基于PLC控制的雙機熱備控制系統在水利設施中的運用

黃桂林

深圳市茅洲河流域管理中心 廣東 深圳 518000

1 前言

為了解決流域面積約32km2的某片區內澇問題，在某河口建設了 170m3/s 的大流量排澇泵站（單泵流量 34m3/s 的豎井貫流泵，總共 5 臺機組），裝機容量為 5×1600kW=8000kW，屬大（2）型，工程等別為Ⅱ級，于是保障整個排澇泵站的穩定運行是一個需要解決的問題。泵站建立時，我們已經建立了一套泵閘綜合自動化監控信息系統，所以數據的重要性熱備份尤其重要。我們預想建立冗余系統，在正常情況下雙機熱備系統[1]中兩套設備都處于熱機狀態，一旦一套系統出現故障，另一套設備將立即接管所有運行任務。完成主、備機之間進行的切換，切換時間主要由所使用的控制器來決定。運行的切換時間為1秒，采用PLC控制器可以將系統的切換時間控制在10毫秒以內。

通過雙機熱備系統，不僅保障了防洪排澇工程在下年度汛期內能安全可靠運行，而且更全面發揮工程的經濟和社會效益。對水利行業的發展前景有著深遠的意義。

本文結合深圳市某泵站的雙機熱備控制系統的運用，論述該設計的要求及標準、冗余系統的設計思路、系統運行成果效益分析等。

2 設計的要求及標準

設計要求：1.在進行主備切換時，熱備用在系統正常運行時，為了防止系統突然故障引起的數據丟失，熱備份使用公共存儲器來保存現場數據。2.冗余計算機監控系統需實時采集控制設備和運行數據，存入數據庫。特殊及故障情況下能隨時召喚各設施的計算機監控系統，直接采集數據；3.根據采集的數據信息，記錄每個事件發生的時間和性質，并進行各類有關參量的綜合計算，生成各種監控管理、分析指導數據（水位、流量、電壓、電流油溫、報警記錄日志），每分鐘更新實時數據庫，并存入歷史數據庫。4.功能有安全運行監視、事件報警狀態監視和計算機監控系統設備故障監視。5.設計要求操作簡單，后期易維護。

設計標準：本次設計參考標準主要依據電力系統設計、《水利發電廠計算機監控系統設計規定》、水利發電廠計算機監控系統基本技術條件、水利發電廠計算機監控系統運行及維護規程、電氣設備用圖形符號國家標準匯編、《泵站施工規范》相關標準進行。

3 雙機熱備系統（也稱冗余系統）設計思路

設計思路：通過 PLC 的各類型輸入輸出端口，對水利工作現場進行實時數據采集，對就地控制單元層各 LCU 的電氣和非電氣量，有關過程參數（包括溫度、模擬、報警等）和來自調度中心的數據、命令，一并存入上位機數據庫，方便管理層隨時掌握防洪工程運行工況。以數據庫為存取節點，通過 1000M 以太網將調度中心、調度層各工作站服務器與各設施相連接，并將系統運行的關鍵數據同時在兩個互為備用 PLC 系統之間呈鏡像存在并實時更新,形成了雙機冗余熱備份， 實現兩套 PLC 控制系統無擾動相互切換及自動控制。

根據泵站自動化系統現狀，分別采用處理器 PLC 冗余、IO 冗余、通信冗余、上位機雙機熱備的方式實現整個系統的可靠運行，配置如圖1所示。

圖1 系統配置圖

冗余系統配置：根據泵站自動化系統現狀，分別采用處理器 PLC 冗余、IO 冗余、通信冗余、上位機雙機熱備的方式實現整個系統的可靠運行。雙機熱備系統構成：系統之間都是雙套的硬件設備，雙 CPU 之間有光纖連接，雙 IO 模塊，雙電源，雙通訊，相當于一個工作指令有一個正在工作而另一個正在等著工作。

冗余系統內部軟件 CPU 執行過程如圖2所示。

圖2 CPU內部執行流程

根據配置，程序開始運行后，在初始化里將一套系統默認為主機，另一套默認為備機，根據硬件通道的設置在主機的對應端口輸出主備信號，備機同時開始接收信號并反向輸出給主機，同時采集數據，同時輸出信號，主備監測切換框圖如圖3所示。整個系統在 PLC 的基礎上，采用 Standby 工作方式，利用雙光纖通信冗余來保證兩個系統之間能夠安全有效同步運行，系統在兩個系統之間傳遞，刷新10ms，出現故障后，能及時進行自動切換實現自動控制水利設施。

圖3 主備監測切換

數據傳輸分析：PLC 通過 IO 模塊采集現場傳感器數據，如水位，電流，電壓等，上位機通過光纖以太網訪問 PLC，讀取 PLC 采集上來的數據，進行邏輯控制并將數據保存在實時數據庫里如圖4所示。主 CPU、熱備 CPU 之間通過光纖連接，機組的輸入輸出擴展板采用雙份相同配置進行熱備，通過專用的二合一模塊連接至每個外部傳感器和輸出設備，同時采集數據，同時輸出數據，實現無間隙自動切換到另外一個系統工作。

圖4 數據保存

PLC選用：近年來，隨著 PLC 技術正飛速發展，特別是近年來應用越來越廣泛，成功應用在水利設施控制及網絡等方面，諸如：西門子、三菱、ABB 等幾大家，施耐德[2]系列 PLC 在中國市場深耕多年，特別在水利行業占據了半壁江山。經過幾十年的應用，其可靠性、易用性已經得到了很好的證明。其在能源與基礎設施、工業過程控制、樓宇自動化和數據中心與網絡等市場處于世界領先地位，在住宅應用領域也擁有強大的市場能力。其中，施耐德電氣 Modicon M580[3]控制器在通訊采集方面獨具優勢，具有很強的通訊組網能力，并且操作較為方便，在其他方面使用起來比較容易使用，如運動過程、網絡等均廣泛用在軍用控制系統（軍標一次加固大、中、小型 PLC）、機械裝備控制系統、自動化工程項目。施耐德電氣 ModiconM580 系統控制器是一款基于以太網的多通信接口，數字量、模擬量混合型 PLC， 在裝備控制、樓宇控制、物聯網等數字量、模擬量混合應用中可以最大程度的節約控制器成本，給項目效益提供更好的保障。

4 系統運行效果分析

效果分析如下：（1）數據采集和處理功能：冗余監控系統中控室層自動周期性地實時了采集現地控制單元層各 LCU 的電氣和非電氣量及有關過程參數數據，包括溫度量、模擬量、狀態量、報警量和脈沖量等和來自調度中心的交換數據和命令，并存入數據庫；接收 LCU 送來的開關量變位、模擬量測值越限和部分溫度量變化趨勢越限等信號。（2）人機聯系功能：冗余系統人機聯系界面友好、實用，當設施發生一連串事故動作，中控室出現眾多報警信息，讓值守人員易于識別、直接查到事故的原因。全站所有設備的操作事件、報警事件及報表，都存于數據庫并可記錄下來,并能在LCD 上顯示和打印出來。（3）運行記錄信息：冗余計算機監控系統能實時控制設備和采集運行數據（水位、壓力、溫度等），運行數據每分鐘更新一次，并導出EXCEL表格，存入數據庫。（4）報警事件信息：滿足了根據采集的數據信息，記錄了每個事件發生的時間和性質，并進行了各類有關參量的綜合計算，生成各種監控管理、分析指導數據、并每時每刻記錄報警事件信息。（5）效益分析：1.經過多輪龍舟水，服務片區也多次遭受暴雨和強對流天氣影響，比如2020年度深圳市氣象局在含泵站服務范圍區域共發布暴雨黃色預警24次、暴雨橙色預警1次，遭受強降雨或暴雨天氣41天，由冗余系統控制機組試運行后， 運行數據均正常，保障了整個系統的可靠運行。從改造到現如今長達兩年的連續運行也無任何系統故障造成停機現象。滿足設計要求標準，后期維護也簡易。2.排澇泵站的工程效益主要表現為排澇效益和防洪效益。排澇效益為工程實施后所減免的澇災損失，在泵站未進行自動化系統冗余系統設計前，曾發生了數次因系統故障造成泵組停機的現象，其中典型的是2018年山竹臺風致電纜進水重大事件，造成某些數據的丟失等。泵站自動化冗余系統設計至今已經正常運行了兩年多，經歷了兩次的汛期開機運行檢驗，沒有出現自動化系統宕機的情況。其可靠性得到了實際驗證，水位、供水溫度、壓力、電機電流、電壓等數據均正常，且每分鐘更新數據。鑒于排澇泵站在防洪片區減負的特殊防洪責任，保證了防洪排澇的正常運行，創造了社會效益數據分析如表 1 所示。

表1 社會效益

5 結語

在此次項目中，學會了用PLC控制的機電設備系統在水利行業中的更多應用，也增強了自己的項目統籌管理經驗，在本次設計中涉及很多方面的專業知識，比如監控系統的結構及設備選型及運用、系統運行程序的編輯、冗余軟硬件的配置及對采集系統圖的理解等等。在整個數據采集過程中態度決定一切，耐心也是決定成功的關鍵。目前深圳市水利行業自動監控的冗余控制設施部分還有更大的空間發展，本文中的設計理念及應用的工程到后期兩年的機組運行就是一個不錯的嘗試，可以能夠為類似項目做個借鑒參考。