泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 虎

（南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著水利工程自動(dòng)化水平的不斷提高，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已在大中型泵站中廣泛應(yīng)用，它主要完成泵站現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)、運(yùn)行監(jiān)視與告警等功能，為提高泵站的運(yùn)行管理水平、減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度提供了較好的技術(shù)手段[1]。在泵站建設(shè)中部署計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以完成泵站的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控工作，實(shí)現(xiàn)泵站“無(wú)人值班、少人值守”的目標(biāo)，減少工程維護(hù)的工作量，提高工作效率，充分發(fā)揮泵站的防災(zāi)抗災(zāi)效能。

1 工程概述

工程采用閘泵站結(jié)合形式，設(shè)計(jì)抽排流量40 m3/s。泵站共布置4套葉輪直徑1770 mm豎井貫流泵，配套YKS500-8型異步電機(jī)，總裝機(jī)容量1600 kW；采用平直進(jìn)水流道和虹吸式出水流道，電磁式真空破壞閥斷流。

監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)泵站主機(jī)組、輔機(jī)、變配電及閘門等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)[1]。監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布結(jié)構(gòu)，上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控、上位機(jī)和現(xiàn)地控制單元通過(guò)以太網(wǎng)通信。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]，星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，站內(nèi)監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器設(shè)備以及PLC和觸摸屏均掛在以太網(wǎng)上，PLC可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與各種傳感器和自動(dòng)化設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)控制權(quán)限分為現(xiàn)地控制和中控室控制兩級(jí)，切換靈活?，F(xiàn)地控制權(quán)限高于中控室控制權(quán)限，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)系統(tǒng)配置2臺(tái)主機(jī)兼操作員工作站，互為熱備冗余，顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，下發(fā)控制命令，監(jiān)督現(xiàn)地控制單元（LCU）對(duì)監(jiān)控命令的執(zhí)行[3]；上位機(jī)通過(guò)對(duì)組態(tài)軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)畫面、報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能的維護(hù)和升級(jí)。歷史服務(wù)器工作站將獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用戶通過(guò)報(bào)表、曲線等方式查詢數(shù)據(jù)。

下位機(jī)系統(tǒng)配置2臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元控制4臺(tái)主機(jī)泵，1臺(tái)公用現(xiàn)地控制單元控制輔機(jī)、變電所電氣設(shè)備和閘門等設(shè)備；現(xiàn)地控制單元（LCU）將設(shè)備運(yùn)行情況和參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，并接收上位機(jī)控制命令和反饋控制命令執(zhí)行情況。GPS時(shí)鐘同步設(shè)備與衛(wèi)星對(duì)時(shí)，保證系統(tǒng)的一致性和可靠性。

3 系統(tǒng)功能

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)功能

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)采用施耐德品牌Vijeo Citect組態(tài)軟件，通過(guò)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)管理與查詢和GPS時(shí)鐘校對(duì)功能。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

通過(guò)現(xiàn)地LCU將泵站主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，采集與處理的數(shù)據(jù)主要有開(kāi)關(guān)量和模擬量。

（1）開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)采集與處理：對(duì)事故信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)等，系統(tǒng)以中斷方式迅速響應(yīng)這些信號(hào)并作出一系列必要的反應(yīng)及自動(dòng)操作。中斷開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入為無(wú)源接點(diǎn)輸入，中斷方式接收。信號(hào)的采集方式為定期掃查，采集過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行了接點(diǎn)防抖動(dòng)處理、硬件及軟件濾波、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷等處理，最后經(jīng)格式化處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）模擬量的數(shù)據(jù)采集與處理：對(duì)上、下游水位，流道壓力，變壓器與主機(jī)溫度等參數(shù)進(jìn)行周期采集，越限報(bào)警等，最后經(jīng)格式化處理后形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控

運(yùn)行人員通過(guò)顯示屏幕對(duì)泵站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，監(jiān)視內(nèi)容包括當(dāng)前各設(shè)備的運(yùn)行及停止情況，并對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)提供參數(shù)越線報(bào)警和故障狀變報(bào)警功能，通過(guò)光字顯示、畫面彈出、語(yǔ)音報(bào)警等方式及時(shí)提醒運(yùn)行人員；運(yùn)行人員通過(guò)事故追憶的功能，可以查詢事故發(fā)生前10 s和后20 s時(shí)間內(nèi)重要實(shí)時(shí)參數(shù)的變化情況，顯示并打印這些數(shù)據(jù)。

3.1.3 控制調(diào)節(jié)

系統(tǒng)的控制對(duì)象主要為泵組、輔機(jī)、清污機(jī)、閘門和高低壓電氣設(shè)備等。操作員利用鼠標(biāo)和鍵盤，根據(jù)泵站當(dāng)前的運(yùn)行情況，對(duì)泵站的運(yùn)行進(jìn)行控制?？刂频膬?nèi)容包括泵組的開(kāi)、停機(jī)操作、斷路器合、分操作和輔機(jī)設(shè)備的啟、停操作等。運(yùn)行人員在界面上點(diǎn)擊所控設(shè)備圖形或控鍵，界面上自動(dòng)彈出控制畫面，運(yùn)行人員需要點(diǎn)擊所需控鍵并經(jīng)過(guò)二次確認(rèn)后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行操作流程，運(yùn)行人員可以觀察每一步執(zhí)行情況，當(dāng)流程完成，操作結(jié)束。

3.1.4 數(shù)據(jù)管理與查詢

系統(tǒng)配置了一臺(tái)歷史服務(wù)器用于數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用Vijeo Historian數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ODBC的接口方式進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，能對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理（求平均值、最大值、最小值、最后值等），格式化存入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)提供3種查詢方式：報(bào)表查詢、曲線查詢和事件查詢。

3.1.5 GPS時(shí)鐘校對(duì)功能

配置一臺(tái)GPS時(shí)鐘同步裝置，作為監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)[4]。GPS時(shí)鐘與主機(jī)兼操作員站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和PLC等設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步。

3.2 現(xiàn)地控制單元功能

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制系統(tǒng)采用施耐德公司的觸摸屏和Premium系列PLC，用于完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，同時(shí)也具有控制操作和監(jiān)視功能。當(dāng)現(xiàn)地控制系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)脫離后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制的功能，而當(dāng)其與上位機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

泵站高壓開(kāi)關(guān)柜、站變、低壓系統(tǒng)等電氣設(shè)備共配置1套現(xiàn)地LCU（即公用LCU），機(jī)組設(shè)備控制配備2套現(xiàn)地LCU（即1、2#機(jī)組LCU和3、4#機(jī)組LCU）。

3.2.1 觸摸屏功能

觸摸屏采用施耐德公司的XBTGT5330，10.4英寸屏，通過(guò)以太網(wǎng)與PLC連接，Modbus TCP/IP協(xié)議，每臺(tái)LCU均配有一臺(tái)觸摸屏。觸摸屏從PLC獲取開(kāi)關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)，運(yùn)行人員通過(guò)切換觸摸屏的開(kāi)關(guān)量、模擬量和溫度量畫面等了解設(shè)備的運(yùn)行情況和電氣參數(shù)。通過(guò)報(bào)警畫面，運(yùn)行人員可以查詢報(bào)警點(diǎn)和故障點(diǎn)的發(fā)生時(shí)間，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，觸摸屏可以記錄確認(rèn)時(shí)間。

運(yùn)行人員通過(guò)觸摸屏可以對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行操作，操作對(duì)象與上位機(jī)系統(tǒng)一致。運(yùn)行人員進(jìn)行操作時(shí)，需進(jìn)行權(quán)限切換，權(quán)限為現(xiàn)地控制時(shí)，觸摸屏可以進(jìn)行控制命令下發(fā)，上位機(jī)系統(tǒng)無(wú)法控制；權(quán)限為遠(yuǎn)方控制時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)獲得控制權(quán)限，觸摸屏無(wú)法發(fā)令。觸摸屏操作需要二次確認(rèn)，命令才可下發(fā)至PLC。通過(guò)觸摸屏，可以方便運(yùn)行人員在現(xiàn)地進(jìn)行監(jiān)視和操作。

3.2.2 PLC配置及功能

PLC編程軟件采用施耐德公司的Unity_Pro軟件，該軟件使用靈活，支持IEC61131-3全部5種語(yǔ)言的應(yīng)用編制、程序調(diào)試和診斷操作，它結(jié)合了施耐德電氣PL7和Concept軟件的優(yōu)點(diǎn)，增加了大量的新功能，解決復(fù)雜問(wèn)題的能力更強(qiáng)，開(kāi)放程度更高。PLC采用施耐德Premium系列PLC，系統(tǒng)配置見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 機(jī)組控制單元PLC配置圖

圖3 公用控制單元PLC配置圖

PLC配置清單如下：

（1）CPU模件選用TSXP573634M，配置MB及MB+通訊接口，內(nèi)置工業(yè)以太網(wǎng)接口，支持帶電熱插拔功能，具有自診斷功能。

（2）電源模件選用TSXPSY5500M，110/220VAC自適應(yīng)電源，帶自整定系統(tǒng)、內(nèi)設(shè)限流裝置。

（3）開(kāi)關(guān)量輸入模塊選用TSXDEY32D2K 24VDC，LED顯示輸入點(diǎn)工作狀態(tài)。

（4）開(kāi)關(guān)量輸出模塊選用TSXDSY32T2K 24VDC，負(fù)載電流0.5A/點(diǎn)，LED顯示輸出點(diǎn)工作狀態(tài)。

（5）模擬量輸入模塊選用TSXAEY800及TSXAEY1600，4-20 mA信號(hào)，LED顯示輸入點(diǎn)工作狀態(tài)。

（6）溫度量輸入模塊選用TSXAEY414，4通道輸入，支持PT100、熱電偶和Ni1000等輸入。

PLC主要完成現(xiàn)地設(shè)備的開(kāi)關(guān)量、模擬量等數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理功能，定時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給觸摸屏和上位機(jī)系統(tǒng)，接收觸摸屏和上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，通過(guò)PLC控制流程及時(shí)反饋執(zhí)行情況和結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行后，可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，逐步實(shí)現(xiàn)泵站“無(wú)人值班、少人值守”的目標(biāo)，為泵站安全運(yùn)行提供了可靠保障。系統(tǒng)留有與其他管理系統(tǒng)的接口，通過(guò)系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)將泵站運(yùn)行參數(shù)上送至上級(jí)集控中心，實(shí)現(xiàn)防洪工程的多級(jí)控制和統(tǒng)籌調(diào)度。