大伙房输水工程实验平台系统设计

杨旭前

（辽宁大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳110166）

大伙房输水工程实验平台系统设计

杨旭前

（辽宁大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳110166）

本文所述实验平台基于AB公司的Control Logix系列PLC设计，采用全冗余配置，模拟原大伙房SCADA系统，实现了其基本功能，是工程运行维护人员培训与实践的重要工具，对保障大伙房输水工程SCADA系统稳定运行具有重要作用。

大伙房输水工程；实验平台；设计

1　引言

辽宁省大伙房水库输水工程从辽宁东部山区引水，向辽宁中南部抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连7座城市供水，惠及人口上千万，被称为辽宁人民的生命线工程［1］。该工程由计算机数据采集与监控系统（以下简称大伙房SCADA系统）负责对全线主要机电设备的监视、控制与调节，对整个工程的运行管理起着至关重要的作用。

大伙房SCADA系统具有监视数据与控制对象多、控制方式复杂、专业性强的特点。原系统已经设计完成且通过测试，于2010年11月正式投入使用，而部分系统维护人员及工程运行人员没有原系统设计开发的相关经验。维护大伙房SCADA系统需熟知其结构原理及相关专业知识，运行维护人员需长时间积累相关经验。同时，为了维护系统稳定运行，更不可能频繁地在原系统上对新入职的运行维护人员进行教育与培训工作，新入职的运行维护人员对系统没有全面认识且得不到充分的实践机会。如果搭建同一套系统用于培训无论从成本还是时间上来看都显得不切实际，正是在这种情况下开发设计一套专门用于运行维护人员培训与实践的实验平台就变得尤为重要。

2　实验平台设计方案

2.1原SCADA系统简介

大伙房SCADA系统由沈阳调度中心、取水头部、抚顺配水站、沈阳一配水站、沈阳二配水站、辽阳配水站、鞍山加压泵站、营盘配水站共8个计算机控制子系统组成。每个子系统又由上位机系统和现地控制单元两部分组成。上位机系统由操作员工作站（OP机）、通信工作站（COM机）、报警工作站（ALM机）等计算机设备组成，主要完成数据采集与处理、控制命令下发、图形显示、语音报警、系统外部通信等功能。现地控制单元由CCU、LCU组成，主要完成数据采集与处理、设备控制与调节、与主控级通信、智能设备数据通信等功能［2］。

为了保障系统稳定运行，原SCADA系统采用多重冗余设计。调度中心与分中心之间、分中心上位机与LCU之间的通信网络采用双以太网络通信，重要上位机设备如操作员站、主机、通信服务器、数据服务器均采用双机配置，主、备运行；下位机LCU、CPU采用全冗余配置，双CPU模件、双以太网模件，两套冗余控制器配置完全相同；下位机LCU与CCU之间的通信采用双Control Net网络进行冗余通信［3］。大伙房SCADA系统结构如图1所示。

图1　大伙房水库SCADA系统结构

2.2实验平台系统设计

大伙房输水工程实验平台既需要较好地模拟原SCADA系统的运行情况，又需要考虑节约成本问题。因此，该实验平台设计时采用了与原SCADA系统相同的系统结构并进行了适当简化。由于原SCADA系统中7个配水站子系统在地位上是同等的关系，而在调度中心子系统全线控制下协调工作，因此，平台设计单个控制系统来模拟原SCADA系统运行情况。

实验平台由上位机系统和下位机系统两部分组成。上位机系统仅选取具有代表性的操作员工作站和报警工作站，用于图形界面的显示、控制命令下发、语音报警和下位机维护等。下位机系统仅由CCU组成，负责数据采集与处理、设备控制与调节等功能。原SCADA系统中的LCU为CCU的远程IO单元，仅负责现场数据的采集并上传给CCU。在实验环境中，现场数据均由实验模拟产生，无需进行远距离采取，因此，在实验平台下位机系统设计中，将LCU的数据采集功能整合在CCU机架上，数据采集模块和CCU间采用双Control Net网进行通信。同时，实验平台的下位机系统由两台配置完全相同的CPU模件、以太网模件和冗余控制器组成，以实现系统的全冗余运行。这样，当两套CPU之一发生故障时，可以保证系统无扰动的切换到另一CPU运行。整个上位机系统和下位机系统间的通信网络采用双以太网。实验平台系统结构如图2所示。

图2　实验平台系统结构

2.3实验平台系统配置

实验平台并不需要长时间连续工作，因此，上位机采用DELL公司的OPTIPLEX台式机替代原SCADA系统中的HP服务器。上位机的操作系统配置为操作员工作站采用的Linux系统，而报警工作站采用WinSever2008系统。上位机监控平台则使用与原系统相同的NC2000计算机监控软件。

下位机系统中CCU的核心控制器采用罗克韦尔公司生产的 Control Logix系列PLC，采用冗余模件（1756-SRM）对系统进行冗余配置，通过以太网模块（1756-ENBT）进行上下位机间的以太网通信。采集模块与CCU间通信则选用双网络Control Net模块（CNBR1756-CNBR/E）进行。数字信号的输入和输出由开入模块（1756-IB32/B）和开出模块（1756-OB32）完成，而模拟信号的处理则由模入模块（1756-IF8/16）和模出模块（1756-OF8）负责。最后下位机人机界面采用AB公司的Panel Plus系列触摸屏。

所有上、下位机的系统配置均采用与大伙房SCADA系统相同或相兼容的设备，并做了适当的简配，这样既在功能上做到模拟原系统运行情况又能节约成本。

2.4实验平台功能开发

2.4.1模拟监控功能开发

大伙房水库输水工程全线主要水利节点的监视与控制，是工程运行人员的重要工作之一。新入职的运行人员对工程整体概况及大伙房SCADA系统不熟悉，不能立即掌握大伙房SCADA系统的操作方法，使用实验平台培训是熟悉了解原系统的途径之一，因此，实验平台的基本功能就是对输水工程主要水利节点的模拟监视与控制。

实验平台上位机监控界面中模拟显示了输水工程一段管线并对其进行监视，同时，实现了与原SCADA系统相同的控制功能。监视节点选择管线中的阀门前后压力、流量、高程、阀门开度等主要水利数据进行显示，而控制操作模拟实现了调度命令的下发、阀门的开关设置、泵组的启停操作、语音报警系统修改等控制命令。新运行人员通过在实验平台上的模拟监控操作可以更快地适应今后的日常工作。

2.4.2模拟维护功能开发

保障大伙房SCADA系统的稳定运行，是工程维护人员的重要工作，通过实验平台进行模拟维护是提高维护人员专业技能的方法之一。在实验平台的设计搭建过程中，维护人员亲自参与到平台的搭建工作中，可以更加深刻理解整个系统的工作原理。同时，上位机的所有监控数据均采用模拟输入，如数字量的开入短接、信号发生器模拟输入、组态中强制等方法，而输出信号则采用万用表、示波器等采集设备显示。这样任何信号的输入与输出都是直观可见并可重复的，通过对输入信号的模拟和输出信号的测量，辅助相关讲解和说明，维护人员可以更好地了解各种信号原理及整个系统的信息传递过程和运行情况。

整个实验平台PLC程序和触摸屏程序都采用原SCADA系统的标准程序框架来编写，并配有相关开发流程的说明文档及备份程序，维护人员可以在此程序框架的基础上进行仿真开发。例如模拟某个控制对象，并对其进行模件的组态与配置、控制流程的管理、采集数据的处理等系统程序编写及下位机触摸屏程序的开发。通过仿真开发，维护人员可以更加深入地了解SCADA系统中PLC程序的架构思想及触摸屏程序的组态方法和工作原理。

通过硬接线短接、模拟信号异常输入、程序内修改等手段，实验平台可以对系统常见故障进行模拟。维护人员通过对这些常见故障进行排查和处理，可以更深刻地理解此类故障发生机理，为今后处理类似问题打下良好的基础。

3　结语

模拟实验平台的搭建完成，使运行维护人员得到充分的认知和实践锻炼机会，能更加深入透彻地了解整个系统的工作原理与运行情况，促使运行人员日常操作更加熟练，保证维护人员对系统故障及时进行排查与处理，对整个输水工程安全稳定运行具有重要作用。■

［1］宋放.大型输水工程调度中心与各配水厂通信方案应用研究［J］.中国水能及电气化，2015（5）:38-41.

［2］戴娜，罗招贵，周林虎，等.大伙房长距离输水工程SCADA系统设计［J］.水电自动化与大坝监测，2010，34（2）: 80-84.

［3］张百敏，倪健，宋智.大伙房输水工程SCADA系统网络结构及现地控制单元设置［J］.水电自动化与大坝监测，2010，34（5）:14-17.

［4］李可，杜昆祥.输水工程控制系统远程通信方案［J］.中国水能及电气化，2014（6）:31-34.

Design of experiment platform system in Dahuofang Water Conveyance Project

YANG Xuqian
（Liaoning Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project Construction Bureau，Shenyang 110166，China）

The experiment platform described in the paper is designed based on Control Logix series PLC of AB Company. Full redundant configuration is designed for simulating Dahuofang SCADA system.The platform’s basic functions are realized.It is an important tool for training and practicing engineering operation maintenance personnel，and has important role in ensuring stable operation of SCADA system in Dahuofang Water Conveyance Project.

Dahuofang Water Conveyance Project；experiment platform；design

TV672

B

1005-4774（2016）05-0030-03

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.008