淮三泵站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

袁長治 葉建琴

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

淮三泵站工程位于淮陰市境內(nèi)，樞紐工程由110/10kV 戶內(nèi)變電所、淮三泵站等建筑物組成。工程的主要作用是南水北調(diào)。泵站安裝四臺6.6 kV 臥式變頻器拖動的同步電機，單機容量為2200 kw。變電所安裝主變二臺，新變壓器容量為25000 kVA 及現(xiàn)有變壓器20000kVA。所用變一臺，安裝于110KV 變電所內(nèi)。站用變一臺，安裝于泵站內(nèi)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用分散控制集中管理的分層分布式結(jié)構(gòu)。是一個以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示、集中操作、集中管理、分散控制的二級控制系統(tǒng)。

第一級為現(xiàn)地控制級，由三套現(xiàn)地單元控制柜、四套勵磁控制柜、七套微機保護、測量柜和各類傳感器(水位、壓力等)組成。

三臺現(xiàn)地控制單元(1～2 號機一套、3～4 號機一套、輔機系統(tǒng)一套)組成三臺現(xiàn)地單元控制柜分別對1～4 號機、站變、進線、輔機等設(shè)備進行測量和控制。現(xiàn)地單元控制柜，主要可分為三部分:觸摸屏、PLC 即可編程控制器、控制繼電器。其主要功能體現(xiàn)在:采集模擬量、各種開關(guān)量、數(shù)字量、溫度模擬量(主機電機定子線圈、上油缸、上導(dǎo)、推力瓦、下油缸、下導(dǎo)溫度)等信號;與此同時，執(zhí)行站控級發(fā)布的控制命令，實施一定的操作與控制。以太網(wǎng)(10M～100M 自適應(yīng))，是現(xiàn)地單元控制柜和站控級計算機之間進行通信的中介。數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)處理后，再將其通過以太網(wǎng)上傳給站控級主機與從機，實現(xiàn)信息的處理，而站控級主機也會定時將這些有關(guān)數(shù)據(jù)上傳于控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在觸摸屏上可實時顯示現(xiàn)場運行的實時數(shù)據(jù)，也可在觸摸屏上進行實時控制。

四臺微機勵磁控制柜分別給4 臺同步電機提供勵磁，根據(jù)泵站的實際情況，可以采取不同的方式(恒電流、恒電壓、恒功率因數(shù)、恒觸發(fā)角)運行，同時可以提供勵磁電流、勵磁電壓、功率因數(shù)等電量的測量與調(diào)節(jié)。

七臺微機保護柜對4 臺同步電機、站變、進線和站變低壓出線等進行可靠的微機保護。同時能提供電流、電壓、有功功率、無功功率等電量和各種保護信號的測量。水位、壓力等各類傳感器，主要用于測量水位等非電量，實現(xiàn)對4～20MA 模擬電流信號的輸出，然后通過A/V 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)字信號傳送給站控級主機。

站控級是作為泵站的第二級所存在的，其主要構(gòu)成部分為監(jiān)控主機一臺、監(jiān)控從機一臺、打印機等。監(jiān)控主機、監(jiān)控從機與現(xiàn)場三臺現(xiàn)地單元控制柜，通過網(wǎng)絡(luò)交換機組成泵站監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò)的速率10M/100M 自適應(yīng))，平時主機處于工作狀態(tài)，負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場采集的測控數(shù)據(jù)，下傳有關(guān)的控制指令;處于熱備份狀態(tài)的從機，則主要負(fù)責(zé)對主機工作狀態(tài)的時刻監(jiān)視，主機一旦出現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報的同時，主機的全部工作也立刻由從機接管，待主機恢復(fù)后，依舊掌握控制權(quán);此外，從機還可采集故障期間的數(shù)據(jù)，并將其上傳于主機，在數(shù)據(jù)的連續(xù)性得以保證的同時也增強了整個系統(tǒng)的安全性與可靠性。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)將現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

高壓控制柜需要設(shè)置自動開關(guān)和手動開關(guān)，實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制和機組自動控制之間的互為備份。自動方式控制時，整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制;手動方式控制時，手動完成控制，而系統(tǒng)置于監(jiān)視狀態(tài)，能夠進行獨立的運行以及日常維護工作等，這樣有助于泵站整體的可靠運行。在五臺現(xiàn)地控制單元中設(shè)有觸摸屏可實現(xiàn)顯示現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，還可以通過觸摸屏對現(xiàn)場設(shè)備進線控制。

監(jiān)控系統(tǒng)的控制權(quán)依次設(shè)為現(xiàn)地、站控制級、遠(yuǎn)方三級，三級之間可實現(xiàn)無擾動的切換，站控制級與遠(yuǎn)方控制需要通過有關(guān)的授權(quán)才可以進行操作，而控制系統(tǒng)也需要設(shè)有帶密碼的授權(quán)與核對程序。

2 監(jiān)控工作站功能

2.1 聯(lián)網(wǎng)功能

站監(jiān)控主機是三站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機。其主要功能如下:連接局域網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)接收帶有密碼的控制中心調(diào)度控制指令，同時將本站的實時運行信息等發(fā)送給局域網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)的采集與處理功能

采集的數(shù)據(jù)主要包含:

(1)開關(guān)量(按信號重要程度可分圍中斷型和非中斷型開關(guān)量):事故和狀態(tài)信號。

(2)模擬量:溫度量、電氣與非電氣模擬量。

(3)其它量:壓力量、水位及流量等。

系統(tǒng)可對泵站的各項實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號進行巡測，將必要數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建當(dāng)?shù)氐膶崟r數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。

2.3 統(tǒng)計、計算功能

(1)依據(jù)實時數(shù)據(jù)，由電量統(tǒng)計系統(tǒng)實現(xiàn)運行統(tǒng)計、電量的計算與分類。

(2)計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對當(dāng)年、當(dāng)月、當(dāng)日、當(dāng)班的各種事故或故障內(nèi)容與次數(shù)的統(tǒng)計，記錄在案，保存資料。

(3)統(tǒng)計并記錄當(dāng)班、當(dāng)月、當(dāng)年的參數(shù)越復(fù)限情況，這項工作可由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動進行。

(4)統(tǒng)計設(shè)備的運行時間，作為設(shè)備使用壽命及狀態(tài)、運行安全可靠情況的依據(jù);系統(tǒng)工程師也可在線修改判別設(shè)備運行狀態(tài)的條件、預(yù)置參數(shù)以及計算公式等。

(5)水量統(tǒng)計系統(tǒng)根據(jù)所測的實時數(shù)據(jù)，對各單機及全站當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的水量進行累計。

2.4 調(diào)度的優(yōu)化與自動運行

(1)優(yōu)化調(diào)度的自動運行:在機組安全運行，未出現(xiàn)汽蝕與區(qū)域振動的情況下，依據(jù)調(diào)度所下達(dá)的調(diào)水量、前后池的水位以及泵組的運行效率曲線，泵站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以為優(yōu)化調(diào)度而編制運行程序，同時依據(jù)機組建立的最佳運行數(shù)學(xué)模式，對泵站機組的最佳開機臺數(shù)以及水泵葉片的角度進行自動確認(rèn)，確保機組在最佳的運行工況下進行，減少能源消耗，最大化的實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟運行，需要時也可實現(xiàn)最大出水量運行。參與經(jīng)濟運行的機組，可以人工進行預(yù)設(shè)，并由計算機自動分析每臺機組參與經(jīng)濟運行的情況，并做出相應(yīng)的處理。而參與經(jīng)濟運行的每一臺機組所接收的開機、停機、葉角調(diào)整等指令均可由自動運行程序發(fā)出并實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，也可只于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的顯示器上對操作建議進行顯示，指導(dǎo)開機運行，對值班工作人員手動的開機、停機、調(diào)節(jié)葉角的命令實現(xiàn)提示。

(2)開操作票:開機、停機操作，主變、站變的開停操作等都是泵站比較常用的重要操作，依據(jù)現(xiàn)場操作規(guī)程，系統(tǒng)可自動生成運行操作票，同時實現(xiàn)編輯、閉鎖、確認(rèn)及打印等各項功能。

2.5 設(shè)備運行統(tǒng)計記錄和生產(chǎn)管理

統(tǒng)計類型主要分為設(shè)備正常、非正常投切次數(shù)和運行時間等。計算機監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計并記錄了各個設(shè)備的運行狀況，同時自動將某些信息提示于操作值班人員。統(tǒng)計各個主設(shè)備與各個主要輔助設(shè)備狀態(tài)的變位以及變位時間，必要時可發(fā)生警報;此外，統(tǒng)計參數(shù)越限、定值變更等情況，自動生成多類日志、報表、打印操作等。全部功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)泵站運行記錄

其內(nèi)容涵蓋了泵組抽水量、線路送電量、站用電量與效率等的當(dāng)年、當(dāng)月、當(dāng)日、當(dāng)班的記錄，利用調(diào)度或運行值班人員人機對話的方式實現(xiàn)對其初值和實踐區(qū)段的設(shè)置。

(2)記錄主要電氣設(shè)備的動作與運行

對各個主要電氣設(shè)備的動作次數(shù)、運行時數(shù)進行自動統(tǒng)計與記錄，其中包括泵組的開停次數(shù)、劣跡開機運行時數(shù)、此次開機運行時間、泵組停機小時數(shù)及檢修退出時數(shù)。站變:開、停次數(shù);本次運行時間，累計運行時數(shù)，停運小時數(shù)，站變檢修退出時數(shù)、正常跳閘次數(shù)，事故跳閘次數(shù)。開關(guān):斷路器合閘次數(shù)，正常跳閘次數(shù)，事故跳閘次數(shù)。

(3)操作記錄

統(tǒng)計并記錄包含手動開停機、斷路器的手動合跳閘等各項操作。

(4)定值變更記錄

記錄所有定值變更情況，存入數(shù)據(jù)庫以便隨時查詢。

(5)事故及故障統(tǒng)計記錄

統(tǒng)計并記錄當(dāng)年、當(dāng)月、當(dāng)日、當(dāng)班的各類事故及故障的內(nèi)容與次數(shù)，存為資料。

(6)統(tǒng)計并記錄參數(shù)越復(fù)限情況。

(7)統(tǒng)計并記錄主要設(shè)備與裝置的退出運行情況，可作為判斷其使用狀況與壽命、運行安全性、可靠性的依據(jù)。

(8)打印運行日志與報表。依照運行、操作人員的管理與要求等，利用計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對日志與報表的打印，可預(yù)先設(shè)置打印的內(nèi)容、打印格式。打印方式可分為定時自動打印，隨機召喚打印等形式。

2.6 人機聯(lián)系

利用顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤及打印機等，人機聯(lián)系操作人員可實現(xiàn)對全站運行的控制、監(jiān)視、調(diào)節(jié)、畫面調(diào)度、在線修改定值、報表顯示與打印等。

交互式人機接口軟件，實現(xiàn)了人機對話所形成的各項監(jiān)視與控制功能，且方法簡便、靈活。

2.7 系統(tǒng)自檢與自動重啟動

自檢、軟件任務(wù)超時處理、過程通道故障檢測是系統(tǒng)自身所具有的重要功能。包含磁盤、內(nèi)存、CPU 以及I/0 在內(nèi)的主工作站出現(xiàn)故障或軟件任務(wù)執(zhí)行不正常的情況時，控制權(quán)可自動切換到備用工作站;而軟件超時則可激發(fā)軟件故障自啟動功能的實現(xiàn)。對通道的檢測涵蓋了自動在線檢測1/0 過程通道，自動查找故障點或出現(xiàn)故障自動報警，以及判定通道數(shù)據(jù)的有效性與合理性等功能。

2.8 雙機熱備，故障自動切換

系統(tǒng)的上位機設(shè)計采取雙機冗余理念，利用以太網(wǎng)進行通信，實現(xiàn)了對運行值班主機的預(yù)先、任意選定，通過系統(tǒng)軟件跟蹤并判別值班主機的通信、軟件、硬件及運行狀態(tài)，一旦發(fā)生異常狀況，系統(tǒng)即可發(fā)出切換信號，由備用機代替值班主機工作，并發(fā)出主機故障提示。

2.9 系統(tǒng)診斷和仿真培訓(xùn)

PLC 均有自診斷和自動測試程序，中央級控制機系統(tǒng)具有在線測試軟件，離線測試軟件和硬件測試程序。系統(tǒng)具有模擬現(xiàn)場運行各種工況?？蛇M行仿真模擬運行，進行仿真培訓(xùn)。

3 現(xiàn)地控制單元

(1)與上位機通訊，接收上級開、停機，工況調(diào)節(jié)等命令。

(2)依照上級控制指令，實現(xiàn)機組的自動開停調(diào)節(jié)，公共輔機的自動開、停操作等。

(3)根據(jù)上級調(diào)節(jié)命令，實施主變的自動開、停等操作。

(4)將實時運行信息傳送給上位機。

(5)指令可實現(xiàn)人工鍵入，自動開、停、調(diào)節(jié)，同時可顯示機組運行的各種參數(shù)。

(6)采集并處理相關(guān)數(shù)據(jù)，實施系統(tǒng)診斷。

(7)識別運行狀態(tài)，故障的多重保護。

(8)具有自檢功能。

(9)硬件熱插拔。

(10)站內(nèi)控制機組運行的最高級別自動控制單元為現(xiàn)場就地控制單元，保證了上位機發(fā)生故障或者脫離監(jiān)控時，機組依然可以正常運行，實現(xiàn)程序控制等操作。

(11)聯(lián)網(wǎng)功能:PLC 具有以太網(wǎng)口。

4 系統(tǒng)具有可靠性

除擇取具有較高可靠性的硬件設(shè)施外，還具有以下操作功能，以保證并不斷提高系統(tǒng)的可靠性:

(1)正常情況下，現(xiàn)場監(jiān)控單元在系統(tǒng)的集中指揮下正常運行，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生緊急狀況，它也可獨立運行，所以，個別的現(xiàn)場監(jiān)控單元出現(xiàn)故障并不會影響系統(tǒng)和其他構(gòu)成單元。

(2)應(yīng)對系統(tǒng)的軟件和硬件，設(shè)置“看門狗”功能，即監(jiān)控定時器。

(3)美國wondeware 公司的產(chǎn)品是監(jiān)控軟件的良好選擇，其具有成熟的監(jiān)控軟件包INTOUCH8.0 開發(fā)應(yīng)用軟件，保證了系統(tǒng)軟件安全、可靠運行。

(4)操作應(yīng)盡量避免錯誤和失誤，規(guī)定控制指令發(fā)布的操作權(quán)限，命令應(yīng)通過巡回認(rèn)證，并合理判別、處理數(shù)據(jù)。

(5)光隔技術(shù)的應(yīng)用，解決了強電環(huán)境下對系統(tǒng)信號的輸入難題，浮空接地技術(shù)在現(xiàn)場監(jiān)督單元實現(xiàn)了有效應(yīng)用，輸出的信號也均采用光電隔離、中間斷電器隔離及電源系統(tǒng)的低壓避雷等的綜合保護措施，有效防止了雷電影響與工業(yè)干擾，有效降低了數(shù)據(jù)出錯及元件損壞的概率。

(6)防火墻在監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之間的有效建立，有利于鑒別內(nèi)外部指令，保障系統(tǒng)的安全性。

5 故障報警

主菜單中應(yīng)設(shè)置命令檢索與報警功能，同時可以提供用戶最近時段的報警記錄和命令各500 條。全站設(shè)有普通話女聲的一套語言報警裝置，不同的事故或障礙使用不同頻率的音響。因此，發(fā)生事故或故障時，語言報警設(shè)備可自動發(fā)出語言報警，將事故或故障位置自動顯示與相應(yīng)畫面之上。這其中，故障有預(yù)告和事故之分，均可實現(xiàn)手動或延時自動復(fù)歸。

6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件

監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括四大部分，即計算機系統(tǒng)軟件(Windows2003XP)、基本軟件包括開發(fā)平臺和運行平臺(Intouch 8.0)、數(shù)據(jù)庫管理軟件(INSQ sever 8.0 500 tag )、報表軟件(AF Perseat )、網(wǎng)頁瀏軟件(Suite voyaster 2.0)、服務(wù)器軟件(Suite voyaster CAL)(客戶端許可證)、工具軟件以及應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件，是由生產(chǎn)廠商提供的與計算機硬件設(shè)施一起購入的軟件，主要作用為監(jiān)控系統(tǒng)其他軟件提供運行環(huán)境和用戶軟件的開發(fā)手段，比如用戶程序的編譯、編輯、聯(lián)接，任務(wù)的插入、運行及推出等;基本軟件是一種必須的軟件，主要作用為監(jiān)控系統(tǒng)的基本監(jiān)控功能的實現(xiàn)，比如數(shù)據(jù)的采集與處理、數(shù)據(jù)庫管理、生成報表、顯示圖形及語音報警軟件等;應(yīng)用軟件則為實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的操作或控制功能軟件，比如水泵優(yōu)化運行、水情調(diào)度等軟件;工具軟件主要是致力于系統(tǒng)開發(fā)效率提高的軟件，有利于軟件開發(fā)與維護強度的減弱，提高系統(tǒng)的可維護性，促使系統(tǒng)達(dá)到真正對用戶開放的目的。