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案例頻道 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90%的供水水源來自東江，但城區目前缺乏大型調蓄工程，無法滿足枯水季節、咸潮上溯、突發水體污染事件等時期安全供水的需要。為確保飲用水安全，東莞在2008年開工建設東江與水庫聯網供水工程。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個中型水庫及水濂山、白坑、蘆花坑、五點梅、馬尾、蓮花山6個小型水庫聯通，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相銜接的水資源優化配置體系。聯網水庫供水范圍主要為長安、虎門、大朗等缺水較嚴重鎮區，重點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，功能上同時監控沙角取水泵站、泰崗圩加壓泵站和松木山水庫現場設備。松木山水庫計算機監控系統含上位機系統和現場自動化控制器系統。
1 現場自動化控制單元的構建
現場控制器單元是泵站控制主要現場控制部分，對數據起到采集、處理、記錄等作用。根據設計任務書要求，主要現場控制器采用由冗余型S7-400PLC，同時采用冗余現場總線和雙工業以太網結構，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，冗余網絡接口，以太網模塊及相應的網絡通訊組件和輸入輸出組件等組建而成。
1.1 現場控制器單元核心組件
泵站現場控制單元核心單元的選擇有多種形式。目前行業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系統集成開發應用便利快捷，故本項目選擇了PLC作為核心單元。
圖1 泵站自控系統圖
德國西門子公司的PLC產品在我國水利水電項目中有著廣泛應用。因此，在沙角取水泵站現場控制單元中，用戶決定選用西門子公司的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，基本滿足本項目技術要求。冗余方式為雙控制器冗余，采用雙機架、雙CPU、雙電源、雙網絡模塊方式。與其它PLC廠家的冗余產品不同，西門子公司S7-400H系列PLC采用專用的冗余型CPU，而不是簡單將兩個普通型CPU并行使用，是專用的硬件冗余方式。主控制器機架的處理器、電源、機架、網絡、上位監控網絡完全按照冗余配置，只有當主站故障（包括電源、主機架、CPU）才切換CPU，而總線鏈路或I/O從站接口模件故障都不會強制CPU切換，從而減少CPU做無謂切換，提高系統總體可靠性。
圖2 現場控制單元PLC冗余結構圖
在主從CPU的同步方式上，西門子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能在發生故障切換的情況下穩定工作，系統的切換時間可控制在100ms以內。任何部件故障或異常關斷都能通過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信號不會丟失，保證系統穩定無擾動運行。同時控制器具有獨立運行模式，當系統發生故障和意外時，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、無擾動、無數據丟失的繼續自動切換運行。在主從控制器的切換時間內，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CPU可支持8個網絡通信模塊，具有強大的網絡通訊功能，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，無需專用的冗余系統編程軟件。支持IEC方式編程。支持四種組態語言—功能塊（用來組態模擬控制回路）、梯形圖（用來組態邏輯控制）、順序圖（用來組態順序控制）及結構文本（用于用戶自行編程和開發軟件）。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關量和模擬量兩種。對于普通的開關量信號，一般PLC廠家會提供不同電壓范圍的I/O模塊供選擇。但對響應時間要求很高的帶事故記錄順序的SOE信號，一般PLC廠家I/O模塊很難滿足要求，在西門子S7-400系統組網絡ET200M的I/O從站選型時，其6ES7321-7BH01-0AB0帶SOE功能專用輸入模塊，該模塊分辨率達2ms級的毫秒級響應，可記錄20組帶時標的事故記錄。對于普通的開關量可根據要求選擇輸入點數為16點、32點或按電壓等級選24VDC、220VAC等多種型號即可。輸出開關量也可按點數選16點、32點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，選擇時要注意型號類型和轉換精度。
除常規的通過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題，西門子為單路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 現場控制單元的構成
沙角取水泵站現場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、網絡、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 組態軟件
WinCC是西門子公司開發的工業組態軟件，本工程采用WinCC軟件，包含圖形組態、數據點管理、網絡功能、通信功能、管理、加鎖等功能。
2.1 圖形組態
WinCC系統可提供各種對象：圖形對象、按鈕、柱狀圖和控件，直到每個用戶對象。組態工程師能夠動態控制畫面部分的最終外觀。畫面可通過變量值或從程序直接加以控制和設定。畫面高真清晰。嵌入圖形中不會因放大縮小而失真。組態中提供樹形結構圖，能夠瀏覽所畫畫面中的所有圖形對象和組態信息，提供了畫面組態調用，使狀態變化豐富多彩。點數的擴展功能很強，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，可以替換整個圖畫以及畫面中對象的屬性、組態點信息，對于同類型物體，避免重復組態。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、利于對開發維護、現場生產安全的保障。支持在線修改，具有畫面分層功能，控制更靈活。
2.2 數據點管理
WinCC提供了統一環境進行數據點定義，數據類型多，有很多現成的功能塊。歷史記錄塊、趨勢塊、計算塊，十余種信號發生器，在調試中幫助很大，實現方便。WinCC數據點管理獨立于畫面運行，直接反映現場信息，數據點一經設定就可立即反映現場狀態（如果通信是成功的）。
2.3 網絡功能
WinCC監控軟件有網絡功能，是第一個完全基于Client/Server的HMI軟件，具有C/S架構軟件的所有功能，可監視遠程節點的所有數據點而不用增加任何Tag，可在線增加、修改、刪除遠程節點中的數據庫點，真正實現遠程組態。
2.4 通信功能
WinCC是基于組件對象技術(COM、DCOM)，幾乎針對工業應用的所有硬件都有接口，更適用于現場，應用上穩定性更好。其通信設計方便，易通訊。WinCC與西門子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說是靠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用戶管理器，可分配、控制組態和運行時的訪問權限。用戶最多可建立128個用戶組(每組最多包含128個單獨用戶)，并為它們分配相應的訪問WinCC功能的權限。
（2）報警管理： WinCC提供組態事件報警功能，可設置開關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有一個集成的報表系統，可用它打印來自WinCC或其它應用程序的數據。該系統還可打印運行時獲得的數據，這些數據的布局可以組態。可使用不同的記錄類型：從消息序列記錄、系統消息記錄和操作員記錄，直至用戶報表。WinCC還帶有SQL語言，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問和操作。
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
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面顯示、報表、報警、曲線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程。東江與水庫供水水源工程軟件組態如圖3所示。
4 系統功能
組態軟件采用實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基礎上開發，實現生產過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發效率的軟件，它可減輕軟件開發與維護強度，提高系統的可維護性，使開放系統真正地向用戶開放。
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過程參數，包括溫度量、模擬量、狀態量、報警量和脈沖量等和來自調度中心的交換數據及命令，并存入數據庫； 接收開關量變位、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時監視及參數在線修改、狀變監視、越限檢查、過程監視、趨勢分析和監控系統異常監視；實時監測水庫全站的運行、故障、事故，當故障發生時，立即報警。對各類順序操作和事故下的動作情況實現事件順序記錄，記錄對象主要為泵組設備及其附屬設備、10kV斷路器、10kV出線線路和廠用電系統、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，包括操作對象、操作指令、操作開始時間、執行過程、執行結果及操作完成的時間等。
（2） 報警事件記錄，各種報警事件按時間順序記錄其發生的時間、內容和項目等，生成報警事件匯總表。
（3） 報告，按時、日、月生成各種統計報表，也可根據操作員的指令隨時生成各種報表。
4.4 組態軟件人機接口
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面上。畫面顯示作為計算機監控系統主要功能之一。畫面種類包括各種系統圖、棒形圖、曲線、表格、提示語句等，畫面清晰穩定、構圖合理、刷新速度快且操作簡單。
（1）系統圖：各種電氣接線圖、水系統圖。系統圖實時顯示出運行設備的實時狀態及重要參數的實時值。
（2）棒圖：泵組、線路的有功功率、無功功率等參數。
（3）曲線圖：電壓曲線、頻率曲線、給定日負荷曲線及各類模擬量變化曲線。
（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、各類報警信息統計表、操作統計表、各類運行報表、運行日志、操作票等。
（5）提示語句：開、停機操作指導等各類提示信息等。
東江與水庫聯網供水水源工程作為東莞市的重點水利工程，關系著東莞居民的生活用水和企業工業生產用水的供應。泵組和公用現場控制單元選用S7-400系列PLC并作冗余設計，不但能滿足復雜化、大容量、高配置的設計要求，而且能提高現場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現場控制單元選擇了非冗余S7-300系列PLC，兼顧了可靠性、先進性和經濟性。控制系統配置適當、簡單扼要，經濟實用，使系統整體具有極高的性能。采用西門子WinCC組態軟件，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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摘自《自動化博覽》2012年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號