自動化系統(tǒng)在南水北調(diào)臺兒莊泵站中的應(yīng)用

蘇陽 孫路 陳伯渠

摘要：隨著科技發(fā)展的日新月異，泵站逐步向著自動化、信息化、智能化的模式轉(zhuǎn)變。臺兒莊泵站的運行管理目標為“無人值守、少人值班”，而要實現(xiàn)這一目標，就需要有過硬的自動化信息水平。現(xiàn)以臺兒莊泵站自動化系統(tǒng)為例，介紹了泵站自動化系統(tǒng)概況，泵站自動化系統(tǒng)的組成及存在的問題等，并在技術(shù)上進行了一些探討。

關(guān)鍵詞：自動化;控制;泵站;計算機

0? ? 引言

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，泵站根據(jù)實際情況，將各類分散分布式泵站自動化系統(tǒng)各現(xiàn)場輸入、輸出單元部件，分別安裝在高低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近，用以處理各開關(guān)單元的繼電保護和監(jiān)控功能;或是使現(xiàn)場的保護和監(jiān)控部件分別保持相對獨立，在泵站中控室內(nèi)設(shè)置計算機系統(tǒng)，與各現(xiàn)場單元部件進行通信聯(lián)系。

1? ? 臺兒莊泵站自動化系統(tǒng)概況

臺兒莊泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)體現(xiàn)了“安全可靠、功能完善、實用經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)簡單”，在硬件設(shè)計上，采取“集中管理，分散控制”的形式，在軟件設(shè)計上，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使該系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。

計算機自動控制系統(tǒng)采用工業(yè)環(huán)形光纖以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分層分布，分為遠控級、主控級與現(xiàn)地級，各級之間可以進行無擾動切換。系統(tǒng)的控制權(quán)限越靠近設(shè)備，控制權(quán)越高。控制權(quán)順序為：現(xiàn)地、中控室與遠方。遠方控制需經(jīng)授權(quán)才能進行操作。控制系統(tǒng)中設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對程序。系統(tǒng)采用了容錯設(shè)計，保證不會因為任何一個器件發(fā)生故障而引起系統(tǒng)誤操作。

現(xiàn)地級與主控級采用具有冗余功能的環(huán)形光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)交換機選用赫斯曼工業(yè)以太網(wǎng)交換機，交換機具備網(wǎng)管功能，為導(dǎo)軌卡槽式安裝。主控級通過光纖與管理處（局域網(wǎng)）傳送數(shù)據(jù)，同時與南水北調(diào)東線一期工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像傳輸。

遠控級設(shè)在棗莊調(diào)度分中心、省調(diào)中心，通過千兆光纖與泵站自動控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)泵站、清污機閘運行參數(shù)、狀態(tài)等信息采集。

主控級設(shè)于管理處的調(diào)度室內(nèi)，通過管理處局域網(wǎng)將主機組、變壓器、輔機系統(tǒng)、出水閘等機電設(shè)備的實時運行信息與數(shù)據(jù)（如運行參數(shù)、狀態(tài)、水位、流量等）上傳至棗莊調(diào)度分中心。通過控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地級建立通信，在中控室操作站的監(jiān)控畫面上實時顯示現(xiàn)場所有機電設(shè)備的運行狀態(tài)與參數(shù)。

現(xiàn)地控制級是系統(tǒng)最后一級也是最優(yōu)先的一級控制，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機構(gòu)的輸入、輸出信息，采集設(shè)備運行參數(shù)和狀態(tài)信號;向上接收上級主機的控制命令，并上傳現(xiàn)場的實時信息，實施對現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的邏輯控制。

1.1? ? 自動化網(wǎng)絡(luò)

本網(wǎng)絡(luò)采用單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)，考慮到系統(tǒng)冗余的需要，網(wǎng)絡(luò)控制中心采用雙節(jié)點結(jié)構(gòu)，并預(yù)留千兆端口連接至上級監(jiān)控泵站或管理中心。

主干環(huán)網(wǎng)交換機采用德國赫斯曼公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。網(wǎng)絡(luò)控制中心選用2臺MICE系列MS30-1602SAAPHC交換機，該交換機為千兆模塊化網(wǎng)絡(luò)交換機，支持2個千兆端口模塊，16個10M/100M以太網(wǎng)端口，并且可以擴展到24個百兆端口，以滿足擴充情況下對網(wǎng)絡(luò)的端口需求。

1.2? ? 上位機軟件

監(jiān)控計算機兼主機軟件配置Win2000操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺軟件Intouch（RT）10.0、監(jiān)控運行平臺軟件Intouch（RT）10.0以及在以上平臺開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，完成的功能：對整個工程計算機自動化監(jiān)控系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫管理，在線或離線計算功能，各種圖表、曲線的生成，事故、故障信號的分析處理。運行值守人員通過主機CRT的圖形化畫面進行整個泵站運行監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)庫報表管理。

通過Intouch軟件實現(xiàn)雙機熱備用。當主用機發(fā)生故障時，備用機的數(shù)據(jù)庫具有與故障系統(tǒng)相同的內(nèi)容且能繼續(xù)對過程做數(shù)據(jù)登錄，并且對以前登錄的數(shù)據(jù)具有完全的訪問權(quán)限，一旦主用機恢復(fù)正常，就可以自動進行數(shù)據(jù)同步，切換過程無擾動。

現(xiàn)上位機操作站實現(xiàn)功能：正常自動啟停機組、遠控及監(jiān)視勵磁系統(tǒng)、遠控閘門啟閉、遠控供配電倒閘操作、遠控清污機運行、遠控監(jiān)視冷水機組、監(jiān)控機組運行狀況（開關(guān)量與模擬量）、監(jiān)視所有通信設(shè)備及輔機設(shè)備運行情況、監(jiān)視電氣運行情況、監(jiān)視泵站上下水位及流量、機組運行報表、按需調(diào)取運行數(shù)據(jù)等。

1.3? ? 自動化現(xiàn)地控制

現(xiàn)地控制單元設(shè)置PLC集中控制，其中每臺主機分別設(shè)置1套PLC，計5套;公共設(shè)備如主變、站變、110 kV進線、廠用電及直流等設(shè)置1套PLC，以上共計6套。6塊現(xiàn)地控制屏每塊屏另配置1套液晶觸摸屏，分別接入各自PLC，實現(xiàn)現(xiàn)地操作及監(jiān)測功能，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機上光纖環(huán)網(wǎng)。另外，風機動力柜、供水泵動力柜、排水泵動力柜、空壓機動力柜、排澇涵閘動力柜分別各設(shè)置1套PLC，清污機閘設(shè)置3套PLC，清污機及皮帶輸送機設(shè)1套PLC，共計9套，各配一個以太網(wǎng)通信口進行數(shù)據(jù)交換。電氣繼電保護裝置和同步電動機勵磁裝置通過RS-485串行通信口與各自PLC連接;溫度、液位等傳感器通過RS-485串行通信口或4～20 mA輸出與PLC連接。

泵站10孔快速（工作閘門5孔、事故閘門5孔）閘門采用液壓啟閉機啟閉，每孔閘門油缸內(nèi)配置2套開度儀，共計20套。系統(tǒng)設(shè)置2套美國GE PAC Systems RX3i PLC，具備以太網(wǎng)通信接口，PLC單獨組屏。將液壓系統(tǒng)的自動控制納入泵站計算機自動控制系統(tǒng)中，確保機組與閘門能正常聯(lián)動工作，裝置動作情況及監(jiān)測量數(shù)據(jù)及時上傳，實現(xiàn)快速閘門的自動控制。

清污機閘9孔閘門采用卷揚式啟閉機啟閉，每3孔閘門設(shè)置1套現(xiàn)地控制箱，共計3套，目前現(xiàn)地控制箱布置在戶外。3套PLC、3個觸摸屏及9個開度荷重顯示儀分別安裝于3套清污機動力配電控制箱內(nèi)，1套赫斯曼交換機安裝于1#動力控制箱內(nèi)，提供的9套閘門開度傳感器安裝于啟閉機轉(zhuǎn)軸上，實現(xiàn)9孔清污機閘門的自動及現(xiàn)地手動控制。

清污機閘處還設(shè)有9孔清污機及1臺皮帶輸送機，該系統(tǒng)設(shè)置1套LCU控制屏，屏內(nèi)布置1套美國GE PAC Systems RX3i PLC，具備以太網(wǎng)通信口。將清污機系統(tǒng)的自動控制納入泵站計算機自動控制系統(tǒng)中，確保清污機能實現(xiàn)現(xiàn)地、自動及定時清污并上傳數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)配置一套GPS衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)，其中包含時鐘同步信號擴展器，在與上位機對時的同時實現(xiàn)設(shè)備對時功能。

2? ? 存在的問題

2.1? ? 自動化系統(tǒng)硬件設(shè)備老化

自動化系統(tǒng)硬件設(shè)備老化，如操作站及服務(wù)器出廠時間較早，該系列產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)廠家早已停產(chǎn)，設(shè)備損壞后雖然能夠維修，但部分零部件已停產(chǎn)造成尋找匹配部件時間較長，且有些硬件設(shè)備不能方便地找到替代產(chǎn)品，直接影響泵站自動化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.2? ? 自動化系統(tǒng)軟件版本較低

自動化系統(tǒng)軟件更新、升級較快，如數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等應(yīng)用軟件，安裝時軟件版本較低、兼容性較差，后期不能及時進行更新升級，不利于流程、界面的進一步優(yōu)化提升。

2.3? ? 前端設(shè)備不可靠

通過近幾年的運行發(fā)現(xiàn)，上位機系統(tǒng)中的大部分數(shù)據(jù)顯示不準確或無數(shù)據(jù)顯示等問題，都是由于數(shù)據(jù)采集器、傳感器或執(zhí)行機構(gòu)等前端設(shè)備出現(xiàn)故障所致，而不是由于自動化本身的原因，在故障處理中需正確作出判斷。

2.4? ? 系統(tǒng)維護水平有待進一步提高

目前，泵站自動化系統(tǒng)設(shè)備主要是依靠設(shè)備廠家或代維單位進行維護管理，在專業(yè)程度上還需要進一步提升，當設(shè)備出現(xiàn)故障或缺陷時，大多要依靠代維專業(yè)技術(shù)人員來處理，造成了故障或缺陷處理不夠及時等問題。

3? ? 結(jié)語

自動化系統(tǒng)控制已經(jīng)作為基本的控制方式廣泛應(yīng)用于大型泵站工程，并利用網(wǎng)絡(luò)將泵站內(nèi)的許多智能裝置進行互聯(lián)，實現(xiàn)了信息共享，但系統(tǒng)內(nèi)的許多數(shù)據(jù)資源遠沒有充分利用。因此，充分利用數(shù)據(jù)資源將是今后重點關(guān)注的方向，可以利用實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)機組功率因數(shù)控制、葉片角度自動調(diào)節(jié)、事故應(yīng)急處理、多臺機組的經(jīng)濟運行方案優(yōu)化、設(shè)備全壽命周期管理等功能，確保泵站安全運行，提高泵站運行效率，繼續(xù)向泵站智能化方向邁進。

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收稿日期：2020-05-26

作者簡介：蘇陽（1987—），男，山東棗莊人，主要從事大型泵站工程調(diào)度運行管理工作。