位于北京西北郊的屯佃泵站監(jiān)控機(jī)房內(nèi)，合肥三立自動(dòng)化工程公司的工程師汪皓一邊眺望著窗外那條奔流向前的京密引水渠，一邊不時(shí)關(guān)注著一旁調(diào)試控制柜通訊的同事。合肥三立是國內(nèi)水利領(lǐng)域最大的自動(dòng)化集成商之一。

屯電泵站是北京密云水庫調(diào)蓄工程9級(jí)提升泵站的第1站，也是我國南水北調(diào)中線配套工程的一部分。而在已經(jīng)通水的南水北調(diào)中線干渠工程中，汪皓所在的合肥三立同樣也是最主要的閘站監(jiān)控系統(tǒng)電氣集成商之一。

在這樣一個(gè)事關(guān)近1億人口的國家級(jí)重大水利工程中，平穩(wěn)、精確和可靠，以及快速響應(yīng)是監(jiān)控系統(tǒng)的首要要求。如何選擇一套優(yōu)秀的自動(dòng)化控制解決方案，如何找到一家值得信賴的自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商，是合肥三立上上下下乃至工程建設(shè)管理方關(guān)注的焦點(diǎn)——西門子很快進(jìn)入了他們的視野。

密云水庫調(diào)蓄工程完成后，來自湖北丹江口的富余南水將經(jīng)由京密引水渠，反向輸水至密云水庫儲(chǔ)存。

圖為京密引水渠。

平穩(wěn)而精確的自動(dòng)化

南水北調(diào)中線的干渠工程以明渠為主，利用南北水位落差實(shí)現(xiàn)自流。它南起湖北與河南交界處的湖北丹江口水庫，一路往北，直達(dá)北京的團(tuán)城湖和天津外環(huán)河，全長1432千米。

作為一項(xiàng)跨流域、長距離的特大型調(diào)水工程，它擔(dān)負(fù)著為北京、天津、石家莊、鄭州等19座大中城市及100多個(gè)縣市供水的重大任務(wù)。

干渠工程除了要保證正常輸水，還要考慮到工程安全、水質(zhì)安全、防洪預(yù)警、運(yùn)營管理等問題。因此，它具有自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)龐雜等特點(diǎn)，需要對(duì)沿線的眾多節(jié)制閘、工作閘、退水閘、分水閘等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)閉環(huán)控制。

根據(jù)丹江口水庫供水的情況和沿途需水申請(qǐng)，水量調(diào)度系統(tǒng)確定實(shí)時(shí)調(diào)度方案。閘站聯(lián)合控制模型根據(jù)調(diào)度方案和當(dāng)前渠道供水狀況，給出各個(gè)閘門的開度控制指令。閘站監(jiān)控系統(tǒng)將這些指令自動(dòng)下達(dá)到相應(yīng)的閘孔，控制閘門啟閉。指令執(zhí)行后的渠道輸水狀態(tài)也將反饋給閘站聯(lián)合控制模型，提出新的修正指令，直至平衡實(shí)現(xiàn)調(diào)度指標(biāo)，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制。

合肥三立攜手西門子為干渠工程的刁河至穿黃南段實(shí)施了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，占干渠全長約1/3。其中，82套西門子SIMATIC S7-400 控制柜（含降壓站遠(yuǎn)程1/0），對(duì)82個(gè)現(xiàn)地閘站實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)化控制，以保持水流平穩(wěn)。

“這樣大規(guī)模的調(diào)水項(xiàng)目對(duì)控制的精度要求非常高。比如常見的液壓閘門提升精度在設(shè)計(jì)上要求達(dá)到毫米級(jí)，才能做到閘前的設(shè)計(jì)水位控制。而西門子設(shè)備能夠很好地達(dá)到這樣的技術(shù)要求，幫助實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定。”汪皓表示。

這些控制柜中，有34套干渠主道閘站的冗余系統(tǒng)采用CPU412-5H，其余48套干渠支道閘站非冗余系統(tǒng)采用CPU412-2，同時(shí)西門子還提供了216套分布式遠(yuǎn)程I/O模塊。

通過現(xiàn)地監(jiān)測、控制等自動(dòng)化設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控閘站的引退水信息和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，SIMATIC S7-400控制系統(tǒng)指引著南水北游。冗余的配置、可靠的產(chǎn)品，以及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)讓南水北游之路變得更加智能、安全、順暢。

除了控制設(shè)備之外，西門子還為干渠的石家莊至北京段提供了12套大口徑電磁流量計(jì)，口徑從DN800到DN1600，為進(jìn)京水量提供了安全穩(wěn)定的測量。

西門子控制設(shè)備對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)化控制，幫助將南水加壓提升。圖為密云水庫調(diào)蓄項(xiàng)目屯佃泵站。

快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸

南水到達(dá)北京團(tuán)成湖，在滿足北京的用水需求后，如果還存在富余，將經(jīng)由京密引水渠反向輸水103公里至密云水庫存儲(chǔ)。

由于密云水庫地勢較高，富余的南水得經(jīng)過9級(jí)泵站加壓，“爬高”高站加米，才能喝進(jìn)密云水庫的“肚子”里。

相對(duì)于干渠上的閘站控制，正在建設(shè)中的密云水庫調(diào)蓄項(xiàng)目的泵站監(jiān)控更為復(fù)雜。它要實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵、閥門、閘門、清污機(jī)等相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)地電動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，同時(shí)要快速可靠地采集水位、流量、壓力、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、閘門啟閉狀態(tài)、電流、電壓、溫度、各類保護(hù)信息和告警信息等等，并對(duì)主要電氣參量進(jìn)行監(jiān)測。

“此外，還要對(duì)輸水過程中重要控制點(diǎn)的水質(zhì)信息進(jìn)行快速采集和實(shí)時(shí)傳輸，以及對(duì)滲壓、土壓、測縫、地下水位進(jìn)行工程安全監(jiān)測，頻次高、數(shù)據(jù)量大。”汪皓說。

“因此，我們采用了約60套西門子過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS 7 AS410，同時(shí)在通訊方面集成了Profibus總線和Profinet以太網(wǎng)接口，尤其適于這類有眾多過程變量監(jiān)控要求的環(huán)境，而且性能方面完全滿足甚至超出工程需求。”合肥三立項(xiàng)目總監(jiān)蔣厚祥表示。

SIMATIC PCS 7 AS410控制設(shè)備不僅穩(wěn)定可靠，而且響應(yīng)速度快，完全能夠做到狀態(tài)點(diǎn)采集周期小于1秒，采集數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的時(shí)間小于2秒，而且可靠性高。CPU模塊平均無故障間隔時(shí)間大于10萬小時(shí)，投運(yùn)后系統(tǒng)可利用率大于99.9%。

在閘泵站這類關(guān)鍵設(shè)施的監(jiān)控系統(tǒng)中，冗余是一大挑戰(zhàn)，也是保護(hù)設(shè)備和可靠傳輸數(shù)據(jù)的根本保障之一。SIMATIC PCS 7 AS410便具有雙機(jī)熱備及冗余現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，即機(jī)架、電源模塊、CPU模塊、同步模塊等采用完全相同的配置，網(wǎng)絡(luò)通訊同樣采用冗余配置。這樣即便其中一段網(wǎng)絡(luò)故障終止工作，也會(huì)有另一段網(wǎng)絡(luò)被激活使通訊功能暢通。

在自動(dòng)化工程項(xiàng)目中，發(fā)生數(shù)據(jù)通訊故障的原因往往在于來自多個(gè)供應(yīng)商的不同自動(dòng)化產(chǎn)品之間的通訊問題，或是新建泵站與原有閘站設(shè)備之間的集成問題。

“我們要在很短的時(shí)間內(nèi)解決新建的泵站與原有的閘站監(jiān)控設(shè)備、儀表之間的集成和通訊，系統(tǒng)兼容性要好。”汪皓認(rèn)為這也是實(shí)現(xiàn)快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

SIMATIC PCS 7 AS410控制器向上通過冗余的Modbus -TCP和工業(yè)交換機(jī)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第三方工控機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄的功能。另一方面現(xiàn)場采集的閘門開度儀、電動(dòng)執(zhí)行器以及其他基于各種通訊方式的儀器儀表設(shè)備的狀態(tài)信息通過RS485 Modbus上傳到分布式I/O從站，并通過冗余的Profibus-DP協(xié)議傳輸給控制器。

西門子設(shè)備之所以具有較強(qiáng)的兼容性，源于提供的支持第三方通訊的功能庫，使得控制器能無縫接入第三方設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，兼容的網(wǎng)絡(luò)才能保證兼容的系統(tǒng)。

除了密云水庫調(diào)蓄項(xiàng)目之外，西門子也與合肥三立一起參與了北京、河北的多個(gè)南水北調(diào)中線配套工程。比如北京水源十廠的自動(dòng)化項(xiàng)目也采用了14套西門子SIMATIC PCS 7 AS410控制設(shè)備。

在屯佃泵站，工程師們?cè)谟懻撐鏖T子設(shè)備的調(diào)試問題。

中國南澇北旱，歷時(shí)50多年的南水北調(diào)工程不僅是一個(gè)浩大的世界性水利工程，更見證了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的滄桑巨變。蜿蜒水脈，綿延千里，正需要先進(jìn)而可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)保駕護(hù)航。在這里，西門子正大顯身手。