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摘要:随着水利现代化要求的提高，对老水利枢纽的自动化要求越来越高，水利枢纽的自动化程度有待进一步的提高。本文从从老水利枢纽的自动化更新改造着手，阐述了计算机监控系统在水利枢纽中的应用。
关键词: 水利枢纽工程；计算机系统；控制；应用
中图分类号：TV文献标识码： A
1、 引言
本方案阐述了泵站计算机监控系统的结构特点、设计方法、硬件配置和软件实现等内容。系统采用全计算机监控方式，是一个开放式全分布的信息统一的监控系统。其功能完善、控制对象全面、实时性强、可靠性高、人机界面友好。从实际运行来看，系统稳定可靠，较好地满足了泵站运行管理智能化、远程化的需要，值得推广应用。
常州市武进区湖塘地区位于太湖流域武澄锡低片的上游地区，为武进区市区范围。长期以来，由于受湖西高片洪水下泄、太湖高水顶托，使得该地区经常受洪涝威胁。随着湖塘地区经济文化、城市建设的发展，防洪排涝的重要性逐年增强。湖塘地区防洪除涝工程的实施，将大大减轻该地区防洪排涝的压力，改善武进区城市防洪排涝条件。
湖塘地区防洪除涝工程按照洪涝兼治、以防为主、防排结合、高低分开、分片治理的原则，实行联圩并圩，增设抽排动力。全区共分六个治理片，其中镇区片为低片。该片采用低片包围治理，片内结合建闸，分散设置排涝站，排水入采菱港，并对区内河道进行拓浚。大通河水利枢纽系湖塘地区总体规划的重要组成部分，是解决镇区片防洪除涝的主要工程措施。
大通河水利枢纽工程建于湖塘镇降子村附近的原河道内，北侧与规划中的常州大运河改道段紧邻，南侧与规划中的城市干道金鸡路交接。枢纽由30m3/s抽水站和净宽8米的单孔节制闸各一座组成。
大通河水利枢纽于2003年汛前完成并投入运行，经过10年的施工，控制系统陈旧老化，不能够满足现代化控制的要求，故实施泵站计算机监控系统更新工作。
系统概述
2．1一般技术要求
泵站计算机监控系统应具备如下功能：数据采集与处理；运行监视和事故报警；控制与调节；数据通讯等。
2.2系统结构
2.2.1计算机监控系统
计算机监控系统主要由下列部分组成：监控工作站（互为热备）、服务器、网络交换机、现地控制单元、液晶触摸屏、保护单元、传感器等设备。
计算机自动控制系统为分层分布开放式结构，采用环形冗余光纤快速以太网拓朴结构，分为三级，即远控级、主控级与现地级。控制权分“远方、控制室、现地”三级，可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。控制权顺序为：现地、控制室与远方。远方控制经相关授权方可进行操作。控制系统中设置带密码的授权、核对程序。
现地级与主控级采用具有冗余功能的环形光纤以太网实现数据通信，环网交换机具备网管功能，采用导轨卡槽安装方式。中控室交换机采用模块化交换机，品牌与环网交换机保持一致。主控级通过光纤与管理所远控级传送遥控、遥调、遥信、遥测和遥视数据，实现数据与图像传输。微机保护和直流系统通过以太网方式或RS－485串行通信口与监控系统连接，传感器通过RS－485串行通信口或4～20mA输出与PLC连接。
远控级设在管理所办公楼内，通过光纤与泵站自动控制系统链接，实现信息采集与调度指令的下发，必要时实现遠程控制，同时泵站运行参数、状态等上传给远控级
2.2.2局域网系统
局域网系统建设要求为工程范围内的主干1000M、各个终端100M的高速计算机网络，为办公自动化提供传输通道和工作平台，具体包括：信息发布，即各相关科室通过网络发布相关信息给指定单位；信息查询，即相关科室可在自身职责范围内对网上信息进行浏览；文件传输，即通过网络实现相关文件的传递。网络以管理所中心机房作为网络中心，线路以星状结构分布至各个站点。
2.3控制系统
控制系统主要是由PLC系统和上位机系统组成。在中央控制室，设有两台互为备用的监控主机，对整个泵站泵组系统进行监视和控制。控制系统能够满足整个枢纽的运行要求，由现地控制单元实现对现场设备工作流程的控制，对机组、供水泵、排水泵、清污机和闸阀门等设备的开启操作和相关电气设备之间的联锁保护控制，对采集点的温度、压力、电量等进行监测记录，同时在上位机进行数据显示、故障报警和报表打印等。相关设备操作均采用PLC进行程序控制，系统配置图如图1。
图1系统结构图
系统硬件组成
3．1 PLC系统
PLC是面向过程控制而设计的通用自动化系统平台，有强大的对离散量、模拟量及过程回路控制方面的处理能力，并融入了网络技术，具有结构灵活、功能强大、使用简便、性价比高、兼容性好和广泛的开放性等众多特点，比较适合水利水电这样的工业环境使用。
3．2上位机监控系统
监控系统组态软件采用国际通用组态软件，在中央控制室配有冗余的两台工业控制计算机。为了保证系统的正常运行，2台监控主计算机，1主1从，功能为对整个泵闸计算机监控系统的管理、数据计算和处理、数据库管理、在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故、故障信号的分析处理等。2台监控主机互为热备用，当主机故障时，从机立刻接管主机工作，当主机恢复工作时，从机将主机故障时的运行数据倒回主机，重新由主机接管工作，确保历史文件不会丢失。
软件系统
4．1 控制程序结构
控制系统采用自动控制、远控和现地手动相结合
的方式，保证整个系统的可靠运行。
自动控制：操作人员在中控室下命令，通过计算机监控系统实现全部过程自动执行方式或采用分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，方可进行下一步或下一顺序组的操作。
现地控制：在泵组调试期或主控级故障时，操作人员可通过现地控制单元的人机界面实现控制。
远程控制：通过调度计算机系统，经光纤通道与枢纽监控系统通信，实现遥测、遥信、遥控。
4．2下位机程序软件
PLC编程软件利用Windows® XP的图形及上下文相关接口优势，特别是对屏蔽空间的优化使用、对工具和信息的直接访问以及可定制的工作环境提高了
用户的友好性。其直接寻址（即每个直接地址有一个在序列中指示位置的参考值，或者是输入地址
(只读) 或者是输出地址 (读/写)）又为软件的调试提供最简单的功能支持，需具有扩展功能块库，既有用于简单布尔运算的功能块，也有用于字符串和数组运算的功能块，另外还有用于控制复杂控制循环的功能块，大大减少了维护工程人员的开发周期和劳动强度。
4．3上位机监控软件
上位机软件是基于流览器的客户端既可监视又可控制，通过使用标准的浏览器,用户可以通过它对工业现场、工厂制造、过程控制设备进行监视和控制。设备数据将实时的显示在动态动画图画中.并且还能通过使用标准的浏览来完成整个工程的建立与运行,即对所有工程的建立、设置、绘图都可以在标准的浏览器中完成，这也是国际通用组态软件具有的特点。
通讯网络
泵站计算机监控系统主干网络结构采用光纤以太网环网，通过工业以太网交换机内置的2个光纤接口，构成环网连接，为泵站现场控制设备提供冗余的网络连接。任何一段主干通讯通道的故障都将在300ms内被察觉出来，并将启动冗余链路进行数据传送。保障自动化系统网络通信的可靠性和实时性。其特点：
(1)结构清晰，扩展与维护方便；
(2)冗余光纤环网，可靠性高、实时性强；
(3)采用现行通用国际主流标准，易于升级，保障用户投资；
(4)具有极高的性能价格比。
监控中心工作站通过Ethernet环形网络与现地控制单元LCU通讯完成对现场的监控、远程控制等功能。
系统特点
(1)采用以工业交换机为基础的光纤以太冗余环网结构，提高可靠性和实时性。
(2)主控级采用100Mbps快速以太网构成系统的主通道，PLC具有双电源冗余，可直接连接100Mbps以太网，不仅提高了系统的可靠性，还使系统能更快速地进行各种数据的处理，提高了系统的实时性。
(3)大量采用网络通讯技术。尽量采用同一厂家、同一系列的数字化的主、辅机控制和保护装置，例如：全站主、辅机PLC统一采用同一品牌PLC。这样避免了各种不同型号、不同系列的PLC使用各种不同的规约，不需增加规约转换的硬件和软件接口，从而提高了通讯的可靠性和实时性，为网络通讯的顺利实施奠定了坚实的基础。
本工程计算机监控系统经过一段时间的试运行，运行情况良好，性能稳定，很好地满足泵站、闸站的运行要求，为今后类似枢纽工程的设计提供很好借鉴。
关键词: 水利枢纽工程；计算机系统；控制；应用
中图分类号：TV文献标识码： A
1、 引言
本方案阐述了泵站计算机监控系统的结构特点、设计方法、硬件配置和软件实现等内容。系统采用全计算机监控方式，是一个开放式全分布的信息统一的监控系统。其功能完善、控制对象全面、实时性强、可靠性高、人机界面友好。从实际运行来看，系统稳定可靠，较好地满足了泵站运行管理智能化、远程化的需要，值得推广应用。
常州市武进区湖塘地区位于太湖流域武澄锡低片的上游地区，为武进区市区范围。长期以来，由于受湖西高片洪水下泄、太湖高水顶托，使得该地区经常受洪涝威胁。随着湖塘地区经济文化、城市建设的发展，防洪排涝的重要性逐年增强。湖塘地区防洪除涝工程的实施，将大大减轻该地区防洪排涝的压力，改善武进区城市防洪排涝条件。
湖塘地区防洪除涝工程按照洪涝兼治、以防为主、防排结合、高低分开、分片治理的原则，实行联圩并圩，增设抽排动力。全区共分六个治理片，其中镇区片为低片。该片采用低片包围治理，片内结合建闸，分散设置排涝站，排水入采菱港，并对区内河道进行拓浚。大通河水利枢纽系湖塘地区总体规划的重要组成部分，是解决镇区片防洪除涝的主要工程措施。
大通河水利枢纽工程建于湖塘镇降子村附近的原河道内，北侧与规划中的常州大运河改道段紧邻，南侧与规划中的城市干道金鸡路交接。枢纽由30m3/s抽水站和净宽8米的单孔节制闸各一座组成。
大通河水利枢纽于2003年汛前完成并投入运行，经过10年的施工，控制系统陈旧老化，不能够满足现代化控制的要求，故实施泵站计算机监控系统更新工作。
系统概述
2．1一般技术要求
泵站计算机监控系统应具备如下功能：数据采集与处理；运行监视和事故报警；控制与调节；数据通讯等。
2.2系统结构
2.2.1计算机监控系统
计算机监控系统主要由下列部分组成：监控工作站（互为热备）、服务器、网络交换机、现地控制单元、液晶触摸屏、保护单元、传感器等设备。
计算机自动控制系统为分层分布开放式结构，采用环形冗余光纤快速以太网拓朴结构，分为三级，即远控级、主控级与现地级。控制权分“远方、控制室、现地”三级，可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。控制权顺序为：现地、控制室与远方。远方控制经相关授权方可进行操作。控制系统中设置带密码的授权、核对程序。
现地级与主控级采用具有冗余功能的环形光纤以太网实现数据通信，环网交换机具备网管功能，采用导轨卡槽安装方式。中控室交换机采用模块化交换机，品牌与环网交换机保持一致。主控级通过光纤与管理所远控级传送遥控、遥调、遥信、遥测和遥视数据，实现数据与图像传输。微机保护和直流系统通过以太网方式或RS－485串行通信口与监控系统连接，传感器通过RS－485串行通信口或4～20mA输出与PLC连接。
远控级设在管理所办公楼内，通过光纤与泵站自动控制系统链接，实现信息采集与调度指令的下发，必要时实现遠程控制，同时泵站运行参数、状态等上传给远控级
2.2.2局域网系统
局域网系统建设要求为工程范围内的主干1000M、各个终端100M的高速计算机网络，为办公自动化提供传输通道和工作平台，具体包括：信息发布，即各相关科室通过网络发布相关信息给指定单位；信息查询，即相关科室可在自身职责范围内对网上信息进行浏览；文件传输，即通过网络实现相关文件的传递。网络以管理所中心机房作为网络中心，线路以星状结构分布至各个站点。
2.3控制系统
控制系统主要是由PLC系统和上位机系统组成。在中央控制室，设有两台互为备用的监控主机，对整个泵站泵组系统进行监视和控制。控制系统能够满足整个枢纽的运行要求，由现地控制单元实现对现场设备工作流程的控制，对机组、供水泵、排水泵、清污机和闸阀门等设备的开启操作和相关电气设备之间的联锁保护控制，对采集点的温度、压力、电量等进行监测记录，同时在上位机进行数据显示、故障报警和报表打印等。相关设备操作均采用PLC进行程序控制，系统配置图如图1。
图1系统结构图
系统硬件组成
3．1 PLC系统
PLC是面向过程控制而设计的通用自动化系统平台，有强大的对离散量、模拟量及过程回路控制方面的处理能力，并融入了网络技术，具有结构灵活、功能强大、使用简便、性价比高、兼容性好和广泛的开放性等众多特点，比较适合水利水电这样的工业环境使用。
3．2上位机监控系统
监控系统组态软件采用国际通用组态软件，在中央控制室配有冗余的两台工业控制计算机。为了保证系统的正常运行，2台监控主计算机，1主1从，功能为对整个泵闸计算机监控系统的管理、数据计算和处理、数据库管理、在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故、故障信号的分析处理等。2台监控主机互为热备用，当主机故障时，从机立刻接管主机工作，当主机恢复工作时，从机将主机故障时的运行数据倒回主机，重新由主机接管工作，确保历史文件不会丢失。
软件系统
4．1 控制程序结构
控制系统采用自动控制、远控和现地手动相结合
的方式，保证整个系统的可靠运行。
自动控制：操作人员在中控室下命令，通过计算机监控系统实现全部过程自动执行方式或采用分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，方可进行下一步或下一顺序组的操作。
现地控制：在泵组调试期或主控级故障时，操作人员可通过现地控制单元的人机界面实现控制。
远程控制：通过调度计算机系统，经光纤通道与枢纽监控系统通信，实现遥测、遥信、遥控。
4．2下位机程序软件
PLC编程软件利用Windows® XP的图形及上下文相关接口优势，特别是对屏蔽空间的优化使用、对工具和信息的直接访问以及可定制的工作环境提高了
用户的友好性。其直接寻址（即每个直接地址有一个在序列中指示位置的参考值，或者是输入地址
(只读) 或者是输出地址 (读/写)）又为软件的调试提供最简单的功能支持，需具有扩展功能块库，既有用于简单布尔运算的功能块，也有用于字符串和数组运算的功能块，另外还有用于控制复杂控制循环的功能块，大大减少了维护工程人员的开发周期和劳动强度。
4．3上位机监控软件
上位机软件是基于流览器的客户端既可监视又可控制，通过使用标准的浏览器,用户可以通过它对工业现场、工厂制造、过程控制设备进行监视和控制。设备数据将实时的显示在动态动画图画中.并且还能通过使用标准的浏览来完成整个工程的建立与运行,即对所有工程的建立、设置、绘图都可以在标准的浏览器中完成，这也是国际通用组态软件具有的特点。
通讯网络
泵站计算机监控系统主干网络结构采用光纤以太网环网，通过工业以太网交换机内置的2个光纤接口，构成环网连接，为泵站现场控制设备提供冗余的网络连接。任何一段主干通讯通道的故障都将在300ms内被察觉出来，并将启动冗余链路进行数据传送。保障自动化系统网络通信的可靠性和实时性。其特点：
(1)结构清晰，扩展与维护方便；
(2)冗余光纤环网，可靠性高、实时性强；
(3)采用现行通用国际主流标准，易于升级，保障用户投资；
(4)具有极高的性能价格比。
监控中心工作站通过Ethernet环形网络与现地控制单元LCU通讯完成对现场的监控、远程控制等功能。
系统特点
(1)采用以工业交换机为基础的光纤以太冗余环网结构，提高可靠性和实时性。
(2)主控级采用100Mbps快速以太网构成系统的主通道，PLC具有双电源冗余，可直接连接100Mbps以太网，不仅提高了系统的可靠性，还使系统能更快速地进行各种数据的处理，提高了系统的实时性。
(3)大量采用网络通讯技术。尽量采用同一厂家、同一系列的数字化的主、辅机控制和保护装置，例如：全站主、辅机PLC统一采用同一品牌PLC。这样避免了各种不同型号、不同系列的PLC使用各种不同的规约，不需增加规约转换的硬件和软件接口，从而提高了通讯的可靠性和实时性，为网络通讯的顺利实施奠定了坚实的基础。
本工程计算机监控系统经过一段时间的试运行，运行情况良好，性能稳定，很好地满足泵站、闸站的运行要求，为今后类似枢纽工程的设计提供很好借鉴。