《自动化博览》

    东江是香港、广州、深圳和东莞等地的主要供水水源，东莞市目前超过90%的供水水源来自东江，但城区目前缺乏大型调蓄工程，无法满足枯水季节、咸潮上溯、突发水体污染事件等时期安全供水的需要。为确保饮用水安全，东莞在2008年开工建设东江与水库联网供水工程。该工程以现有多口提水工程和供水水库为基础，将中部及沿海的同沙、横岗、松木山3个中型水库及水濂山、白坑、芦花坑、五点梅、马尾、莲花山6个小型水库联通，以松木山水库为调节枢纽，增设东江干流黄大仙取水口，通过补水总干道与松木山水库衔接，形成以东江水源为主、水库调蓄为辅，与原有供水系统管网相衔接的水资源优化配置体系。联网水库供水范围主要为长安、虎门、大朗等缺水较严重镇区，重点解决东莞中部地区水资源紧缺现状。

    东江与水库供水水源工程以企石镇黄大仙庙前东江河岸边为取水口，在东江沙角取水泵站取水，途径东引运河至泰岗圩加压泵站，再经寒溪水及松木山至松木山水库。从东江取水输至松木山水库，沿途共有两个梯级泵站，分别为东江沙角取水泵站（总装机容量为5×2600kW）和泰岗圩加压泵站（总装机容量为5×2800kW）。

   东莞市东江与水库供水水源工程计算机监控系统包括位于监控中心和松木山水库的两个计算机监控系统，其中监控中心计算机监控系统只包含上位机监控部分，功能上同时监控沙角取水泵站、泰岗圩加压泵站和松木山水库现场设备。松木山水库计算机监控系统含上位机系统和现场自动化控制器系统。

    1 现场自动化控制单元的构建

    现场控制器单元是泵站控制主要现场控制部分，对数据起到采集、处理、记录等作用。根据设计任务书要求，主要现场控制器采用由冗余型S7-400PLC，同时采用冗余现场总线和双工业以太网结构，保证系统的可靠运行。部分辅助设备的控制由非冗余的S7-300PLC完成。系统由冗余中央处理器S7-400CPU，冗余网络接口，以太网模块及相应的网络通讯组件和输入输出组件等组建而成。

    1.1 现场控制器单元核心组件

   泵站现场控制单元核心单元的选择有多种形式。目前行业内应用较多的控制单元有采用PLC和单片机两种。PLC性能可靠稳定，应用广泛，抗干扰能力和通用性强，且PLC系统集成开发应用便利快捷，故本项目选择了PLC作为核心单元。
    
                
                                    图1 泵站自控系统图   

   德国西门子公司的PLC产品在我国水利水电项目中有着广泛应用。因此，在沙角取水泵站现场控制单元中，用户决定选用西门子公司的S7-400H系列的冗余PLC作为系统的核心控制单元。

    泵站现场控制核心单元CPU采用冗余型中央处理器CPU412-3H，该CPU的运算速度为75ns，工作内存为768k，基本满足本项目技术要求。冗余方式为双控制器冗余，采用双机架、双CPU、双电源、双网络模块方式。与其它PLC厂家的冗余产品不同，西门子公司S7-400H系列PLC采用专用的冗余型CPU，而不是简单将两个普通型CPU并行使用，是专用的硬件冗余方式。主控制器机架的处理器、电源、机架、网络、上位监控网络完全按照冗余配置，只有当主站故障（包括电源、主机架、CPU）才切换CPU，而总线链路或I/O从站接口模件故障都不会强制CPU切换，从而减少CPU做无谓切换，提高系统总体可靠性。
  
                       
                         图2 现场控制单元PLC冗余结构图

    在主从CPU的同步方式上，西门子S7-400H也有独特的工作模式，其同步方式是采用事件同步的方式，这种同步机制既保证主从CPU间的同步效率，又保证CPU能在发生故障切换的情况下稳定工作，系统的切换时间可控制在100ms以内。任何部件故障或异常关断都能通过事件同步的方式把信息同步到主控CPU和备用系统，确保信息和I/O信号不会丢失，保证系统稳定无扰动运行。同时控制器具有独立运行模式，当系统发生故障和意外时，控制器可独立运行和监控。若一台控制器不能工作或被诊断故障，另一台必须保证所有设备及模式能不间断、无扰动、无数据丢失的继续自动切换运行。在主从控制器的切换时间内，不影响监控对象和监控系统设备正常运行、系统功能正常执行及数据的正常通讯。

    S7-400H系列冗余处理器采用模块化结构，支持热插拔、通信和扩充。单个CPU可支持8个网络通信模块，具有强大的网络通讯功能，支持多种通讯规约。PLC的编程软件采用运行于Windows操作系统下的STEP7 V5.5，无需专用的冗余系统编程软件。支持IEC方式编程。支持四种组态语言—功能块（用来组态模拟控制回路）、梯形图（用来组态逻辑控制）、顺序图（用来组态顺序控制）及结构文本（用于用户自行编程和开发软件）。处于冗余工作方式下的PLC程序编制方式与采用单机控制的PLC编程方式完全一致。

    1.2 输入输出组件

    现场控制单元对外设交流数据交换方式分为I/O方式的数据采集和通信方式采集。

    PLC的I/O模块采集数据信号分为开关量和模拟量两种。对于普通的开关量信号，一般PLC厂家会提供不同电压范围的I/O模块供选择。但对响应时间要求很高的带事故记录顺序的SOE信号，一般PLC厂家I/O模块很难满足要求，在西门子S7-400系统组网络ET200M的I/O从站选型时，其6ES7321-7BH01-0AB0带SOE功能专用输入模块，该模块分辨率达2ms级的毫秒级响应，可记录20组带时标的事故记录。对于普通的开关量可根据要求选择输入点数为16点、32点或按电压等级选24VDC、220VAC等多种型号即可。输出开关量也可按点数选16点、32点或可按继电器或晶体管输出等多种型号。模拟量有4路、8路等多种选择，选择时要注意型号类型和转换精度。
         
    除常规的通过I/O模块采集信号外，对于部分提供通讯模式的外围信号，需由通信模块来采集。通信模块支持RS485、RS232、RJ45、光纤等多种物理接口。沙角取水泵站附属设备的很多仪表都是单路的Profibus-DP设备，无冗余接口，如何才能接入冗余PLC中的冗余Profibus-DP系统？为解决非冗余设备的接入问题，西门子为单路Profibus-DP设备的通信接入冗余系统提供Y-Link转换器，Y-Link作用是把S7-400H下冗余的 Profi bus DP 转成单DP链路，以连接DP链路中不冗余的Profi bus-DP设备。

    1.3 现场控制单元的构成

    沙角取水泵站现场控制单元是兼备具有控制功能和监控功能的泵站，其中控制单元部分的核心由西门子S7-400H冗余处理器和ET200M的I/O从站构成。该系统中央处理器、电源、底板、网络、Profi bus接口通信模块均作冗余配置，组建成稳定可靠，比较典型的泵站子系统，如图2所示。

   2 组态软件

    WinCC是西门子公司开发的工业组态软件，本工程采用WinCC软件，包含图形组态、数据点管理、网络功能、通信功能、管理、加锁等功能。

    2.1 图形组态

    WinCC系统可提供各种对象：图形对象、按钮、柱状图和控件，直到每个用户对象。组态工程师能够动态控制画面部分的最终外观。画面可通过变量值或从程序直接加以控制和设定。画面高真清晰。嵌入图形中不会因放大缩小而失真。组态中提供树形结构图，能够浏览所画画面中的所有图形对象和组态信息，提供了画面组态调用，使状态变化丰富多彩。点数的扩展功能很强，有全面解决报警、报警记录、历史记录的方法。有查找替换功能，可以替换整个图画以及画面中对象的属性、组态点信息，对于同类型物体，避免重复组态。内嵌VB脚本和C脚本，具有自己的内部函数，功能扩展更为有利。支持双向OPC，支持所有类型的ActiveX、OLE，对控件的属性操作完全控制。编辑与运行可切换的、利于对开发维护、现场生产安全的保障。支持在线修改，具有画面分层功能，控制更灵活。

    2.2 数据点管理

    WinCC提供了统一环境进行数据点定义，数据类型多，有很多现成的功能块。历史记录块、趋势块、计算块，十余种信号发生器，在调试中帮助很大，实现方便。WinCC数据点管理独立于画面运行，直接反映现场信息，数据点一经设定就可立即反映现场状态（如果通信是成功的）。

    2.3 网络功能

   WinCC监控软件有网络功能，是第一个完全基于Client/Server的HMI软件，具有C/S架构软件的所有功能，可监视远程节点的所有数据点而不用增加任何Tag，可在线增加、修改、删除远程节点中的数据库点，真正实现远程组态。

    2.4 通信功能

    WinCC是基于组件对象技术(COM、DCOM)，几乎针对工业应用的所有硬件都有接口，更适用于现场，应用上稳定性更好。其通信设计方便，易通讯。WinCC与西门子PLC通讯采用S7方式，稳定且通讯量大，并支持多种诊断。WinCC与西门子PLC通讯采用MAC地址更加稳定快速，MAC唯一，而IP可随意更换。对于400H的CPU，要建立S7冗余连接，就必须设置MAC地址，因为冗余连接从底层来说是靠MAC地址切换的。从OSI七层模型结构看，MAC地址通讯（ISO）属于第2层，IP属于第3层，TCP属于第4层。层数越向上，报文越复杂，相应的通讯判断条件也会增多，响应速度变慢，所以与IP切换地址相比，MAC地址切换迅速很多。

    2.5 管理方面

    （1）安全管理：使用WinCC用户管理器，可分配、控制组态和运行时的访问权限。用户最多可建立128个用户组(每组最多包含128个单独用户)，并为它们分配相应的访问WinCC功能的权限。

    （2）报警管理： WinCC提供组态事件报警功能，可设置开关量报警和模拟量报警，直至对报警消息归档等。

    （3）报表方面： WinCC有一个集成的报表系统，可用它打印来自WinCC或其它应用程序的数据。该系统还可打印运行时获得的数据，这些数据的布局可以组态。可使用不同的记录类型：从消息序列记录、系统消息记录和操作员记录，直至用户报表。WinCC还带有SQL语言，全面支持ADO、RDO，对于常用的办公软件及数据库软件都能很好的访问和操作。

    2.6 加锁方法

    高版本的WinCC采用硬件狗，防盗版功能强。

    3 东江与水库供水水源工程软件组态
  
                   
                       图3 东江与水库供水水源工程软件组
   
    WinCC监控软件是人机交换接口。主要由前台人机交互程序和后台背景程序两部分组成。人机交互程序主要提供画面显示、报表、报警、曲线等交互式图形显示和操作功能；背景程序则提供计算机监控系统与各外部设备的通讯、数据库管理、历史数据库管理等各种后台处理过程。东江与水库供水水源工程软件组态如图3所示。

    4 系统功能

    组态软件采用实现监控系统基本监控功能所必须的软件WinCC，WinCC可运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows，WinCC组态软件自带SQL数据库管理系统，用于数据库管理。应用软件是在WinCC基础上开发，实现生产过程操作或控制功能的软件，如调度软件、运行软件等。工具软件是提高系统开发效率的软件，它可减轻软件开发与维护强度，提高系统的可维护性，使开放系统真正地向用户开放。

    4.1 数据采集与处理

    系统需要采集和处理电气和非电气量及有关过程参数，包括温度量、模拟量、状态量、报警量和脉冲量等和来自调度中心的交换数据及命令，并存入数据库； 接收开关量变位、模拟量测值越限和部分温度量变化趋势越限等信号。采集与接收到的信息用于显示器画面显示、更新，控制调节，记录检索，统计报表，操作指导和事故分析等及上传至供水工程调度中心。

    4.2 运行监视

    运行监视包括全水库运行实时监视及参数在线修改、状变监视、越限检查、过程监视、趋势分析和监控系统异常监视；实时监测水库全站的运行、故障、事故，当故障发生时，立即报警。对各类顺序操作和事故下的动作情况实现事件顺序记录，记录对象主要为泵组设备及其附属设备、10kV断路器、10kV出线线路和厂用电系统、事件的故障和事故。

   4.3 记录、报告

   全站所有设备的操作事件、报警事件及报表等都存于数据库并可记录,记录、报告的主要内容：

   （1）操作事件记录，将所有操作事件按其操作顺序记录下来，包括操作对象、操作指令、操作开始时间、执行过程、执行结果及操作完成的时间等。

   （2） 报警事件记录，各种报警事件按时间顺序记录其发生的时间、内容和项目等，生成报警事件汇总表。

   （3） 报告，按时、日、月生成各种统计报表，也可根据操作员的指令随时生成各种报表。

    4.4 组态软件人机接口

   图形界面是最主要的人机接口，全部人机交流信息均显示于画面上。画面显示作为计算机监控系统主要功能之一。画面种类包括各种系统图、棒形图、曲线、表格、提示语句等，画面清晰稳定、构图合理、刷新速度快且操作简单。

    （1）系统图：各种电气接线图、水系统图。系统图实时显示出运行设备的实时状态及重要参数的实时值。

    （2）棒图：泵组、线路的有功功率、无功功率等参数。

    （3）曲线图：电压曲线、频率曲线、给定日负荷曲线及各类模拟量变化曲线。

   （4）表格：各种运行参数、参数给定值、特性表、各种整定值及整定值变更统计表、各类报警信息统计表、操作统计表、各类运行报表、运行日志、操作票等。

    （5）提示语句：开、停机操作指导等各类提示信息等。

    东江与水库联网供水水源工程作为东莞市的重点水利工程，关系着东莞居民的生活用水和企业工业生产用水的供应。泵组和公用现场控制单元选用S7-400系列PLC并作冗余设计，不但能满足复杂化、大容量、高配置的设计要求，而且能提高现场控制单元安全性和可靠性，以保证系统稳定运行。公用辅助设备和闸门现场控制单元选择了非冗余S7-300系列PLC，兼顾了可靠性、先进性和经济性。控制系统配置适当、简单扼要，经济实用，使系统整体具有极高的性能。采用西门子WinCC组态软件，稳定可靠，功能强大，界面友好，为东江与水库供水水源工程提供稳定、可靠、完美的操作平台。

    参考文献：

    [1]方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京：中国电力出版社，2004.

    [2] 柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M]．北京：机械工业出版社，2006．

    [3] 史国生.电气控制与可编程控制器技术 [M]．北京: 化学工业出版社，2003．

    [4] 张凤珊.电气控制及可编程序控制器[M],2版．北京: 中国轻工业出版社，2003．

    [5] SIEMENS WinCC手册 [M]．西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2004．

    [6]苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M],2版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

    [7] 邹彤.WinCC组态软件的编程技巧[J].化工自动化及仪表.2001.

    孔令聪（1976-）

    男，工程师，长期从事水利工程建设工作，研究方向为水电站及泵站的自动化控制。

   曾祥东（1975-）

   男，工程师，长期从事水利工程设计工作，研究方向为水电站及泵站的自动化控制。

   刘 斌（1968-）

   男，工程师，长期从事自动化工程建设工作，研究方向为水电站及泵站的自动化控制。   

   摘自《自动化博览》2012年第三期