錄順序的SOE信號，一般PLC廠(chǎng)家I/O模塊很難滿(mǎn)足要求，在西門(mén)子S7-400系統組網(wǎng)絡(luò )ET200M的I/O從站選型時(shí)，其6ES7321-7BH01-0AB0帶SOE功能專(zhuān)用輸入模塊，該模塊分辨率達2ms級的毫秒級響應，可記錄20組帶時(shí)標的事故記錄。對于普通的開(kāi)關(guān)量可根據要求選擇輸入點(diǎn)數為16點(diǎn)、32點(diǎn)或按電壓等級選24VDC、220VAC等多種型號即可。輸出開(kāi)關(guān)量也可按點(diǎn)數選16點(diǎn)、32點(diǎn)或可按繼電器或晶體管輸出等多種型號。模擬量有4路、8路等多種選擇，選擇時(shí)要注意型號類(lèi)型和轉換精度。
         
    除常規的通過(guò)I/O模塊采集信號外，對于部分提供通訊模式的外圍信號，需由通信模塊來(lái)采集。通信模塊支持RS485、RS232、RJ45、光纖等多種物理接口。沙角取水泵站附屬設備的很多儀表都是單路的Profibus-DP設備，無(wú)冗余接口，如何才能接入冗余PLC中的冗余Profibus-DP系統？為解決非冗余設備的接入問(wèn)題，西門(mén)子為單路Profibus-DP設備的通信接入冗余系統提供Y-Link轉換器，Y-Link作用是把S7-400H下冗余的 Profi bus DP 轉成單DP鏈路，以連接DP鏈路中不冗余的Profi bus-DP設備。

    1.3 現場(chǎng)控制單元的構成

    沙角取水泵站現場(chǎng)控制單元是兼備具有控制功能和監控功能的泵站，其中控制單元部分的核心由西門(mén)子S7-400H冗余處理器和ET200M的I/O從站構成。該系統中央處理器、電源、底板、網(wǎng)絡(luò )、Profi bus接口通信模塊均作冗余配置，組建成穩定可靠，比較典型的泵站子系統，如圖2所示。

   2 組態(tài)軟件

    WinCC是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的工業(yè)組態(tài)軟件，本工程采用WinCC軟件，包含圖形組態(tài)、數據點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò )功能、通信功能、管理、加鎖等功能。

    2.1 圖形組態(tài)

    WinCC系統可提供各種對象：圖形對象、按鈕、柱狀圖和控件，直到每個(gè)用戶(hù)對象。組態(tài)工程師能夠動(dòng)態(tài)控制畫(huà)面部分的最終外觀(guān)。畫(huà)面可通過(guò)變量值或從程序直接加以控制和設定。畫(huà)面高真清晰。嵌入圖形中不會(huì )因放大縮小而失真。組態(tài)中提供樹(shù)形結構圖，能夠瀏覽所畫(huà)畫(huà)面中的所有圖形對象和組態(tài)信息，提供了畫(huà)面組態(tài)調用，使狀態(tài)變化豐富多彩。點(diǎn)數的擴展功能很強，有全面解決報警、報警記錄、歷史記錄的方法。有查找替換功能，可以替換整個(gè)圖畫(huà)以及畫(huà)面中對象的屬性、組態(tài)點(diǎn)信息，對于同類(lèi)型物體，避免重復組態(tài)。內嵌VB腳本和C腳本，具有自己的內部函數，功能擴展更為有利。支持雙向OPC，支持所有類(lèi)型的ActiveX、OLE，對控件的屬性操作完全控制。編輯與運行可切換的、利于對開(kāi)發(fā)維護、現場(chǎng)生產(chǎn)安全的保障。支持在線(xiàn)修改，具有畫(huà)面分層功能，控制更靈活。

    2.2 數據點(diǎn)管理

    WinCC提供了統一環(huán)境進(jìn)行數據點(diǎn)定義，數據類(lèi)型多，有很多現成的功能塊。歷史記錄塊、趨勢塊、計算塊，十余種信號發(fā)生器，在調試中幫助很大，實(shí)現方便。WinCC數據點(diǎn)管理獨立于畫(huà)面運行，直接反映現場(chǎng)信息，數據點(diǎn)一經(jīng)設定就可立即反映現場(chǎng)狀態(tài)（如果通信是成功的）。

    2.3 網(wǎng)絡(luò )功能

   WinCC監控軟件有網(wǎng)絡(luò )功能，是第一個(gè)完全基于Client/Server的HMI軟件，具有C/S架構軟件的所有功能，可監視遠程節點(diǎn)的所有數據點(diǎn)而不用增加任何Tag，可在線(xiàn)增加、修改、刪除遠程節點(diǎn)中的數據庫點(diǎn)，真正實(shí)現遠程組態(tài)。

    2.4 通信功能

    WinCC是基于組件對象技術(shù)(COM、DCOM)，幾乎針對工業(yè)應用的所有硬件都有接口，更適用于現場(chǎng)，應用上穩定性更好。其通信設計方便，易通訊。WinCC與西門(mén)子PLC通訊采用S7方式，穩定且通訊量大，并支持多種診斷。WinCC與西門(mén)子PLC通訊采用MAC地址更加穩定快速，MAC唯一，而IP可隨意更換。對于400H的CPU，要建立S7冗余連接，就必須設置MAC地址，因為冗余連接從底層來(lái)說(shuō)是靠MAC地址切換的。從OSI七層模型結構看，MAC地址通訊（ISO）屬于第2層，IP屬于第3層，TCP屬于第4層。層數越向上，報文越復雜，相應的通訊判斷條件也會(huì )增多，響應速度變慢，所以與IP切換地址相比，MAC地址切換迅速很多。

    2.5 管理方面

    （1）安全管理：使用WinCC用戶(hù)管理器，可分配、控制組態(tài)和運行時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)權限。用戶(hù)最多可建立128個(gè)用戶(hù)組(每組最多包含128個(gè)單獨用戶(hù))，并為它們分配相應的訪(fǎng)問(wèn)WinCC功能的權限。

    （2）報警管理： WinCC提供組態(tài)事件報警功能，可設置開(kāi)關(guān)量報警和模擬量報警，直至對報警消息歸檔等。

    （3）報表方面： WinCC有一個(gè)集成的報表系統，可用它打印來(lái)自WinCC或其它應用程序的數據。該系統還可打印運行時(shí)獲得的數據，這些數據的布局可以組態(tài)?？墒褂貌煌挠涗涱?lèi)型：從消息序列記錄、系統消息記錄和操作員記錄，直至用戶(hù)報表。WinCC還帶有SQL語(yǔ)言，全面支持ADO、RDO，對于常用的辦公軟件及數據庫軟件都能很好的訪(fǎng)問(wèn)和操作。

    2.6 加鎖方法

    高版本的WinCC采用硬件狗，防盜版功能強。

    3 東江與水庫供水水源工程軟件組態(tài)
  
                   
                       圖3 東江與水庫供水水源工程軟件組
   
    WinCC監控軟件是人機交換接口。主要由前臺人機交互程序和后臺背景程序兩部分組成。人機交互程序主要提供畫(huà)面顯示、報表、報警、曲線(xiàn)等交互式圖形顯示和操作功能；背景程序則提供計算機監控系統與各外部設備的通訊、數據庫管理、歷史數據庫管理等各種后臺處理過(guò)程。東江與水庫供水水源工程軟件組態(tài)如圖3所示。

    4 系統功能

    組態(tài)軟件采用實(shí)現監控系統基本監控功能所必須的軟件WinCC，WinCC可運行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows，WinCC組態(tài)軟件自帶SQL數據庫管理系統，用于數據庫管理。應用軟件是在WinCC基礎上開(kāi)發(fā)，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程操作或控制功能的軟件，如調度軟件、運行軟件等。工具軟件是提高系統開(kāi)發(fā)效率的軟件，它可減輕軟件開(kāi)發(fā)與維護強度，提高系統的可維護性，使開(kāi)放系統真正地向用戶(hù)開(kāi)放。

    4.1 數據采集與處理

    系統需要采集和處理電氣和非電氣量及有關(guān)過(guò)程參數，包括溫度量、模擬量、狀態(tài)量、報警量和脈沖量等和來(lái)自調度中心的交換數據及命令，并存入數據庫； 接收開(kāi)關(guān)量變位、模擬量測值越限和部分溫度量變化趨勢越限等信號。采集與接收到的信息用于顯示器畫(huà)面顯示、更新，控制調節，記錄檢索，統計報表，操作指導和事故分析等及上傳至供水工程調度中心。

    4.2 運行監視

    運行監視包括全水庫運行實(shí)時(shí)監視及參數在線(xiàn)修改、狀變監視、越限檢查、過(guò)程監視、趨勢分析和監控系統異常監視；實(shí)時(shí)監測水庫全站的運行、故障、事故，當故障發(fā)生時(shí)，立即報警。對各類(lèi)順序操作和事故下的動(dòng)作情況實(shí)現事件順序記錄，記錄對象主要為泵組設備及其附屬設備、10kV斷路器、10kV出線(xiàn)線(xiàn)路和廠(chǎng)用電系統、事件的故障和事故。

   4.3 記錄、報告

   全站所有設備的操作事件、報警事件及報表等都存于數據庫并可記錄,記錄、報告的主要內容：

   （1）操作事件記錄，將所有操作事件按其操作順序記錄下來(lái)，包括操作對象、操作指令、操作開(kāi)始時(shí)間、執行過(guò)程、執行結果及操作完成的時(shí)間等。

   （2） 報警事件記錄，各種報警事件按時(shí)間順序記錄其發(fā)生的時(shí)間、內容和項目等，生成報警事件匯總表。

   （3） 報告，按時(shí)、日、月生成各種統計報表，也可根據操作員的指令隨時(shí)生成各種報表。

    4.4 組態(tài)軟件人機接口

   圖形界面是最主要的人機接口，全部人機交流信息均顯示于畫(huà)面上。畫(huà)面顯示作為計算機監控系統主要功能之一。畫(huà)面種類(lèi)包括各種系統圖、棒形圖、曲線(xiàn)、表格、提示語(yǔ)句等，畫(huà)面清晰穩定、構圖合理、刷新速度快且操作簡(jiǎn)單。

    （1）系統圖：各種電氣接線(xiàn)圖、水系統圖。系統圖實(shí)時(shí)顯示出運行設備的實(shí)時(shí)狀態(tài)及重要參數的實(shí)時(shí)值。

    （2）棒圖：泵組、線(xiàn)路的有功功率、無(wú)功功率等參數。

    （3）曲線(xiàn)圖：電壓曲線(xiàn)、頻率曲線(xiàn)、給定日負荷曲線(xiàn)及各類(lèi)模擬量變化曲線(xiàn)。

   （4）表格：各種運行參數、參數給定值、特性表、各種整定值及整定值變更統計表、各類(lèi)報警信息統計表、操作統計表、各類(lèi)運行報表、運行日志、操作票等。

    （5）提示語(yǔ)句：開(kāi)、停機操作指導等各類(lèi)提示信息等。

    東江與水庫聯(lián)網(wǎng)供水水源工程作為東莞市的重點(diǎn)水利工程，關(guān)系著(zhù)東莞居民的生活用水和企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)用水的供應。泵組和公用現場(chǎng)控制單元選用S7-400系列PLC并作冗余設計，不但能滿(mǎn)足復雜化、大容量、高配置的設計要求，而且能提高現場(chǎng)控制單元安全性和可靠性，以保證系統穩定運行。公用輔助設備和閘門(mén)現場(chǎng)控制單元選擇了非冗余S7-300系列PLC，兼顧了可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟性?？刂葡到y配置適當、簡(jiǎn)單扼要，經(jīng)濟實(shí)用，使系統整體具有極高的性能。采用西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件，穩定可靠，功能強大，界面友好，為東江與水庫供水水源工程提供穩定、可靠、完美的操作平臺。

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    男，工程師，長(cháng)期從事水利工程建設工作，研究方向為水電站及泵站的自動(dòng)化控制。

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   男，工程師，長(cháng)期從事水利工程設計工作，研究方向為水電站及泵站的自動(dòng)化控制。

   劉 斌（1968-）

   男，工程師，長(cháng)期從事自動(dòng)化工程建設工作，研究方向為水電站及泵站的自動(dòng)化控制。   

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期