GE PACSystems和Proficy在广州市荔湾区群闸(站)联控系统工程应用

• 关键词：GE,PACSystems,Proficy,水利
• 摘要：本工程主要对荔湾区水利部门管辖下的所有水闸泵站（约51个）的自动控制系统进行建设，达到“无人值守、少人值班”的要求，并通过专用网络结合成一个有机的整体

项目名称
        广州市荔湾区群闸(站)联控系统工程
应用背景
        广州市委、市政府十分重视广州城市水利设施的建设，历年来投入了大量的人力物力。04年以来，加快了城市水利建设步伐，启动了被称为“民心工程”城市截污和河涌整治工程。省市两级政府将实现河涌“通畅、整洁、堤固、岸绿”，改善河涌水质，实现河涌返清作为城市发展目标之一。
        本工程所在地位于广州市荔湾城区，荔湾区拥有“十里江岸、百里河涌”，是全市唯一具有一江两岸的中心城区。其中珠江主干堤岸线长达25km，与番禺、佛山南海等地区相邻的外江堤围长20km；区内河涌众多，纵横交错，其中主要河涌54条，总长94.752km。水资源是荔湾过去、当前和将来蓬勃发展不可或缺的重要元素。因此，荔湾区政府着手实施“五环、六线、群闸联控、调水补水”的水系综合整治策略，其中“五环”指芳村围、海龙围、葵蓬围、大坦沙、荔湾北片，也是本项目五个分控中心所在地，“六线”指花地河、大沙河、剑沙涌、沙涌、东塱涌、塞坝涌，希望通过水闸的联合调控，统筹调水补水，实现水环境的根本改善。本项目正是配合广州市政府制订的城市发展规划，与河涌综合整治工程相配套，为落实河涌水质改善和河涌返清计划，解决截污工程实施后河涌缺水、流速降低、河涌水质变坏的问题，而进行的针对全区51座水闸、36座泵站进行自动化、信息化建设，联调联控群闸、泵；在满足城区防洪排涝、确保水安全的基本要求下，充分利用珠江潮汐变化实现河涌补水、加快河涌水流速度，最终实现“调活水体、河涌截污、保持河道景观水面”的综合治水效能。

客户需求
        本工程主要对荔湾区水利部门管辖下的所有水闸泵站（约51个）的自动控制系统进行建设，达到“无人值守、少人值班”的要求，并通过专用网络结合成一个有机的整体。荔湾区群闸联控系统按水系划分为1个总控制中心、5个子系统（每个子系统各有一个分控中心），广州市荔湾区闸（泵）站群联控系统-芳村下围子系统、大坦沙岛子系统、葵蓬围子系统、海龙围（一期）子系统、海龙围（二期）子系统、芳村围北片子系统工程。主要工作内容包括：
（1）现地自动控制系统：对辖区内水务部门管辖下的各个水闸或泵站或水闸泵站建立水雨情监测系统、现地自动化控制系统、视频监控系统，实现闸门、排涝泵站、高低压电气设备等现地自动控制。
（2）分控制中心：建设符合经专家评审通过的《荔湾区闸（泵）站群联控系统初步设计》的计算机网络，综合布线包括室内布线和至各水闸泵站的线路铺设，监测控制所在区域的每个水闸泵站。
（3）总控制中心：建设符合经专家评审通过的《荔湾区闸（泵）站群联控系统初步设计》的计算机网络，综合布线包括室内布线和至各分控制中心的线路铺设，通过分控制中心远程监控每个水闸泵站。系统建成后具备联合调度所需各种功能，如：远程监控、视频、音频传输功能等。
（4）通信网络建设：建设各分控制中心与所辖各水闸泵站通信网络；各分控制中心与总控制中心通信网络；并采用光纤冗余环网结构建设。

解决方案
        荔湾区群闸（站）联控系统建设范围涉及51多座水闸泵站的自动化控制系统建设、5个分控中心、一个总控中心、光纤通信网络、软件应用平台的建设，这是一个从点（单座闸、泵站）到片（由水系所联系的围）到面（全区的联调联控）的多层次三级指挥调度控制系统；系统采用当前先进的DCS（Distributed Control System）分层分布式结构，分为总控中心CDCC(总控制中心设在荔湾区三防指挥中心，位置在海龙围花博园E水闸)、分控制中心DCC、现场站控系统SCS、通信网络COMM。
系统如图：

闸泵站站控系统、分控制中心、总控制中心和三防部门之间的关系如下图。
  

水闸（泵站）现场站控系统（SCS）
       站控系统由监控子系统、视音频子系统和网络子系统构成,
       闸泵站现场站控系统（SCS）是总控制中心和分控制中心的现场信息采集站、调度指令执行站和现场控制站闸泵站,现场站控系统（SCS）建成后的闸泵站运行操作可实现“无人值班，少人值守”的目标。结合本项目的工程实际，采用GE PAC Rx3i作为水闸（泵站）现场站控系统（SCS）核心功能单元，PAC具有工业以太网标准接口可方便的接入通信网络实现远程通信，可进行远程监视、诊断、维护，提高设备的可靠性；在编程语言上采用IEC61131-3规约，可采用文本、结构化、梯形逻辑等多种语言编程，可提高编程效率和程序的可维护性；可通过标签方式定义I/0点对于复杂控制过程编程及变量管理带来极大的便利。为了现场操作，同时将现场监控数据和现场视屏信号集成到同一平台，每个现场水闸（泵站）现场操作站采用iFix软件。
水闸（泵站）现场站控系统（SCS）功能
（1）操作方式选择功能
站控系统有四种操作方式，并且要求控制箱面板上的人机界面明确指示当前操作方式，提供形象生动的操作界面。
① 人力启闭操作方式（只有水闸需要），操作权限最高
② 机旁操作方式，权限第二
③ 界面操作方式，权限第三
④ 远程操作方式，权限第四
（2）具备工情、水情、雨情自动采集功能
        现场各种数据采集，按规定全部自动完成。应采集工情信息包括：水闸、水泵主要配电装置（如供电回路的自动空气开关、主回路接触器和启闭机电机断路器、接触器、热保护器等）的状态、电流、电压、有功功率、有功电度等；水闸的闸门位置检测信号、上下限开关信号、极限开启开关信号、闸门锁定装置检测信息、泵机温度监测、压力信号等。水雨情自动监测。
（3）实时运行信息自动采集功能
        水闸、水泵实时运行信息包括：闸门开启、关闭信息；泵机起动、运行、旁路、停止信息；运行过程中报警信息，如：启动回路、关闭回路故障信息、接触器烧结信息、闸门位置检测光电开关信号、故障信息、轴承温度、电机定子温度异常、拦污栅阻塞等。
（4）系统诊断功能
①  充分利用工控设备（如：可编程控制器、视频矩阵、智能模块等）提供的自诊断功能，提取有用信息；
②  提供系统特征值、特征状态检测点，可利用万用表等检测设备方便进行系统检测，通过检测值即可判断系统运行状态，提供便利的系统维护；
①  利用站控子系统工业平板计算机提供一键式系统诊断功能，并提供诊断 报表；
② 提供远程故障诊断功能；
分控制中心（DCC）
       分控制中心是子系统信息汇聚和监控处理中心，担负相关水系监控系统运行管理、数据分析处理、信息发布等任务。主要由计算机网络系统、通信网络接入、实时图像处理系统、软件系统等构成。主要设备有数据采集服务器（运行SCADA软件）、在线监控计算机、离线管理计算机、实时历史数据库服务器、视频网络管理服务器、视频网络录像服务器、语音服务器、汇聚交换机、视频显示监控设备、UPS等。分控中心采集服务器、操作员站软件采用iFix软件，实时历史数据库软件采用Proficy Historian。                               
各分控制中心功能
（1）数据采集和处理功能
① 分控制中心计算机监控系统可实时采集所辖各现场闸泵站站控系统的电气量和非电量，包括模拟量、开关量和脉冲量。
② 采集、记录、查询各类操作和事故下的事件动作顺序记录，可进行事件追踪分析。
③ 对过程数据进行趋势分析和过程曲线表示。
④ 分控制中心对采集到的信息进行有效性验证、处理和数据传输的差错控制，形成整个监控系统运行所需的有效的、正确的数据，并将数据存入历史数据库。
⑤ 自动更新实时数据库、刷新显示画面的前景数据和画面中的状态指示。
⑥ 对监控系统获得信息进行分析管理，进行统计、记录、打印和数据存储备份。
（2）值班监视功能
        分控制中心可对所辖闸泵站的机电设备（如：泵机、闸门、附属设备等）的运行数据、状态及现场环境进行监视。一旦系统或监控对象情况异常，即发出报警。并且对不同故障报警做出及时响应，主要故障报警如下：
① 闸门锁定机构不动作
② 锁定机构未释放
③ 闸门关闭达到最低限不停机
④ 闸门冲顶
⑤ 发出停止信号后启闭机不停机
⑥ 水泵电机超稳温度
⑦ 水泵电机正常运行时过电流
⑧ 拦污栅前后水位差超过规程要求
（3）实时控制功能
        运行管理人员通过分控制中心监控工作站键盘、鼠标向各站控系统发出操作指令，实现对闸门、泵站机组和配电设备的控制。事故处理和控制指在非紧急情况下（如事故停电）按预定程序进行事故处理的自动控制与调节。
（4）人机交互功能
        通过显示器、键盘、打印机、语音通话和语音警示装置、大屏幕显示器等设备进行人机沟通，使值班操作员对运行过程进行安全监控、管理，以及进行监控系统的内部测试、参数设定，程序开发、修改。
    1）语音报警装置：提供音响/语音报警、语音对话等。
    2）记录：所有运行数据、设备的操作事件、报警事件及报表等都存储在数据库，并可在显示器上显示记录并打印。
    3）打印：打印分为定时打印、报警打印及召唤式打印等。打印记录的主要内容为操作记录、报警事件记录、趋势记录、事故追忆和相关量记录以及各种定期报表、报告。报表、图形使用的文字为中文简体，并使用国际度量单位。
    4）屏幕显示：
    监控工作站对所辖监控对象的各种运行参数、设备状态、事故和故障信号等以数字、文字、图形、表格的形式组织画面并动态显示。
    5）统计和报表
    打印记录主要内容为操作记录，报警事件记录，相关量记录及各种定期报表、报告。
    6）用户访问和操作显示功能
    分控制中心根据管理运行需要设置用户权限和规定不同用户组，通过对来访者的不同身份进行不同的授权和活动区限制，实现系统的安全运行和系统维护，及责任界定。
    7）系统诊断功能
    计算机监控系统应能提供系统硬件设备诊断和软件故障诊断。硬件诊断主要通过硬件自带指示灯状态进行，站控系统有专门状态检测板可通过万用表进行检测。软件诊断通过设备自带诊断软件、专门编写的故障诊断软件进行诊断。
总控制中心（CDCC）
        荔湾区群闸联控系统总控制中心是系统的神经中枢，通过总控制中心建设为联控系统提供远程监控平台。荔湾区群闸联控系统总控制中心以全区水闸、泵站为监控对象，确保能调能控；实现自动信息采集、存储、传输及控制应用，并充分与相关层次的数据信息进行共享；实现满足日常运行管理要求的远程遥测、遥控、遥视功能。
        荔湾区群闸联控系统总控制中心下辖5个分控制中心和51个闸泵站站控系统， 数据种类主要包括：水闸闸门运行参数及工况、水泵运行参数及工况、水文数据、系统运行故障报警信息、视频监视信号、相关水利工程设施考证数据、系统联合调度运行参数、系统相关设备考证数据等。日后可能增加水质监测系统而产生的水质监测数据。
        荔湾区群闸联控系统总控制中心为联控系统提供数据采集、存储、显示、远程监控和监视、信息共享及信息发布等服务，是联控系统的指挥中心和决策调度中心。系统的各项任务和功能主要通过构成中心的计算机网络、显示设备、功能软件和专门软件有机结合实现。总控制中心主要有以下部分组成。
① 监控子系统：实现联控系统远程监控、数据采集、处理、存储、故障信息管理等所有监控任务。
② 公共管理子系统：对系统运行数据进行符合管理需求图表生成、历史数据查询及打印、与外部（如：相关主管部门）进行信息交换和共享，完成系统运行数据的存储处理、相关水利工程和系统本身各种考证数据的录入、更新、保存等任务。
③ 视音频子系统：提供系统视频服务、视频监视、远程操控、语音对讲及喊话等服务。
④ 显示子系统：系统由投影仪、大画面显示器及相关设备构成，为其他子系统提供显示服务。
⑤ 通信网络子系统：提供高速网络服务，为各种数据传输提供可靠保证。
⑥ 软件平台：软件平台由各种系统软件、专业监控软件构成，满足系统中提出的各种功能需求。
⑦ 电源子系统：为系统提供稳定供电。
        总控中心监控子系统由2台数据采集服务器、2台监控工作站、实时历史数据库服务器、WEB应用服务器、工业光纤交换机等组成。数据采集服务器利用工控组态软件iFIX，在接口程序支持下从现场站控系统PAC控制器获得实时数据（控制指令发送方向相反），并即时记录在自带实时数据库中。监控工作站在iFIX iClient软件支持下自动从数据采集服务器获得实时数据，并在监控软件的支持下实时动态模拟显示监控对象的运行状态，并根据监控状态或数据数值变化，触发相关事件程序完成数据存储、动作指令发出、报警信号发出等动作。
        荔湾区全闸联控系统规模大数据量多，数据实时性要求高，数据库性能直接影响系统运行效率，数据服务是整个监控系统系统的基础，它不仅能将运行过程的实时数据采集上来，还要将它们以其基本形式（控制系统采集的时间间隔、精度等）保存下来，并且满足不同的授权用户和应用程序为实现不同目的而进行的调用。因此，数据库采用GE实时历史数据库Proficy Historian.

实施结果
        广州市荔湾区群闸(站)联控系统工程经过近2年的施工建设已于2012年4月投入试运行，采用PAC Rx3i 和Proficy 软件平台开发的监控系统具有实时数据采集、集成控制、图形化操作等功能，监控软件界面如下，该软件现处于24小时值班运行状态。