豎井式貫流泵站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)初探

王玉明劉 駿

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇常州 213000；2.常州市長江堤防工程管理處，江蘇常州 213000）

0 引言

常州城市防洪節(jié)點工程采菱港樞紐主要功能為防洪、排澇、改善城市水環(huán)境。工程包括20 m3/s排澇泵站1座、8 m節(jié)制閘1座。樞紐工程共裝設1820ZGB10-1.5型豎井貫流泵2臺，單機流量10 m3/s，配套10 kV異步電動機，單機功率355 kW。樞紐負荷等級為二級，采用2路10 kV線路引接，由高壓電纜直埋分別引入室內(nèi)10 kV高壓開關(guān)柜，不設主變壓器，采用10 kV電源直供電動機。泵站設1臺200 kVA干式變壓器供動力、照明以及生活辦公用電。變電所采用戶內(nèi)布置方式，選用戶內(nèi)型配電裝置。

采菱港樞紐主要監(jiān)控對象包括：2臺主機泵、泵站4孔工作閘門、1孔節(jié)制閘、2臺回轉(zhuǎn)式清污機、1臺皮帶輸送機、技術(shù)供水泵、2臺滲漏排水泵、主機通風、高低壓開關(guān)柜設備等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采菱港泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布結(jié)構(gòu)［1］，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

由圖1可知，本系統(tǒng)是由上位機監(jiān)控和各現(xiàn)地控制單元組成，上位機與現(xiàn)地控制單元之間通過光纖以太環(huán)網(wǎng)通信。

其中，上位機系統(tǒng)由操作員站1、操作員站2、歷史服務器組成，上位機監(jiān)控軟件采用施耐德Citect組態(tài)軟件。下位機系統(tǒng)包括：UPS配電柜及電池組，1#、2# 保護屏，1#、2# 主泵機組現(xiàn)地PLC控制柜，節(jié)制閘PLC控制柜，機組PLC控制柜，公用系統(tǒng)PLC控制柜，技術(shù)供水現(xiàn)地控制柜，技術(shù)供水PLC控制柜，輔機控制柜和清污機控制柜。控制柜配備施耐德PLC模件和觸摸屏。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)各模塊功能

2.1 下位機系統(tǒng)功能

下位機系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集及處理、顯示監(jiān)控、控制與調(diào)節(jié)、通信、自診斷、GPS 對時、對外供電等功能［2］。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集及處理

系統(tǒng)自動接收來自主控層的命令和數(shù)據(jù)，采集被控設備各模擬量、溫度量、開關(guān)量和脈沖量并存入LCU數(shù)據(jù)庫中，記錄泵組的啟停次數(shù)和運行時間，對于固定周期采集的數(shù)據(jù)，采集周期可調(diào)；對采集到的模擬量數(shù)據(jù)進行濾波、數(shù)據(jù)合理性檢查、工程單位變換、模擬數(shù)據(jù)變化（死區(qū)檢查）及越限檢查等，根據(jù)規(guī)定產(chǎn)生報警并上送主控級；將采集到的狀態(tài)量、電氣保護報警量按即時召喚或變位等方式上送主控級；進行自動事件順序記錄；對采集到的非電量（如溫度量、壓力等）進行越限檢查，并及時將越限情況和數(shù)據(jù)送往主控級；根據(jù)采集到的脈沖量，計算用電量、抽水量，并上報主控級；按主控級的要求上送數(shù)據(jù)。

2.1.2 顯示監(jiān)控

各LCU中配備一個彩色液晶觸摸顯示屏，以顯示設備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)，運行人員登錄后，可通過觸摸屏進行規(guī)定的相關(guān)操作；在顯示屏上還能顯示有關(guān)設備操作和監(jiān)視畫面、各種事故及故障報警信息等。

2.1.3 控制與調(diào)節(jié)

按被控對象工藝流程進行自動控制和調(diào)節(jié)，對點設備（ON/OFF操作設備）按安全閉鎖要求進行控制操作。

2.1.4 通信功能

LCU與主控級的通信中，將LCU采集到的數(shù)據(jù)及時準確地傳送到主控級計算機，同時接收主控級發(fā)來的控制和調(diào)節(jié)命令，并將執(zhí)行結(jié)果回送主控級；LCU接收主控級的同步時鐘信號，以保持與主控級同步；LCU通過現(xiàn)場總線與被控對象的智能設備進行通訊；LCU設置與便攜式計算機通信的接口（以太網(wǎng)及串口），用于LCU的調(diào)試。

2.1.5 自診斷功能

（1）LCU至少能在線和離線診斷下列硬件故障：CPU模件故障；輸入/輸出模件故障；接口模件故障；通信控制模件故障；存儲器模塊故障；電源故障。

（2）LCU的軟件自診斷能在線和離線診斷定位到軟件功能模塊并判明故障性質(zhì)。

（3）當診斷出故障時能自動閉鎖控制輸出，并在LCU上顯示和報警，同時將故障信息及時準確地上送主控級。

（4）進行在線自診斷時不會影響LCU的正常監(jiān)控功能。

2.1.6 GPS對時

LCU現(xiàn)地控制單元，除能完成本身的GPS對時外，能滿足提供與其距離較近的保護、錄波等裝置的對時接口要求。

2.1.7 供外部使用的電源

每套LCU提供獨立的DC 24V電源供自動化元件使用，每回路電源帶有相應的保險功能。

2.2 上位機系統(tǒng)功能

上位機系統(tǒng)可以實現(xiàn)畫面監(jiān)視、畫面控制、報表查詢打印、報警信息查詢等功能。下位機采集到的各項數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C并在相應畫面中顯示，用戶通過上位機發(fā)送的指令，也通過以太網(wǎng)下發(fā)到PLC控制柜實現(xiàn)對設備的遠程控制。對于用戶感興趣的信息，可以保存到歷史數(shù)據(jù)庫中，用戶可隨時通過報表查詢指定日期的數(shù)據(jù)并能打印出來。歷史數(shù)據(jù)庫中還保存了監(jiān)控系統(tǒng)的各項報警信息，經(jīng)過GPS對時的歷史報警信息對于事后查找事故原因很有幫助。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

整個采菱港樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設計，其具體功能是通過各LCU實現(xiàn)的。整個系統(tǒng)的工作流程是：上位機發(fā)出控制指令，通過以太網(wǎng)完成信號的傳遞，各功能模塊根據(jù)接受到的指令執(zhí)行相應的PLC程序，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，達到管控一體化。

3.1 上位機部分

當用戶登錄系統(tǒng)后，可以通過監(jiān)控畫面對泵站設備按指定功能進行控制。

3.1.1 電氣系統(tǒng)監(jiān)控

電氣系統(tǒng)的主要控制對象是高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜和電容柜的各斷路器和饋線開關(guān)。每一個可控對象旁有分、合閘兩個按鈕，點擊按鈕，彈出確認分、合閘命令。要通過上位機畫面操作對象的分、合閘，首先需要保證該控制對象的控制權(quán)限在遠方，然后確認手車處于工作位置，最后需要彈簧操作機構(gòu)已儲能。當命令發(fā)出并執(zhí)行成功后，畫面上相應狀態(tài)將發(fā)生改變。電氣系統(tǒng)控制見圖2。

圖2 電氣系統(tǒng)控制圖

圖3 技術(shù)供水監(jiān)控圖

3.1.2 技術(shù)供水監(jiān)控

技術(shù)供水控制對象為2臺循環(huán)供水泵和2臺冷卻供水泵，監(jiān)控信息包括：循環(huán)水管壓力與溫度、冷卻水管壓力與溫度以及循環(huán)水池水位。循環(huán)供水泵從循環(huán)水池抽水，對電機、齒輪箱和水泵進行冷卻；冷卻水泵取用河水，經(jīng)過熱交換器對循環(huán)水進行冷卻。當滿足循環(huán)供水、冷卻供水控制權(quán)限為遠方、控制方式為自動、LCU在線、電源正常等條件時，技術(shù)供水系統(tǒng)可以根據(jù)上位機畫面進行控制，點擊畫面中水泵圖案旁的啟、停按鈕，便可控制水泵運行。技術(shù)供水監(jiān)控見圖3。

3.1.3 清污機監(jiān)控

清污機監(jiān)控對象為2臺清污機和1臺皮帶輸送機，主要監(jiān)視信息為設備運行狀態(tài)。

3.1.4 主泵組開停機監(jiān)控

當開機所需所有條件都滿足時才能夠啟動水泵，否則系統(tǒng)將發(fā)出警報信息。泵組監(jiān)控見圖4。

啟、停水泵命令發(fā)出后，可以點擊“開停機流程監(jiān)視圖”（圖5）對開停機流程進行監(jiān)視，流程圖中直觀地顯示出開停機命令的執(zhí)行情況，如果開停機失敗，從流程圖中也很容易發(fā)現(xiàn)導致開停機失敗的原因。

3.2 PLC部分

PLC程序是各功能控制柜的核心部分。各控制柜不但功能獨立，而且共同構(gòu)成了系統(tǒng)的下位機，彼此可通過以太網(wǎng)進行通信。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用SIXNET-SLX系列交換機（2光8電，2光16電），傳輸速率100/1000 Mbps。其中，配置在公用LCU機柜中的主交換機采用SIXNET-SLX系列交換機（2光16電），1#主泵組現(xiàn)地柜、技術(shù)供水PLC柜和節(jié)制閘PLC柜中采用SIXNET-SLX系列交換機（2光8電）。

下面對各功能模塊PLC程序的設計進行詳細的介紹［3，4］。

3.2.1 機組控制部分

該部分的PLC程序是根據(jù)圖6來設計的。

圖6中所有判斷環(huán)節(jié)的箭頭流向均適用于條件滿足時，若條件不滿足則結(jié)束流程。開始的初始化工作是對一些條件進行判斷，包括：機組啟動技術(shù)供水冷卻、循環(huán)水是否滿足“DUMMY_DI［25］=1；10kV”；進線開關(guān)滿足開機條件“DUMMY_DI［27］=1”；主泵組溫度是否正常；液壓系統(tǒng)是否達到開機條件“DUMMY_DI［30］=1”；節(jié)制閘閘門是否全關(guān)，即是否滿足“DUMMY_DI［31］=1”；主泵組微機保護裝置是否正常；電容總進線開關(guān)是否滿足開機條件“DUMMY_DI［34］=1”。如果有一個條件不能滿足，立即退出流程。

圖4 泵組監(jiān)控圖

圖5 開停機流程監(jiān)視

圖6 機組開機流程圖

圖7 機組停機流程圖

在機組停機時，也需要對一些條件進行判斷：機組停止技術(shù)供水冷卻、循環(huán)水條件是否滿足“DUMMY_DI［26］=1”；機組 LCU與液壓 LCU通訊是否正常，即是否滿足“DUMMY_DI［24］=0”。當滿足條件時，便可按圖7所示流程進行運作。

在系統(tǒng)運行中碰到問題或者發(fā)生故障時，需要啟動急停功能。在急停時，需保證電機斷路器處于分閘位置，出水側(cè)、進水側(cè)的工作閘門全部關(guān)閉，沒有其他機組在運行，同時停止技術(shù)供水循環(huán)和冷卻水泵。系統(tǒng)只有及時完成上述工作，才能啟用急停功能，否則會因為超時而無法正常完成急停。

3.2.2 公共控制部分

公共控制部分包括：10 kV進線斷路器、電容進線開關(guān)柜斷路器、電容器開關(guān)柜斷路器、10 kV站用變開關(guān)柜斷路器、400 V進線柜斷路器。

該部分中，每種斷路器合閘、分閘的工作流程均相同，顯示進行初始條件的判斷，若滿足，便對斷路器合閘、分閘的位置進行判斷，位置滿足要求則流程結(jié)束。斷路器工作的最大區(qū)別是對前提條件的判斷，各種斷路器判斷的條件并不相同，下面將依次進行介紹：

（1）10 kV進線斷路器、電容進線開關(guān)柜斷路器、10 kV站用變開關(guān)柜斷路器

需判斷斷路器是否在遠方控制位置，若在則符合條件；斷路器手車是否在工作位置；開關(guān)柜控制電源有無故障；該斷路器的彈簧是否已儲能。

圖8 進線斷路器合閘

圖9 進線斷路器分閘

（2）電容器開關(guān)柜斷路器

與第一種斷路器的判斷條件相同，該斷路器也需判斷斷路器是否在遠方控制位置，若在則符合條件；開關(guān)柜控制電源是否無故障；斷路器彈簧是否已儲能；功率因素是否滿足條件等。

（3）400V進線柜斷路器

該斷路器僅有一個判斷條件，即斷路器是否在遠方控制位置，若在則符合條件。

3.2.3 輔機部分

輔機需完成的輔助功能主要包括風機和滲漏排水泵的啟動與停止。其輔助功能的工作原理如下：

（1）風機的啟動與停止

啟動或者停止風機需要滿足一些條件，只有在輔機柜進線斷路器電源正常、風機處于自動控制方式、不處于熱保護狀態(tài)且無故障時，才能啟動風機。而要停止風機，僅需使風機處于自動控制方式即可。

（2）滲漏排水泵的啟動與停止與風機的不同之處在于，滲漏排水泵能夠自動實現(xiàn)啟動或停止。

當滲漏排水泵無法自啟動、停止時，也可以按風機的模式來啟動或停止。當輔機柜進線斷路器電源正常、滲漏排水泵處于手動控制方式，無熱保護、無故障時，即可啟動，若泵啟動時間超過3 s，則啟動失敗。在泵運行時，若想要停止，則只需使排水泵處于自動控制方式，隨后在3 s內(nèi)使泵停止即可。

3.2.4 清污機部分

該部分需要控制兩部分內(nèi)容，包括：清污機和皮帶傳送機。其工作流程和上述滲漏排水泵相同，即滿足條件并在規(guī)定的時間內(nèi)啟動即可。

首先分析清污機，當轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠程控制狀態(tài)且無熱保護狀態(tài)，即可啟動停止的清污機，啟動的時間限制同樣是3 s，若要停止運轉(zhuǎn)的清污機，則只需使轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠程控制狀態(tài)，并在3 s內(nèi)停止即可。

皮帶傳動機的啟動條件和清污機相同，即轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠程控制狀態(tài)且無熱保護狀態(tài)，關(guān)閉條件即轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠控狀態(tài)，目的是為了使清污機和皮帶傳動機處于同步工作狀態(tài)，能夠正常完成清污工作。

3.2.5 技術(shù)供水部分

技術(shù)供水包括三方面：循環(huán)水泵的啟停、冷卻水泵的啟停、進線斷路器的合閘與分閘。

（1）循環(huán)水泵、冷卻水泵的啟停

循環(huán)水泵和冷卻水泵需要配合工作，因此，其啟動和停止條件是相同的。若要讓停止的泵啟動，需要滿足條件：進線斷路器電源正常、泵處于自動控制方式、泵無故障且電源正常，要求在3 s內(nèi)啟動，否則會啟動失敗。若要讓運轉(zhuǎn)的泵停止，只需使泵處于自動控制方式即可，但也要求在3 s內(nèi)停止。

（2）進線斷路器的合閘與分閘

對于該部分的進線斷路器，無論是合閘還是分閘，都不需要進行前提條件的判斷。其運作的流程如圖8和圖9所示。

4 總結(jié)

筆者詳細介紹了采菱港樞紐泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計與運用，PLC的運用使整個系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定、可靠、安全，使泵站的可控性得到保障。

經(jīng)實踐驗證，計算機監(jiān)控系統(tǒng)動作準確，整體運行連續(xù)性好，滿足泵站實際運行的要求。本系統(tǒng)的成功設計、調(diào)試及運行，不但保證了采菱港樞紐泵站的安全可靠運行，而且為豎井式貫流泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計和運行積累了一定的經(jīng)驗。

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