澡港水利樞紐自動化控制系統(tǒng)組成原理及實際應用

潘雯璽 錢立君 陳飛 常州市長江堤防工程管理處

1.自動化系統(tǒng)改造概述

澡港樞紐泵站安裝2 臺套2500ZLB20-2型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑2.5m,單泵設計流量20m3/s，設計揚程2米，配用TL1000-40/2600型功率1000kW，額定電壓10kV，轉(zhuǎn)速150r/min的同步電機。泵站采用堤身式，快速閘門雙向X型流道，采用X型流道目的就是可以實現(xiàn)引、排水功能。節(jié)制閘為開敞式水閘，全閘一孔，閘總寬22m，孔凈寬16m。底板順水流長217m，設計流量100m3/s。澡港水利樞紐2019年實施了自動化系統(tǒng)改造，對泵站、節(jié)制閘自動化系統(tǒng)進行了全部更新，改造完成后實現(xiàn)了全站微機監(jiān)測、微機監(jiān)控、微機保護，具備數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)咨詢等功能。本次改造采用自動化控制模式的同時，保留了現(xiàn)場手動操作模式，為工程能夠可靠運行提供了有力保障。

2.自動化系統(tǒng)的主要組成及技術(shù)分析

新的自動化系統(tǒng)采用兩級控制的方式，第一級為現(xiàn)場LCU柜控制模式，第二級為上位機控制模式，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用環(huán)網(wǎng)模式。

2.1 自動化系統(tǒng)現(xiàn)場主要設備

自動化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

共有5個LCU控制柜，分別是公用LCU控制柜、兩臺機組LCU控制柜、閘門LCU控制柜以及節(jié)制閘LCU控制柜。每臺LCU控制柜都配置了以太網(wǎng)交換機、可編程序控制器（PLC）、觸摸控制屏等設備，五臺LCU柜和網(wǎng)絡柜通過環(huán)網(wǎng)連接，即使中間某兩組之間的通訊出現(xiàn)問題，依然能和上位機保持良好通訊，大大提高了自動化系統(tǒng)的運行可靠性。5個LCU控制柜通過兩條通訊來路連接至網(wǎng)絡柜，整個通訊連接采用的通訊協(xié)議為Modbus Tcp協(xié)議，LCU柜與網(wǎng)絡柜組成的環(huán)網(wǎng)采用光纖通信，最高運行速度可達千兆。網(wǎng)絡柜通過網(wǎng)線分別與上位機、衛(wèi)星時鐘主機、二級平臺保持通訊，快捷的數(shù)據(jù)傳輸速度讓整個系統(tǒng)運行更加流暢。

2.2 控制模式及組成原理

第一級為就地控制級，現(xiàn)場LCU柜控制模式控制權(quán)限較高，可完成對各自設備的數(shù)據(jù)采集、記錄存檔、處理分析及信息反饋之后的自動控制，每臺LCU柜配置獨立的PLC，這種現(xiàn)場分散式控制系統(tǒng)的優(yōu)點就是對每臺套主輔機系統(tǒng)進行獨立的控制和保護及數(shù)據(jù)采集，互不干擾。也為單臺機組的停機檢修提供便利。現(xiàn)場智能采樣單元、溫度巡檢儀、水位計、開度儀、微機勵磁控制裝置、綜合繼電保護裝置及直流測量儀表等均采用RS485通訊線與通訊工作站連接，并通過主監(jiān)控交換機與上位機通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機。現(xiàn)場設備除了觸摸屏控制模式之外，還設立了電氣控制面板和手動機械操作按鈕，通過多渠道的控制方式，為設備的應急管理提供保障。

第二級為中央控制級。中央控制級權(quán)限較現(xiàn)場控制級低，該級由兩臺控制服務器、一臺通信工作站、一臺主監(jiān)控交換機及GPS時鐘組成。控制服務器負責從PLC采集回來的數(shù)據(jù)進行處理、建立實時及歷史數(shù)據(jù)庫、報警、事件記錄并執(zhí)行控制操作。而監(jiān)控交換機就如一座橋梁，把現(xiàn)場設備和上位機緊密聯(lián)系起來，進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，通過與控制服務器的相互配合，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測、監(jiān)控，確保系統(tǒng)運行狀態(tài)安全。通信工作站作為現(xiàn)場的數(shù)據(jù)中樞，它負責實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時肩負著向當?shù)財?shù)據(jù)服務器和調(diào)度數(shù)據(jù)中心傳遞信息的功能。通信工作站采用32位RISC CPU架構(gòu)，可實現(xiàn)高速處理通信數(shù)據(jù)，并通過專用總線與站控層通信。衛(wèi)星同步主機采用CPU單片機控制，同時跟蹤衛(wèi)星，并按照相應的格式經(jīng)串行分別輸出日期、時間、周波鐘、工頻量等信息，具有精度高，穩(wěn)定性好等特點。中央控制級就是一個資源整合的系統(tǒng)，通過對各個設備的監(jiān)測、聯(lián)動控制形成一系列自動化操作流程，向操作人員提供優(yōu)化運行方案，自動進行控制和調(diào)節(jié)，以提高設備運行的安全系數(shù)和利用率。

二級平臺屬于泵站管理級，屬于泵站管理單位的計算機網(wǎng)絡，與自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)中樞連接。與上位機不同的是，它只能接收自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，而不能發(fā)出控制信號。各層管理人員可以隨時觀察泵站的運行狀態(tài)進行管理，提供泵站運行調(diào)度方案。

3.自動化系統(tǒng)的主要功能

3.1 設備的操作保護

在對設備進行控制操作之前，上位機會根據(jù)各LCU柜采集回來的信息進行邏輯分析，確定該設備是否具備操作條件，防止人為誤操作。對不滿足運行條件的設備，值班員可根據(jù)上位機快速找出原因，通過處理補充條件后，啟動相應設備。

3.2 設備的運行控制

包括對35kV、10kV系統(tǒng)供電線路的倒閘切換，主輔機系統(tǒng)、節(jié)制閘液壓系統(tǒng)以及泵站液壓系統(tǒng)的單機控制和聯(lián)動控制。

3.3 事故的應急處理

中央和就地控制均設置緊急停機功能，這相當于自動化系統(tǒng)對閘門LCU柜及主機組LCU柜的聯(lián)動控制，當主機泵發(fā)生故障時，啟動緊急停機功能，在緊急停泵的同時關(guān)閉相應出水門截流，防止因內(nèi)外河水位差過大時主機泵出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)逆流現(xiàn)象。

3.4 監(jiān)測功能

對泵站、節(jié)制閘各設備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)、開關(guān)量、模擬量等進行實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，并在中央控制室顯示和打印。

3.5 事故報警功能

若設備出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，自動化系統(tǒng)會通過上位機屏顯報警和聲光報警提醒值班員。在上位機上顯示設備的故障現(xiàn)象、原因以及時間，同時在打印機上打印，并登陸在數(shù)據(jù)庫事故清單內(nèi)，可以按要求查閱和調(diào)用。

3.6 設備的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化運行

上位機可根據(jù)機組的運行工況，如最大流量、最高效率、最低能耗等，再結(jié)合樞紐內(nèi)外側(cè)水位差，將采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過對泵站、節(jié)制閘的測控完成聯(lián)動運行。在運行過程中，對設備進行跟蹤、動態(tài)控制，以達到優(yōu)化運行的目的。

3.7 數(shù)據(jù)庫管理

主要是歷史信息的管理和歸檔，分為事件和數(shù)據(jù)。事件是運行事件和系統(tǒng)操作，如全部的控制命令和結(jié)果、報警記錄、設備保護記錄、操作票的清單、操作記錄、值班巡視記錄等。數(shù)據(jù)則主要為采集的模擬量，如電氣、水位、溫度等參數(shù)，會生成各種報表、曲線圖、統(tǒng)計表格和記錄等。

3.8 系統(tǒng)和設備結(jié)構(gòu)的直觀顯示

在中央控制計算機界面上，值班員可以看到自動化網(wǎng)絡和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，配電線路、主、輔機等各種設備的運行狀態(tài)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使操作人員能夠形象直觀地了解到全站設備和自動化的運行狀態(tài)和原理。

3.9 雙機互為主備支持系統(tǒng)運行

為了整個系統(tǒng)的可靠運行，防止數(shù)據(jù)丟失，中央控制級計算機采用雙機熱備用，一旦其中一臺主機發(fā)生異常，另一臺依然能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)實時監(jiān)測、監(jiān)控，并保存歷史數(shù)據(jù)。

3.10 視頻監(jiān)控功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用16個槍機、3個球機通過視頻主干交換機與上位機保持通信，并通過硬盤錄像機存檔。在中央控制計算機界面上可以看到所有站點的設備運行情況，且可以調(diào)取歷史記錄。

4.結(jié)語

自動化系統(tǒng)投運以來，對全站的管理更加科學化、高效化，但在實際運行過程中仍存在問題需進一步完善，如操作流程的設計優(yōu)化。自動化系統(tǒng)設定了泵站有四種運行工況，除了引水和排澇外，還有自引、自排兩種工況，這兩種工況不需要開啟主機泵，只提閘門進行引排水。筆者認為可以優(yōu)化為分階段提閘門的自動控制流程。當內(nèi)外河水位差過大時，設定閘門開啟到較低開度，當水位壓力逐漸減小時分階段提升閘門，直到水位平閘門到全開開度，此方案能夠防止水流流速太快對兩側(cè)水面船只造成走錨、失控等情況，杜絕安全隱患。隨著新設備、新技術(shù)的發(fā)展，未來的自動化控制系統(tǒng)將日趨完善，合理科學利用自動化系統(tǒng)，對城市防洪抗旱、區(qū)域水環(huán)境治理有著深遠影響。