泵站自動(dòng)化技術(shù)改造的探討

摘要：本文主要針對泵站自動(dòng)化技術(shù)的改造展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對泵站自動(dòng)化技術(shù)改造中存在的問題作了闡述，并給出了一系列相應(yīng)的措施，以期能為有關(guān)方面的技術(shù)需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：泵站;自動(dòng)化改造;PLC技術(shù)

泵站具有著防洪、排澇、航運(yùn)和改善城市水環(huán)境等綜合功能，在水利設(shè)施的建設(shè)中有著重要地位。但是由于多年的運(yùn)行，泵站自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)了運(yùn)行速度慢、誤動(dòng)作和控制失靈等問題，這就需要我們對自動(dòng)化進(jìn)行改造，以保障系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和泵站工作的質(zhì)量。

1"原系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及存在的問題

原自動(dòng)化系統(tǒng)中每臺(tái)機(jī)組"LCU單獨(dú)配置一套施耐德Quantum系列PLC，每臺(tái)機(jī)組閘門"LCU單獨(dú)配置一套Premium系列PLC，高低壓開關(guān)柜、清污機(jī)、皮帶機(jī)、滲漏泵、檢修泵等公用設(shè)備配置一套公用PLC，技術(shù)供水泵（含冷卻供水泵）配置一套PLC，消防供水泵配置小型"PLC，均通過以太網(wǎng)與監(jiān)控主計(jì)算機(jī)通信。機(jī)組閘門LCU是電氣部分與"PLC"共用一個(gè)控制柜。機(jī)組LCU與機(jī)組閘門LCU之間的通訊是通過PLC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊完成的，由于機(jī)組閘門電氣控制柜放置在室外，長期日曬雨淋，電氣元件損壞嚴(yán)重，故障頻發(fā)，造成機(jī)組開停機(jī)時(shí)閘門不能正常聯(lián)動(dòng)。原機(jī)組閘門開度傳感器也出現(xiàn)各種問題，因廠家停產(chǎn)而不能提供備件，且該廠家提供的改造方案造價(jià)高，于是我們選用WDC-31閘門開度儀作為替代產(chǎn)品。主機(jī)組的溫度采集巡檢儀使用的是南瑞公司的溫度采集裝置，通訊速度慢，還經(jīng)常死機(jī)，造成通訊失敗。負(fù)責(zé)高低壓開關(guān)柜、清污機(jī)、皮帶機(jī)、滲漏泵、檢修泵監(jiān)控功能的公用"PLC"中通訊模塊長期運(yùn)行，經(jīng)常死機(jī)，造成通訊失敗。原系統(tǒng)中的監(jiān)控軟件采用的是WEBACCESS4.5版本。目前泵站已不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化控制操作，這些都成為泵站安全運(yùn)行的巨大隱患。我們本次主要介紹泵站部分的軟硬件改造，針對泵站情況首先考慮將拆除閘門電氣柜的PLC"控制部分，將閘門測控信號合并至室內(nèi)的機(jī)組LCU柜內(nèi)，其次機(jī)組溫度采集使用PLC的溫度"RTD"模擬量模塊來替代溫度采集裝置，最后在硬件重新配置的基礎(chǔ)上對現(xiàn)地控制單元觸摸屏軟件、PLC軟件以及站控級上位機(jī)軟件進(jìn)行升級優(yōu)化。

2"技術(shù)改造方案的提出及實(shí)施

2.1"原自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1-5號機(jī)組LCU、公用LCU采用140CPU65150"型"CPU，1-5號機(jī)組閘門"LCU、其它輔機(jī)LCU"采用TSX573623A"型CPU，監(jiān)控主從機(jī)也是配置較低的研華工控機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WEBACCESS4.5版本見圖1。虛線框中是本次改造部分。

圖"1"某泵站原自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2"升級改造后系統(tǒng)軟硬件配置

圖1中虛線框中替換成圖2，每臺(tái)機(jī)組LCU在增加了機(jī)組閘門部分的信號后，原系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入輸出模塊、通訊模塊、模擬量模塊數(shù)量都需要擴(kuò)展，各機(jī)組LCU中增加2塊16點(diǎn)開關(guān)量輸入140DDI"84100模塊、1塊16點(diǎn)開關(guān)量輸出140DDO84300模塊、1塊TSXETG100網(wǎng)關(guān)模塊、3塊8路140ACI03000溫度模擬量模塊。TSX-ETG100用于將泵組閘門輸入輸出信號接入到泵組LCU中，并通過TSXETG100與閘門開度儀WDC31通訊，溫度模擬量模塊用于將機(jī)組溫度采集至相應(yīng)機(jī)組的LCU中。

圖"2"改造部分拓?fù)鋱D

公用"LCU"中增加"2"塊"TSXETG100"網(wǎng)關(guān)替代原通訊模塊與各類保護(hù)裝置、儀表通訊。TSXETG100"網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了"MODBUS"串口協(xié)議與"MODBUS"TCP"以及網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。簡單經(jīng)濟(jì)的將系統(tǒng)中閘門開度儀、保護(hù)、儀表裝置的"RS485信號集成到泵站的以太網(wǎng)架構(gòu)中，分別經(jīng)公用PLC、機(jī)組PLC與監(jiān)控主機(jī)通信。監(jiān)控主從機(jī)選用上架式施耐德"HMIRHAPP00H"型產(chǎn)品，主要配置為Pentium"Duo2.6G、4G"內(nèi)存、可抽取式250G*"2雙硬盤冗余、雙以太網(wǎng)。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用"WEBACCESS7.0"版本對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。改造后的系統(tǒng)控制方式分為三級，按優(yōu)先級由高至低依次為：

（1）現(xiàn)地手動(dòng)控制：操作員在設(shè)備現(xiàn)場通過按鈕或者開關(guān)直接啟動(dòng)、停止設(shè)備;

（2）現(xiàn)地控制單元控制：操作員通過設(shè)置在現(xiàn)地控制單元內(nèi)的人機(jī)接口（觸摸屏）啟動(dòng)、停止設(shè)備，監(jiān)視設(shè)備啟動(dòng)或者停止的過程;

（3）站控級控制：操作員在控制室內(nèi)通過監(jiān)控主機(jī)發(fā)布啟動(dòng)/停止設(shè)備的命令至現(xiàn)地控制單元，由現(xiàn)地控制單元完成相關(guān)控制操作。操作員也可通過監(jiān)控畫面監(jiān)視設(shè)備的啟動(dòng)或者停止過程。進(jìn)行硬件改造后的機(jī)組現(xiàn)地控制單元"LCU單元負(fù)責(zé)對主機(jī)組、輔機(jī)、變配電、主機(jī)組閘門等設(shè)備進(jìn)行就地測量、監(jiān)視，并向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送各種測量數(shù)據(jù)，同時(shí)接受監(jiān)控主機(jī)發(fā)來的控制命令和參數(shù)，完成控制邏輯的實(shí)施;站控級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全站的運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄、與上級系統(tǒng)通信等功能，并向各現(xiàn)地控制單元發(fā)出控制、調(diào)節(jié)命令。

2.3"機(jī)組開停機(jī)時(shí)閘門聯(lián)動(dòng)的觸發(fā)條件

該泵站機(jī)組開機(jī)/停機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)上升/下降，直至閘門上限/下限。在PLC程序中采用機(jī)組合閘輸入信號的上升沿或下降沿來觸發(fā)這一動(dòng)作可靠穩(wěn)定[1]。機(jī)組開機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)上升，此時(shí)需要判斷閘門上一級控制電源是否處于合閘狀態(tài)，如未合閘，首先發(fā)閘門控制電源合閘命令，然后再發(fā)閘門上升命令（見圖3）。

圖"3"機(jī)組合閘工作門聯(lián)動(dòng)上升程序

機(jī)組停機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)下降，其中需要判斷閘門控制電源是否處于合閘狀態(tài)，如未合閘，首先發(fā)閘門控制電源合閘命令，其次判斷閘門是否有上升回信，如有上升回信（閘門處于上升過程中），則先要發(fā)閘門停止命令，延時(shí)后再發(fā)下降命令，這種情況是機(jī)組在開機(jī)時(shí)遇故障緊急停機(jī)時(shí)發(fā)生，機(jī)組合閘后，閘門聯(lián)動(dòng)上升還未至全開位置，此時(shí)又遇故障停機(jī)閘門聯(lián)動(dòng)下降（見圖"4）。

圖"4"機(jī)組分閘工作門聯(lián)動(dòng)下降程序

在調(diào)試過程中偶遇機(jī)組高壓真空斷路器在合閘、分閘時(shí)發(fā)生抖動(dòng)干擾，造成利用機(jī)組合閘信號上升沿/下降沿觸發(fā)的閘門聯(lián)運(yùn)流程失控，閘門不能正確執(zhí)行聯(lián)動(dòng)操作。為避免這一抖動(dòng)現(xiàn)象，利用定時(shí)器判斷機(jī)組合/分閘信號穩(wěn)定存在500ms即置"Hz"-"flag"標(biāo)志為"1/0，軟件濾波[2]去除合分閘過程中的抖動(dòng)干擾（見圖"5）。當(dāng)機(jī)組合閘信號一直持續(xù)為狀態(tài)"1，不再抖動(dòng)時(shí)，Hz"-"flag"標(biāo)志常為1表示機(jī)組合閘，當(dāng)機(jī)組合閘信號一直持續(xù)為狀態(tài)0，不再抖動(dòng)時(shí)，Hz"-"flag"標(biāo)志常為0表示機(jī)組分閘。

圖"5"機(jī)組合閘/分閘抖動(dòng)干擾軟件濾波程序

PLC程序中涉及變量定義見表1。

表1"PLC"程序中涉及變量定義表

2.4"雙向"X"型流道機(jī)組"PLC"和上位機(jī)流程的實(shí)現(xiàn)

4、5號機(jī)組流道為雙向X型流道，具有雙向抽排水功能，可實(shí)現(xiàn)從內(nèi)河到外河、外河到內(nèi)河兩種方式的抽排水功能。

2.4.1"PLC"程序的實(shí)現(xiàn)

在PLC中設(shè)置變量Kz-fs作為開機(jī)工況標(biāo)志，判斷0為內(nèi)向外、1為外向內(nèi)，該變量可以在上位機(jī)或觸摸屏直接設(shè)定，默認(rèn)值為"0，該泵站主要運(yùn)行工況為從內(nèi)向外抽水方式即默認(rèn)值為0的情況（圖6）。PLC"程序在執(zhí)行程序掃描時(shí)，根據(jù)Kz-fs的值自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的子程序。

圖"6"根據(jù)開機(jī)工況標(biāo)志分別調(diào)用不同子程序

2.4.2"上位機(jī)流程的實(shí)現(xiàn)

開/停機(jī)控制流程圖及需滿足的條件，在上位機(jī)使用機(jī)組開/停機(jī)電子操作票，按如下機(jī)組開/停機(jī)控制流程圖來完成對機(jī)組的開/停機(jī)控制（見圖7、圖8）[3]流程啟動(dòng)后首先判斷開/停機(jī)條件是否滿足，任何一個(gè)開/停機(jī)條件不滿足，控制流程會(huì)報(bào)警并退出。特殊情況下，經(jīng)運(yùn)行人員檢查并確認(rèn)該條件不影響機(jī)組的安全運(yùn)行后，允許跳過對該條件的檢測。

主要的開機(jī)條件包括：機(jī)組當(dāng)前處于停機(jī)態(tài)（機(jī)組斷路器分閘、出口工作閘門全關(guān)等條件全部滿足）;控制權(quán)限滿足;控制電源正常、機(jī)組手車工作位;機(jī)組保護(hù)裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)正常;機(jī)組上、下油缸油位正常;快速閘門工作正常;供水或冷卻系統(tǒng)開啟并運(yùn)行正常;母線電壓正常;主機(jī)組斷路器已儲(chǔ)能。主要的停機(jī)條件包括：機(jī)組當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)（機(jī)組斷路器合閘、機(jī)組功率大于低限值、出口工作閘門全開、出口事故閘門全開等條件全部滿足）;控制權(quán)限滿足;控制電源正常。

圖7"開機(jī)控制流程圖

圖8"停機(jī)控制流程圖

3"結(jié)語

通過對該泵站自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件部分的改造，硬件部分包括將機(jī)組閘門測控信號合并至機(jī)組"LCU"柜中，改造完善公用"PLC"保護(hù)及儀表通訊功能;軟件部分實(shí)現(xiàn)觸摸屏軟件、PLC"軟件以及站控級軟件的升級優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了對泵站主機(jī)組、輔機(jī)、變配電、閘門等設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控。經(jīng)近一年的投運(yùn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。目前無錫多個(gè)泵站也借鑒了該泵站自動(dòng)化技術(shù)改造的經(jīng)驗(yàn)，陸續(xù)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，均實(shí)現(xiàn)了泵站的自動(dòng)化控制功能，減少了管理人員，節(jié)約了管理成本，實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的泵站現(xiàn)代化運(yùn)行管理模式。為進(jìn)一步搭建水利信息化平臺(tái)奠定了良好的基礎(chǔ)。

綜上所述，在泵站的日常工作進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)的改造，不僅可以避免因系統(tǒng)老舊帶來的隱患，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對泵站的工作有一定程度方面的幫助。本文就泵站自動(dòng)化技術(shù)的改造進(jìn)行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定幫助。

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