計算機監(jiān)控系統(tǒng)在太浦河泵站的應(yīng)用

朱玉兵，張小兵

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇江都 225200)

太浦河泵站工程是太湖流域綜合治理的重點工程，位于江蘇省吳江市境內(nèi)，距東太湖約2 km、蘇州市約51 km，是太湖流域綜合治理工程中規(guī)模最大的單體項目，工程靜態(tài)總投資2.766億元［1］。泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)充分利用計算機領(lǐng)域的先進技術(shù)，結(jié)合泵站自動化程度要求高的特點，使泵站運行管理智能化、遠程化，并能方便地完成與其它管理信息計算機系統(tǒng)的連接，具有高度的可靠性、安全性、實時性、實用性、靈活性并便于擴充。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

太浦河泵站監(jiān)控系統(tǒng)采用以計算機為基礎(chǔ)的開放式分層分布結(jié)構(gòu)，分監(jiān)控管理級(主控級)、設(shè)備控制級(單元控制器)、現(xiàn)場儀器儀表級(現(xiàn)場過程設(shè)備)3個層面。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置見圖1。

1.1 主控級

主控級設(shè)備包括2臺主計算機兼操作員工作站、1臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、1套投影儀、2臺通訊計算機及外圍設(shè)備等。其主要功能分述如下。

1.1.1 控制功能

主計算機通過以太網(wǎng)通訊方式，向下位發(fā)出各種控制指令，主要包括:泵站控制方式選擇;泵組啟動/停機;經(jīng)濟運行功能的投入/切出，閉環(huán)/開環(huán)控制方式的選擇;斷路器、隔離開關(guān)的合/分及閉鎖;閘門的開啟/關(guān)閉操作;公用設(shè)備的操作。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置圖Fig.1 Configuration of the system

1.1.2 參數(shù)設(shè)定功能

通過LCD、鍵盤、鼠標設(shè)置等，設(shè)置和修改工藝流程控制中必要的參數(shù)設(shè)定值包括:上游水位高限值、下游水位高限值、上游水位低限值、下游水位低限值和其他重要參數(shù)的越限值。

1.1.3 顯示功能

在顯示屏上直觀顯示受控設(shè)備實際工況、工藝流程動態(tài)變化以及系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)的實時值等。顯示內(nèi)容主要包括動態(tài)工藝流程圖，動態(tài)顯示以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線、色彩變化及信號閃爍等形式進行。所有畫面同時可在投影儀上顯示。

1.1.4 故障處理功能

故障處理功能主要包括以下幾個方面。

(1)報警顯示:以變色、閃爍等適當?shù)男问斤@示越限值、故障信號、事故狀態(tài)，必要時并可自動推出相關(guān)提示畫面。

(2)報警記錄:記錄各種報警事件的時間、順序、內(nèi)容及恢復(fù)時間，生成報警事件數(shù)據(jù)庫。

(3)事故分析:根據(jù)報警事件數(shù)據(jù)庫，生成歷史趨勢曲線圖和其它表格，以便進行事故原因分析。

(4)報警打印:根據(jù)事件記錄的歷史數(shù)據(jù)，進行即時打印或定時打印。

1.1.5 數(shù)據(jù)分析和運行管理

主計算機通過以太網(wǎng)通訊總線接受下位PLC站發(fā)出的各種數(shù)據(jù)信息，并進行必要的分析處理。主要包括:溫度值的趨勢分析;泵組流量、上下游水位、閘門開度等運行曲線的生成和顯示;根據(jù)給定的抽水總流量及設(shè)備的實際情況，自動計算出當前水頭下泵站的最優(yōu)泵組組合，以便在滿足給定總流量的條件下使電動機用電量最低，避免頻繁啟停和頻繁調(diào)整的操作，按泵站進出水池的最佳流態(tài)選擇運行水泵;根據(jù)運行工況計算全站消耗總功率、用電量總和、抽水量和每臺泵抽水效率;累計泵組開、停次數(shù)、本次開機運行時數(shù);累計開機運行時數(shù)、泵組停機小時數(shù)、泵組檢修退出時數(shù)，累計主變壓器、35 kV及6 kV斷路器等主設(shè)備運行時間、動作次數(shù)、檢修次數(shù)和時間;累計油泵、供排水泵等間歇運行的輔助設(shè)備動作次數(shù)、檢修次數(shù)和檢修時間;統(tǒng)計各類主設(shè)備和輔助設(shè)備所發(fā)生的事故和故障次數(shù)及正常切除次數(shù)［2］。

1.1.6 通訊功能

通訊功能包括:通過光纖及微波通道，與吳江市供電局通訊，同時還預(yù)留與泵站水情測報等系統(tǒng)的計算機通訊接口;通過以太網(wǎng)通訊方式與各現(xiàn)場單元控制器通訊;向各單元控制器發(fā)送指令并接受各單元控制器上送的信息;與GPS時鐘終端連接進行時鐘同步。

1.1.7 系統(tǒng)診斷功能

系統(tǒng)診斷功能包括:模板級硬件故障診斷、在線軟件故障診斷。

1.1.8 軟件開發(fā)功能

軟件開發(fā)功能包括:在線或離線進行應(yīng)用軟件的編程和修改;在線或離線進行顯示畫面的組態(tài)和調(diào)整;在線或離線進行報表庫等的編輯、裝載和卸除［2－3］。

1.1.9 其它管理功能

其它功能主要包括:分別按時、日、月時間段要求，打印運行記錄報表;按操作順序自動記錄所有操作，包括操作對象、操作指令、操作起止時間、執(zhí)行過程，執(zhí)行結(jié)果、操作完成時間、操作員姓名等;打印運行人員所需的資料和數(shù)據(jù);繼電保護整定值記錄;具有關(guān)于運行操作和事故處理的指導性畫面。

1.2 單元控制器

單元控制器主要包括6套泵組現(xiàn)場單元控制器(1LCU—6LCU)、1套公用設(shè)備現(xiàn)場單元控制器(7LCU)和1套變電站現(xiàn)場單元控制器(8LCU)。每套單元控制器主要包括1個PLC站、1臺觸摸屏人機界面、1組手動開機及急停按鈕。

1.2.1 泵組單元控制器功能

泵組單元控制器設(shè)在泵房主機旁，監(jiān)控對象為水泵及其輔助設(shè)備，異步電動機及其輔助設(shè)備、電動機6kV斷路器等。其主要功能如下。

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集:包括反映泵組及輔助設(shè)備、異步電動機及其輔助設(shè)備運行狀態(tài)的開關(guān)量信號;反映6 kV斷路器及其他檢測設(shè)備位置信息的開關(guān)量信號;反映系統(tǒng)各類故障信息的開關(guān)量信號;反映系統(tǒng)工藝過程參數(shù)信息(如水位、溫度等)的模擬量信號。

(2)設(shè)備過程控制:包括泵組開機控制;泵組停機控制;泵組輔助設(shè)備啟動/停止控制;電動機回路斷路器合閘/跳閘控制、設(shè)備在自動/手動;就地/遠程等多種控制方式下運行時的連鎖及狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制;設(shè)備在故障條件下的緊急停機控制。

(3)人機界面操作:每套泵組單元控制器均配置1臺彩色液晶屏幕顯示器。通過該裝置，可完成一系列現(xiàn)場操作、監(jiān)視任務(wù)。包括:泵組順序操作時的工藝流程顯示;泵組及輔助設(shè)備運行狀態(tài)顯示;6 kV斷路器及其他檢測設(shè)備位置信息顯示;系統(tǒng)各類故障信息的報警顯示;系統(tǒng)工藝過程參數(shù)(如水位、溫度等)的實時值顯示;單元控制器狀態(tài)顯示;其他需要的信息顯示;現(xiàn)場操作及顯示;各種工藝過程參數(shù)極限值的設(shè)定和修改;打印記錄操作。

1.2.2 公用設(shè)備單元控制器功能

公用設(shè)備單元控制器設(shè)在繼電保護室內(nèi)，主要控制電氣設(shè)備及其它公用設(shè)備，其主要功能如下。

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集:包括反映公用設(shè)備運行狀態(tài)及其他檢測設(shè)備位置信息的開關(guān)量信號;反映系統(tǒng)各類故障信息的開關(guān)量信號;反映系統(tǒng)工藝過程參數(shù)信息(如水位、溫度等)的模擬量信號;反映電量累計信息的脈沖量信號;對采集的數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)值變換、運算、比較和邏輯處理，作為設(shè)備及過程控制的基本依據(jù)。

(2)設(shè)備過程控制:包括35 kV斷路器的控制操作;6 kV斷路器及站用變斷路器的控制操作;主變有載調(diào)壓檔位的控制操作;全站公用設(shè)備(技術(shù)供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、清污機等)的控制操作，0.4 kV站用電設(shè)備的控制操作;設(shè)備在自動/手動、就地/遠程等多種控制方式下運行時的連鎖及狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制;設(shè)備在故障條件下的緊急停機控制。

(3)人機界面操作功能:公用設(shè)備單元控制器配置1臺彩色液晶屏幕顯示器。通過該裝置，可完成一系列現(xiàn)場操作、監(jiān)視任務(wù)。包括公用設(shè)備操作時的工藝流程顯示;公用設(shè)備運行狀態(tài)顯示;檢測設(shè)備位置信息顯示;系統(tǒng)各類故障信息的報警顯示及音響提示;系統(tǒng)工藝過程參數(shù)的實時值顯示;單元控制器狀態(tài)顯示;其他需要的信息顯示;現(xiàn)場操作及顯示和各種工藝過程參數(shù)極限值的設(shè)定和修改。

1.2.3 泵組單元和公用設(shè)備單元控制器的共同功能

泵組單元控制器和公用設(shè)備單元控制器還具有如下相同的功能。

(1)通訊功能:單元控制器具有與主控級通訊的功能，定時向主控級傳送所需要的過程信息，也可根據(jù)主控級指令隨時上送要求的信息，還可根據(jù)故障或事故情況下，及時向主控級傳送故障及事故信息。

(2)單元控制器接入GPS的時鐘同步信號以保證SoE采集時標。單元控制器以串行口或現(xiàn)場總線的方式與微機保護測控裝置、稀油站PLC、220V直流系統(tǒng)、智能電度表及全站公用設(shè)備PLC進行通訊。

自診斷功能:單元控制器具有模件級故障自診斷能力，包括:CPU故障、I/O故障、通信控制模件故障、電源模件故障。當診斷出模件故障時，自動閉鎖控制出口直到切換到備用系統(tǒng)上，并將故障信息上送到主控級，同時在單元控制器上有顯示和報警。

1.3 現(xiàn)場過程設(shè)備

現(xiàn)場過程設(shè)備主要包括微機機組保護裝置、稀油站PLC、220V直流系統(tǒng)，智能電度表等，其主要功能是提供對35kV主變、電動機等主輔設(shè)備的測量、監(jiān)視和控制。

1.4 系統(tǒng)連接和電源

監(jiān)控管理級與設(shè)備控制級之間，通過100Mbps以太網(wǎng)的光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接，并進行信息交換;設(shè)備控制級與現(xiàn)場儀器儀表級之間通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)連接。系統(tǒng)通過通訊計算機、Modem及其它通道，與其它計算機系統(tǒng)實現(xiàn)通信。系統(tǒng)所有設(shè)備均由UPS電源供電，2組UPS冗余并聯(lián)互為備用。

2 系統(tǒng)軟件技術(shù)

系統(tǒng)軟件配置包括操作系統(tǒng)Windows Server 2003、工業(yè)監(jiān)控軟件 InTouch 10.1和編程軟件Concept。系統(tǒng)核心監(jiān)控軟件采用了InTouch 10.1組態(tài)軟件，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)，從而為泵站提供了實時可靠、直觀生動的監(jiān)控平臺。所有操作指令通過點擊組態(tài)畫面上相應(yīng)功能鍵由PLC執(zhí)行完成。系統(tǒng)采用基于Windows界面的調(diào)試編程軟件Concept，該軟件可提供5種編程手段，既可用梯形圖又可用高級語言編寫應(yīng)用程序，并且提供大量功能塊，使編程更加靈活方便。

3 系統(tǒng)硬件技術(shù)

系統(tǒng)硬件的選擇主要是基于先進性、可靠性和經(jīng)濟性3個方面。主控級計算機兼操作員工作站均采用IPC－810B工業(yè)控制機，配置可擴展容量的硬盤，2臺通信計算機也采用IPC－810B工業(yè)控制機，系統(tǒng)硬件選擇滿足系統(tǒng)功能和性能指標。

設(shè)備控制級采用施耐德電氣公司Modicon的Quantum系列可編程控制器。核心部件Quantum CPU使用可擦寫存儲技術(shù)，支持控制器的執(zhí)行存儲和指令集，這種非易失存儲技術(shù)能夠在維護更新時通過下載文件的方法執(zhí)行現(xiàn)場修改，簡化現(xiàn)場維護，降低維護成本。采用型號為XBTF024310的10.4 LCD鍵盤式屏幕(帶觸摸屏)，具有良好的人機界面操作功能，通過此裝置可以顯示各種信息及參數(shù)整定和修改。系統(tǒng)在中央控制室內(nèi)配置了操作方便、美觀舒適的操作控制臺，使用型號Barco SLMR6投影機，屏幕SAS 150NWA背投，配置了刻錄機和語音報警系統(tǒng)。系統(tǒng)主干網(wǎng)采用4臺 RS2系列499NOS07100施耐德工業(yè)交換機，每臺交換機有5個端口。

其中2臺交換機設(shè)置在現(xiàn)場(泵組單元控制器旁)，與控制室內(nèi)管理計算機相連接，1—6LCU和公用設(shè)備7LCU通過PLC以太網(wǎng)模塊、RJ45端口電纜直接與其聯(lián)接;另外2臺交換機設(shè)置在計算機室，與上級計算機相連接，主控級的各計算機和變電站8LCU通過RJ45端口電纜與其聯(lián)接。

4 系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控畫面的使用

系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要包括:封面、泵站系統(tǒng)配置圖畫面，泵組總控制畫面，泵組流程控制畫面，輔機各設(shè)備監(jiān)控畫面，變電站控制畫面，繼保畫面及其參數(shù)小畫面等。以1#泵組自動操作界面為例，點擊圖1中1#泵組高亮度矩形區(qū)域，出現(xiàn)圖2。

圖2 泵組自動操作界面圖Fig.2 Interface of the automatic operation of pump unit

(1)每幅畫面的格局是:最上面是一排菜單，利用這些菜單以及菜單彈出的下拉式菜單可以進入相應(yīng)的控制畫面。在畫面的右上角還有一個報警燈，無報警情況下燈的顏色為“綠”，一旦有報警出現(xiàn)，則燈轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹t黃閃爍”。中間部分是設(shè)備的狀態(tài)顯示(狀態(tài)一般由文字條及文字條前的燈組成，滿足文字內(nèi)容，燈為“紅”，不滿足為“綠”)和設(shè)備的動態(tài)效果、設(shè)備的操作按鍵。其中按鈕分3種類型:設(shè)備操作按鈕，彈出參數(shù)設(shè)定畫面按鈕和彈出參數(shù)顯示的按鈕。在畫面的最下方還有一排與別的按鈕樣子及顏色不一樣的按鈕，這排按鈕用于切換、調(diào)用畫面。

(2)圖2畫面最上方的一排菜單由6個小圖標組成，這6個小圖標分別代表設(shè)備監(jiān)控、電氣原理圖、公用設(shè)備、歷史曲線、報警控制以及操作說明，見圖3。

圖3 系統(tǒng)菜單圖標Fig.3 Icons of the menus

點擊圖3中的圖標將分別彈出一個下拉式菜單(見圖4)，點擊文字條進入相應(yīng)的畫面。

(3)當有報警出現(xiàn)，點擊紅黃閃爍的報警燈會出現(xiàn)一個下拉式菜單，出現(xiàn)帶報警燈的文字條。文字條前面的燈為“紅黃閃爍”，表示這個設(shè)備出現(xiàn)故障，點擊這個文字條可以看到具體的報警信息。

圖4 下拉式菜單Fig.4 Pull-down menus

(4)功能鍵使用鼠標點擊方式激活。當鼠標移到相關(guān)的功能鍵區(qū)域內(nèi)時，如當時條件允許執(zhí)行該功能鍵定義的內(nèi)容，則整個功能鍵外有高亮度矩形方框顯示;如該功能鍵外無高亮度矩形方框顯示，即使按下該鍵，系統(tǒng)也認為無效，拒絕執(zhí)行。

(5)功能鍵面板上的字符，作為系統(tǒng)狀態(tài)的描述。功能鍵有凹凸狀態(tài)的變化，凹為開，凸為關(guān)。某些功能鍵還具有顏色顯示，“紅色”背景為開，“綠色”背景為關(guān)。

(6)當某個功能鍵被點擊后，相關(guān)功能由PLC執(zhí)行，顯示屏則不斷刷新屏幕顯示狀態(tài)，屏幕刷新的時間與系統(tǒng)傳輸?shù)拇罅繑?shù)字信息有關(guān)，一般會間隔數(shù)秒。所有功能鍵以鼠標“單擊”方式執(zhí)行。

5 系統(tǒng)自動化開停機分析

實現(xiàn)泵站自動化開停機是計算機監(jiān)控系統(tǒng)最重要的目的和功能。泵站采用了計算機自動化全步方式啟、停(當計算機自動化出現(xiàn)故障時，可采用手動分步啟、停)。系統(tǒng)的控制功能完全滿足泵站機組啟、停操作規(guī)范規(guī)定的要求。開啟監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠自動檢測機組啟、停條件，滿足條件時，執(zhí)行操作，不滿足條件則系統(tǒng)一直處于等待狀態(tài)，直至故障排除后按順序執(zhí)行。當泵組處于上位機操作狀態(tài)、泵組總開機條件滿足、泵組處于自動控制這3個條件都滿足的情況下，自動開機和自動停機這2個按鈕變?yōu)橛行?不滿足情況下，按鈕為暗色，鼠標點擊也不會出現(xiàn)高亮度方框)，這時就可以啟動或停止泵組。當泵組啟動成功后，圖2中泵組的轉(zhuǎn)頁也會隨之轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)在中央控制室和6臺泵組單元控制器(1—6LCU)均設(shè)置了緊急停機按鈕，當遇到緊急情況時，可以隨時啟動該按鈕，實現(xiàn)緊急停機。泵站自動化全步開機流程如圖5。停機流程圖和開機流程圖類似，不作贅述。

圖5 泵組自動化全步開機流程圖Fig.5 Procedures of the automatic full-step starting-up of the pump unit

6 系統(tǒng)維護要點

為確保系統(tǒng)可靠運行，必須定期檢查控制柜接線端子情況［4］，定期檢查系統(tǒng)有關(guān)元件，如執(zhí)行元件、信號器、傳感器等工作是否正常;定期檢查電氣限位安全聯(lián)鎖與各種保護裝置是否準確，固定是否牢靠，安全保護裝置是否可靠、有效;定期檢查計算機操作臺是否整潔，有無雜物堆放現(xiàn)象;定期檢查主控級計算機是否設(shè)置安全等級操作權(quán)限，有無擅自安裝、使用系統(tǒng)外軟件或計算機挪作他用等現(xiàn)象;監(jiān)控屏幕顯示是否清晰，色度亮度與對比度是否正常，切換與調(diào)節(jié)裝置是否操作有效;定期檢查計算機監(jiān)控系統(tǒng)、就地控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是否運行正常，各級控制是否正常、可靠;監(jiān)視系統(tǒng)是否正常，調(diào)節(jié)控制是否可靠，圖像是否清晰;顯示、音響報警信號系統(tǒng)是否正常、可靠;定期檢查UPS電源供電是否正常，儀表、信道及電源的過電壓保護是否可靠、有效;定期檢查系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全管理，定時殺毒，及時更新殺毒軟件。每半年一次檢查設(shè)備的手動、自動與遙控的控制功能以及控制級的優(yōu)先權(quán);每半年一次測試系統(tǒng)的故障、聲光報警點、保護、自啟動及通信等功能;每年至少一次檢查系統(tǒng)接地、防雷與過電壓保護設(shè)施;每半年一次檢查系統(tǒng)供電裝置，每年至少一次檢查控制室的防靜電設(shè)施;每半年一次對PLC、通信設(shè)施、通信接口進行檢查與維護及工況、性能校驗;每半年一次對就地(現(xiàn)場)控制系統(tǒng)各檢測點的模擬量及數(shù)字量校驗［5］。

7 結(jié)語

計算機監(jiān)控是一個系統(tǒng)工程，它需要將系統(tǒng)中各個部分如硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、自動化執(zhí)行元件等有機組合、綜合考慮，需要充分利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、冗余技術(shù)、抗干擾技術(shù)等等。采用基于PLC控制器的開放式分層分布結(jié)構(gòu)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對泵站主輔設(shè)備自動化控制。運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)簡潔直觀、操作方便、維護簡單，運行可靠穩(wěn)定，較好地滿足了泵站運行管理智能化、遠程化的需求，為今后類似泵站的設(shè)計提供了很好的借鑒。

［1］朱玉兵.淺談斜式軸流泵葉片間隙測量［J］.人民黃河，2011，33(增刊 2):149.(ZHU Yu-bing.Discussion on the Inclined Axial Flow Pump Blade Clearance Measurement［J］.Yellow River，2011，33(Sup.2):149.(in Chinese))

［2］武祥飛，劉力金，孫 凌.淺議聊城萬豐渠泵站自動化改造［J］.山東水利，2007，(3):28 －29.(WU Xiangfei，LIU Li-jin，SUN Ling.Discussion on the Automation of Liaocheng Wanfeng Drainage Pump Station［J］.Shandong Water Resources，2007，(3):28 － 29.(in Chinese))

［3］唐虹儒，陳 虹，劉麗君，等.泵站計算機綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計要求研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，1999，(11):29 － 31.(TANG Hong-ru，CHEN Hong，LIU Lijun，et al.Design of the Computer Integrated Automation System of Pump Station［J］.China Rural Water and Hydropower，1999，(11):29 －31.(in Chinese))

［4］粟 愷.老龍口水電廠啟閉機和閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用［J］.水電能源科學，2011，29(3):145 －146.(SU Kai.Application of Hoist and Gate Automatic Monitoring System for Laolongkou Hydropower Plant［J］.Water Resources and Power，2011，29(3):145 － 146.(in Chinese))

［5］上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處.泵閘設(shè)施設(shè)備檢查養(yǎng)護管理規(guī)定(試行)［S］.上海:上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處，2008.(Shanghai Administrative Office of Dike Facilities.Regulations on the Inspection，Maintenance and Management of Pump and Sluice Facilities(Trial)［S］.Shanghai:Shanghai Administrative Office of Dike Facilities，2008.(in Chinese))