泵站自動控制系統設計

盧慧德

（廣東省佛山市高明區滄江泵站管理處，廣東佛山 528000）

滄江泵站安裝有4臺立式全調節軸流泵，總裝機容量5000 kW，是廣東佛山高明區高明滄江水利工程的重要環節，是一個極為重要的水利樞紐。基于此，滄江泵站自動控制系統在高明滄江水利綜合自動化系統工程中處于重要地位。

滄江泵站自動控制系統采用分層分布式系統結構，分別為現地控制系統、中控室監控系統、視頻監控系統、信息管理系統。

1 現地控制系統

現地控制系統為LCU 控制柜，監控現地各分散的設備：LCU 的PLC 與以太網交換機采用雙絞線連接組成星型以太網；高低壓交流電量采集、微機保護裝置、機組的勵磁系統等設備與現地PLC 之間采用RS-485串行通信網連接，通信協議為MODBUS。微機保護裝置中的重要信號采用硬接線的方式和PLC的I/O 模塊連接。

控制系統按控制權分現地控制、泵站控制室監控，主、備計算機工作站可以按需要自行轉換。控制權限的優先次序是“現地控制、泵站控制室監控”。現地設備電氣控制箱均配備自動/手動切換的按鈕，當檢修試驗時或LCU 和上位機出現異常時（如信號中斷等），實現現地開停機操作。根據滄江泵站的供配電系統、工藝運行參數、水泵機組工作狀態等進行檢測和控制，完成泵站工況檢測和控制的同時，向滄江水利工程中控室監控系統傳送采集的信息；接收中控室監控系統下載的數據、調度或應急命令。

1.1 泵站數據采集和傳輸

滄江泵站現地控制系統是整個系統的一部分，負責整個泵站遙測量、遙信量、遙控量的采集和傳輸，其監控通信工作主要由PLC 完成。

（1）監測。控制設備的分合狀態；10 kV 側電壓、電流、功率等；水泵電機電壓、電流、功率、功率因數、電量、效率、電機溫度、葉輪角度；站用變壓器的電流、電壓、溫度、冷卻風機、功率等；內、外江側水位；各種輔助設備的狀態。

（2）控制。控制電氣斷路器的分合閘；控制設備斷路器的分合閘；各種輔助設備的控制；勵磁裝置的控制；水泵葉輪角度定位。

滄江泵站現地控制系統的核心是PLC 系統。電量變送器、水位測量儀表、機電控制設備完成現場電量信號、非電量信號、狀態信號的轉換，并向PLC傳送；控制繼電器完成PLC 發出的控制命令；PLC 系統收集現場設備、儀表傳送的信息，轉換成數字量，按預先編制的程序，對這些量進行計算、判斷、比較，將結果送至相應的寄存器單元，輸出控制命令至控制繼電器完成對水泵、輔助設備、電柜等設備的運行控制；顯示操作盤作為人機接口界面為值班人員提供泵站工況顯示和手動操作，通過光纜與中控室監控系統通信。

1.2 水泵控制

水泵的控制分為3級：基本（水泵配電柜）控制級、就地（PLC）控制級、中央控制級，完成水泵的維修試車、水泵就地手動/自動控制、水泵遠程遙控。在就地（PLC）控制級和中央控制級時，水泵控制運行處于就地手動、就地自動、遠程遙控3種模式，這3種模式由就地PLC 控制柜上的控制模式切換開關選擇，在模式變化時，泵站運行設備的工況狀態保持不變。

（1）基本（水泵配電柜）控制級：在饋電給水泵機組電動機的配電柜上設置機側操作/遠程運行的轉換開關，基本控制級就是水泵處于維修狀態或監控系統處于檢修檢查時，維修人員或值班人員在配電柜上操作按鈕啟動/停止水泵，是維修人員對水泵進行維修試車或性能檢查的一種手段或是監控系統處于檢修時的臨時操作方式。在遠程運行狀態下，水泵的操作權限轉交給就地控制級或中央控制級。

（2）就地（PLC）控制級：就地控制是水泵控制主要級，是實現“無人值守”技術的基礎，是實現泵站安全、穩定運行的關鍵，是滄江泵站監控系統關鍵工作之一。在就地控制級，水泵的運行在“就地手動”和“就地自動”。①就地手動。在滄江泵站監控系統的顯示操作盤面板上設有控制水泵運行的手動按鈕，泵站值班人員根據要求，選用泵站中可用水泵，通過顯示操作盤面板上按鈕控制水泵的運行或停止。在這種控制方式下，操作面板上只有水泵的控制按鈕，操作人員選擇控制某一臺泵時，PLC 程序將根據水泵運行操作規程，按時序和聯鎖關系控制水泵以及相關設備。在進行上述操作時，操作面板上將顯示泵站中目前運行累積時間最短的泵號和目前正在運行時間最長的泵號供操作人員選擇。②就地自動。就地自動控制是一個預留的功能，主要是根據整個滄江水系對滄江泵站的運行要求為依據，由PLC 自動控制泵站的運行/停止，在泵啟動/停止控制操作時，PLC 將按照就地手動模式下的兩種方式控制邏輯對泵進行按時序及設備聯鎖進行控制。

1.3 系統聯鎖

為了滄江泵站的安全、可靠、穩定運行，必要的系統聯鎖是需要的。這里所述的聯鎖是PLC 的軟件聯鎖，主要對水泵控制而言。

（1）水泵的啟動聯鎖條件：10 kV 電壓正常；10 kV 供電系統無故障；水泵冷卻風機運行；水泵冷卻水電磁閥打開、有流量；水泵電機勵磁電流正常、無故障；水泵電機饋電回路無故障。在這些條件滿足的情況下，PLC 才輸出水泵的啟動信號，否則封鎖水泵啟動信號輸出。

（2）水泵緊急停止聯鎖條件：10 kV 供電回路故障；水泵饋電回路故障；水泵冷卻風機停止、故障；水泵冷卻水無流量；水泵電機勵磁柜故障。在上述任一條件發生，PLC 輸出水泵的停止信號，封鎖水泵啟動信號輸出。

1.4 系統的故障信號

（1）水泵故障。滄江泵站現地控制系統的水泵故障信號是一個綜合信號，是以下信號的組合：電機過負荷動作跳閘；低電壓保護動作跳閘；宗聯差動保護動作跳閘；失步保護動作跳閘；保護繼電器動作自鎖未復歸。

（2）10 kV 供電變壓器系統故障。滄江泵站現地控制系統的10 kV 供電變壓器系統故障信號同樣是一個綜合信號，是以下信號的組合：工作電流過流；零序電流過流；單相接地故障。

故障信號的輸入方式，對于電機的故障信號以及10 kV 供電系統故障信號、變壓器系統的故障信號均從綜合自動化保護裝置系統以MODBUS 通信方式數據總線傳輸。

1.5 電力系統的保護

繼電保護對電力系統安全運行至關重要。繼電保護產品必須對電力系統內的任何故障給予毫秒級的快速反應和檢測，以保證電力系統的安全，避免電力系統損壞和系統的瓦解。滄江泵站的供配電系統的保護自成系統，可單獨對保護參數進行調節。通過數據通信接口向監控系統上送電力系統的狀態與工作變量。①10 kV 進線繼電保護，滄江泵站的10 kV 進線繼電保護包括短路、過流、接地保護。②主機組繼電保護，主機組繼電保護包括差動保護、過電流、過負荷、低電壓、失步保護級溫度保護。電機保護繼電器組合了一系列電機所特有的保護元件，具有測量、監視和控制等功能，還包括順序時間記錄、高精度表計、變電站電源電壓測量和單元斷路器監視能力，是電機保護的完善選擇。③站用變壓器繼電保護，站用變壓器繼電保護包括短路、過流、過電壓、和溫度保護。④其他低壓電路保護，滄江泵站的低壓保護均利用低壓電路主開關脫扣器作為過載短路保護。

2 中控室監控系統

中控室監控系統位于控制室，設置2臺操作員工作站，采用星型1000/100 Mbps 以太網絡網絡結構，通過網絡交換機和PLC 聯系，網絡協議為TCP/IP 協議，中控室監控系統組成開放的計算機網絡系統，保障數據傳送的暢通。系統設備包含一臺網絡交換機，2臺操作員工作站。

中控室監控系統功能包括各種圖表、曲線的生成，事故、故障信號的分析處理，在線或離線計算功能，數據庫管理，整個工程計算機自動化監控系統的管理。運行管理人員通過監控系統的圖形化畫面，進行整個工程運行控制、數據庫報表管理和監視。

滄江泵站現有4臺水泵機組，兩臺機組共用1套LCU，設公用LCU 1套，共3套現地LCU 柜。現場控制單元通過工業以太網絡實現集中控制層與各現地控制單元連接交換信息，實現現地設備的控制、監視及數據共享。一些沒有通信接口的設備需通過現地控制單元的I/O 模塊實現設備的狀態檢測和控制。

自動控制系統按照“無人值守”的標準進行設計，運行管理采用自動控制系統進行。系統必須滿足以下條件。

（1）系統安全可靠，并且有自診斷功能。系統的關鍵部位如系統主機應具有冗余配置，互為備用。

（2）采用業界流行的控制模式，即開放的計算機網絡系統。

（3）系統的性價比高，經濟實用。

（4）系統應具有較好的可維護性，設計標準一致，統一規范，具有方便友好的人機界面。

（5）應充分考慮系統的抗干擾及防雷電破壞能力。

（6）系統結構和設備選型均達到全開放式的要求，便于系統功能和設備的擴充，便于與日后發展的各系統連接與通信。如與上級調度中心計算機系統通信，實現遙信、遙控、遙測、遙視、遙調；與工業電視通信，實現遙視功能。

3 視頻監控系統

3.1 系統設計

（1）視頻監控系統主要負責泵站現場情況的實時監測，監控操作系統位于中央控制室，設置18個視頻監控點。視頻監控點就近配置光端機進行視頻傳輸。各視頻監控點的監控信息通過光纖交換機經網絡硬盤刻錄機送至服務器。

（2）視頻監控系統的電源、信號以及控制線均沿電氣的電纜溝敷設，為避免信號干擾，在電纜溝內敷設時應沿著自控電纜層的金屬橋架敷設。出電纜溝后穿保護管埋地-0.8 m 敷設至監控點。

（3）室外監控攝像頭的電源均來源于中控室、就近LCU 柜或配電箱，室內監控攝像頭的電源來源于各單體照明配電箱。

（4）視頻監控系統預留有上傳通信接口，以方便統一管理。

（5）UPS 備用電源的輸出端PE 線進行重復接地。

3.2 功能設計

（1）能全天監視目標場所，做到圖像清晰，控制靈敏，畫面質量達到1080 P 的畫質。

（2）所有圖像可在平臺主機和陣列上進行錄像記錄，并可抓拍打印畫面。

（3）安防監控系統能對全部監視點圖像實時（不低于25 幀/s）錄像，錄像分辨率應達到1080 P。所存貯的圖像資料能頻繁回放，回放可單幀和連續；圖像可長時間存貯，圖像質量始終不變。系統具有長時間工作的全自動化能力，可實時監測視頻圖的變化，畫面有變化即進行錄像，不變立刻停止（即差異存貯），不會丟失任何視頻圖信號，并根據設定的觸發事件發出報警信號。

（4）視頻監控控制系統應能直接控制鏡頭。而這些控制均應通過標準鍵盤和鼠標來實現，方便現場監視人員調整鏡頭畫面。

（5）系統具有便捷的影像搜尋能力（可根據攝探頭編號、時間段進行搜尋）與回放操作，使用者能快速找到需要的影像進行畫面剪輯和拍照，進行后期作業。

（6）系統使用統一平臺軟件，使生產安防監控系統與視頻監控系統能統一管理，用戶只需與系統聯網即可實現遠程監控。

（7）系統提供相應軟件以實現各種自動功能，如自動網絡聯機、預約錄像和循環錄像等功能，系統一經設定后即可自行工作，減少人力管理的麻煩與維護的成本。

（8）操作人員可以用監控計算機控制閉路電視監視系統，系統提供密碼保護裝置。監控的電源線與信號線均設置防雷保護裝置，對前端設備和后端系統設備進行保護。防雷保護裝置在不影響監視系統正常運行的條件下，能夠承受預期通過它們的過電壓和雷電流，確保監視系統電子設備不受損害。

4 泵站信息管理系統

泵站信息管理系統包括綜合數據庫系統和決策支持系統。

（1）綜合數據系統對涉及的眾多信息進行信息分析、信息流程分析，在此基礎上，對綜合數據庫進行邏輯設計，提出綜合數據庫的邏輯結構，并將數據庫分成關系表數據庫、GIS 圖形數據庫、超文本數據庫和多媒體數據庫4大類型，針對個數據庫分別采用相應管理模塊來實現關系表數據庫的存儲和管理。為系統與各應用子系統之間、子系統與子系統之間的數據交換提供服務，設計數據訪問接口。數據庫管理系統除了數據庫的數據管理、備份等日常維護工作外，還需要針對不同訪問者，不同訪問類型和不同數據對象進行安全性管理，為此進行了數據庫維護管理模塊的設計。

（2）決策系統的總體功能是為水資源的調度決策提供全方位、全過程的支持。根據支持對象的信息需求和支持功能的不同要求，可將系統總體功能劃分為3個層次：信息接收處理與水情工情監視、業務分析處理、信息服務和決策支持。

5 結束語

滄江泵站自動控制系統具有結構微機化、功能綜合化、運行管理智能化、監視操作屏幕化等特征，可全面提高泵站運行管理的技術水平和現代化管理水平，提高泵站的經濟效益和社會效益。