澡港水利樞紐自動化控制系統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.自動化系統改造概述

澡港樞紐泵站安裝2 臺套2500ZLB20-2型立式半調節軸流泵，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引、排水功能。節制閘為開敞式水閘，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改造，對泵站、節制閘自動化系統進行了全部更新，改造完成后實現了全站微機監測、微機監控、微機保護，具備數據庫管理、系統咨詢等功能。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.自動化系統的主要組成及技術分析

新的自動化系統采用兩級控制的方式，第一級為現場LCU柜控制模式，第二級為上位機控制模式，網絡拓撲結構采用環網模式。

2.1 自動化系統現場主要設備

自動化網絡結構圖

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

2.2 控制模式及組成原理

第一級為就地控制級，現場LCU柜控制模式控制權限較高，可完成對各自設備的數據采集、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，這種現場分散式控制系統的優點就是對每臺套主輔機系統進行獨立的控制和保護及數據采集，互不干擾。也為單臺機組的停機檢修提供便利。現場智能采樣單元、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，并通過主監控交換機與上位機通信，將采集到的數據傳送到上位機。現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。中央控制級權限較現場控制級低，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采集回來的數據進行處理、建立實時及歷史數據庫、報警、事件記錄并執行控制操作。而監控交換機就如一座橋梁，把現場設備和上位機緊密聯系起來，進行數據交換和傳輸，通過與控制服務器的相互配合，對整個系統進行監測、監控，確保系統運行狀態安全。通信工作站作為現場的數據中樞，它負責實現協議轉換，同時肩負著向當地數據服務器和調度數據中心傳遞信息的功能。通信工作站采用32位RISC CPU架構，可實現高速處理通信數據，并通過專用總線與站控層通信。衛星同步主機采用CPU單片機控制，同時跟蹤衛星，并按照相應的格式經串行分別輸出日期、時間、周波鐘、工頻量等信息，具有精度高，穩定性好等特點。中央控制級就是一個資源整合的系統，通過對各個設備的監測、聯動控制形成一系列自動化操作流程，向操作人員提供優化運行方案，自動進行控制和調節，以提高設備運行的安全系數和利用率。

二級平臺屬于泵站管理級，屬于泵站管理單位的計算機網絡，與自動化系統數據中樞連接。與上位機不同的是，它只能接收自動化系統的實時數據和歷史數據，而不能發出控制信號。各層管理人員可以隨時觀察泵站的運行狀態進行管理，提供泵站運行調度方案。

3.自動化系統的主要功能

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系統供電線路的倒閘切換，主輔機系統、節制閘液壓系統以及泵站液壓系統的單機控制和聯動控制。

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對閘門LCU柜及主機組LCU柜的聯動控制，當主機泵發生故障時，啟動緊急停機功能，在緊急停泵的同時關閉相應出水門截流，防止因內外河水位差過大時主機泵出現逆轉逆流現象。

3.4 監測功能

對泵站、節制閘各設備的運行狀態、運行參數、開關量、模擬量等進行實時數據采集、數據處理，并在中央控制室顯示和打印。

3.5 事故報警功能

若設備出現不正常運行狀態時，自動化系統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象、原因以及時間，同時在打印機上打印，并登陸在數據庫事故清單內，可以按要求查閱和調用。

3.6 設備的協調控制及優化運行

上位機可根據機組的運行工況，如最大流量、最高效率、最低能耗等，再結合樞紐內外側水位差，將采集的數據進行分析，通過對泵站、節制閘的測控完成聯動運行。在運行過程中，對設備進行跟蹤、動態控制，以達到優化運行的目的。

3.7 數據庫管理

主要是歷史信息的管理和歸檔，分為事件和數據。事件是運行事件和系統操作，如全部的控制命令和結果、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。數據則主要為采集的模擬量，如電氣、水位、溫度等參數，會生成各種報表、曲線圖、統計表格和記錄等。

3.8 系統和設備結構的直觀顯示

在中央控制計算機界面上，值班員可以看到自動化網絡和視頻監控網絡的拓撲結構，配電線路、主、輔機等各種設備的運行狀態和系統結構。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和原理。

3.9 雙機互為主備支持系統運行

為了整個系統的可靠運行，防止數據丟失，中央控制級計算機采用雙機熱備用，一旦其中一臺主機發生異常，另一臺依然能夠對整個系統實時監測、監控，并保存歷史數據。

3.10 視頻監控功能

視頻監控系統采用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，且可以調取歷史記錄。

4.結語

自動化系統投運以來，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化。自動化系統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。筆者認為可以優化為分階段提閘門的自動控制流程。當內外河水位差過大時，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、新技術的發展，未來的自動化控制系統將日趨完善，合理科學利用自動化系統，對城市防洪抗旱、區域水環境治理有著深遠影響。