南水北调宝应站模型仿真培训系统的研究与应用

孙 毅，张 晖，王连强，陈北帅，刘 芳，潘月乔

（1.南水北调江苏泵站技术有限公司，江苏 扬州 225000；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司扬州分公司，江苏 扬州 225000；3.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）

传统水泵与水泵站业务培训存在理论知识晦涩难懂、教学培训时间长、培训质量不高等问题。从技术方面来看，水泵及水泵站的业务培训存在以下几种缺点[1-2]：①理论授课较为枯燥乏味，即使配合实物图片，依旧没有实物教学效果出色；②在泵站现场参观教学也只能看到水泵主机及辅机系统的外壳，无法直接看到其内部构造和作用；③泵站工程中油、气、水、电等各个系统的组成、功能、原理、结构、位置、控制及走向也无法直观看到，仅从相关图纸学习，难以形成立体的印象；④水泵机组的解体检修培训，一般是通过跟现场、师带徒的方式，耗时费力，培训效率低下。从大中型泵站业务培训的管理来看：①随着大型泵站的应用越来越广泛，对水泵及泵站的业务培训需求不断增多；②泵站管理单位当前培训方法存在需求不明确的问题，缺乏成熟有效地培训体系，将课程内容割裂开，导致课程之间缺少合适地衔接，培训效果不够理想。

综上所述，改进和完善泵站业务的培训方式十分必要。本文提出了一种以实物模型为基础、开发上位机泵站系统智能仿真的培训方式，实物模型以南水北调宝应站为原型参照，智能仿真应用了西门子PLC 及与其配套的WinCC 上位机开发软件，采用Surface+大屏触控一体机与实物模型灯带相结合的演示方式。系统整体方案如图1 所示，上位机开机流程图如图2 所示。

图1 系统整体实施方案

图2 上位机开机流程图

1 系统硬件

1.1 宝应站模型制作

宝应站模型的制作思路是将泵站实体以不完全相似比例缩小，力求接近实际的产品。模型主要用来表达、研究泵站的形态与结构、各种构造性能、人机等关系。模型的各部分组件的尺寸与机构上的相互配合关系都严格按照设计要求进行制作。

模型内容包括宝应站水泵电机模型、水工建筑物、辅机设备等，模型各部分以不同颜色的灯光表达油、气、水、电系统的走向。进、出水流道包括进水流道进口至出水流道出口之间的全部流道，材质均为透明有机玻璃。且厂房采用了剖面的体现形式，楼层之间采用透明结构可直观体现设备，模型的整体制作大方美观，体现了可视化的特点，十分有利于培训教学。宝应站实物展示模型如图3 所示。

图3 宝应站实物展示模型

1.2 PLC 的选择

PLC 的语言以梯形图为主，梯形图具有编程简单、易于理解的优点。对计算机监控系统的仿真，主要是模拟一切在真实的系统中能进行的任何操作。包括开、停机，开关的分合闸操作及出现故障后的处理等，这些功能都可以通过编写PLC 程序来实现，但并不是简单地将原计算机监控系统（宝应站）的程序照搬过来，因为两者在原理上有较大差别。实际计算机监控系统的PLC 程序中许多的信号都是从实际传感器硬接点而来[3]，还有一部分信号则是从通信系统接来的；而在仿真系统中，这些系统都只能人为地进行初始化（或者从实际系统中读取），赋予初值，然后通过一定的逻辑关系输出显示结果，也就是对真实的仿真对象逐一建模。一些PLC 主要生产厂家见表1。

表1 一些PLC 主要生产厂家

PLC 的选型原则主要为：

1）生产厂家的选择；

2）输入输出（I/O）点数的估算；

3）PLC 存储器容量的估算；

4）PLC 通信功能的选择；

5）PLC 机型的选择；

6）I/O 模块的选择；

7）特殊功能模块的选择。

1.3 PLC 的功能实现

本培训系统PLC 选用德国西门子股份有限公司SMART 系列的SR60，其具有输入量36 点，输出量24点，另外扩展二块数字量输入模块EM、DE32 具有输入量16 点，输出量16 点，完全可以满足系统要求。

对宝应站计算机监控系统进行仿真，要实现的主要功能包括对泵站110 kV、10 kV 及400 V 电压等级开关的操作培训，主变、站变的操作培训，开停机和机组事故停机的操作培训等。同时对可能发生的主要故障或者事故进行模拟[4-5]，对此进行分析研究，增加学员对泵站工程的理解和面对异常情况的安全知识。PLC所要实现的主要功能为：

1）监测与接收大屏触控一体机和Surface 的输入信息；

2）实现主机与各辅机系统控制流程监测与输出逻辑控制；

3）仿真故障发生控制处理与报警输出；

4）与上位机通信，实现程序报警、控制画面推送与动态控制流程仿真。

2 系统软件

WinCC 是专用于西门子PLC SIMATIC 人机界面（HMI）的组态，其有着一套完备的组态开发环境，并提供类C 语言的脚本。其内嵌OPC 支持，可对分布式的系统进行组态。宝应站电气主接线图组态界面如图4 所示。

图4 宝应站电气主接线图组态界面

上位机软件主要编写的界面为宝应站机组运行主监控界面，包含机组运行状态与信号、电机温度和上下游水位的实时监测，打开模型控制键可实现宝应站模型灯带显示的单步操作或一键启停，具有主机超速、冷却水中断、瓦温过高和差动保护跳闸等一系列红灯报警，实现站变和所变投入的机械互锁功能。在现地手动状态时，上位机的输入信号对模型灯光不起作用，主要操作模型中自带的手动按钮[6]；当远程状态时，可实现大屏或Surface 信号输入实时灯带变化。另外还具有宝应站电气主接线、低压系统、风机系统、供排水系统、油系统、气系统、水位和实时报表的仿真界面，WinCC的主要功能拓扑图如图5 所示。

图5 WinCC 主要功能拓扑图

3 系统开发

为了保证机组运行仿真计算机控制系统达到与宝应站机组实际的运行效果，在模型已有的输入输出量的基础上，采取较多的仿真模拟场景，通过开发平台设置较多的中间变量来触发实际运行的采集量、故障等来达到机组运行的仿真效果[7]。也就是说，开发出的最后系统要求达到与机组实际运行基本相同的效果，具备与机组实际运行相同类似的功能、界面与故障报警等。

通过对现场模型开关面板的改装，现场模型所设置的操作开关面板所有信号接入到PLC 中，通过相关的机组运行逻辑控制再输出模型的灯光带，同时不影响模型原来的手动所有功能；机组实际运行可能发生的报警与故障，通过软件系统设置变量来完成。同时，利用模型开关面板上的备用开关来设置模型的手动/自动切换开关，处于手动位置时，具备原模型的基本功能，并且所有手动操作被计算机系统所监测。处于自动位置时，由系统程序控制，所具备的模拟功能与实际机组功能基本一致[8-9]。

为了保证效果，现场设置一套大屏幕触摸系统，所有系统的界面与操作都可以在大屏幕上实现。

4 结束语

以南水北调宝应站为原型制作实物模型，并基于PLC 及其配套组态软件WinCC 智能仿真宝应站机组和辅机系统运行，通过不同颜色的灯带及灯光展现各个系统的工作状态和流向，具有出色的直观性和新颖性。其主要有以下的创新点：

1）制作了泵站实体模型来模拟泵站工程运行系统用作培训；

2）制作了泵站工程系统全景模型，以单个显示灯及流水灯带走向的形式模拟机组油、气、水、电的走向及过程控制；

3）采用Surface 和大屏演示一体机结合的培训演示方式，培训方式灵活多样。

系统也存在着一些不足之处：

1）手持式Surface 在装载服务器系统运行组态软件的情况下，启动与运行速度较慢；

2）缺少液压闸门与拍门的联动演示，系统的功能还需进一步加强。

通过南水北调宝应站模型仿真培训系统的实际教学应用，经过统计得出：学员的结业考试成绩提升约50%，培训满意度调查满意率提升约40%，培训效果显著。