澡港水利樞紐自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成原理及實(shí)際應(yīng)用

潘雯璽 錢立君 陳飛 常州市長江堤防工程管理處

1.自動(dòng)化系統(tǒng)改造概述

澡港樞紐泵站安裝2 臺(tái)套2500ZLB20-2型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑2.5m,單泵設(shè)計(jì)流量20m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程2米，配用TL1000-40/2600型功率1000kW，額定電壓10kV，轉(zhuǎn)速150r/min的同步電機(jī)。泵站采用堤身式，快速閘門雙向X型流道，采用X型流道目的就是可以實(shí)現(xiàn)引、排水功能。節(jié)制閘為開敞式水閘，全閘一孔，閘總寬22m，孔凈寬16m。底板順?biāo)鏖L217m，設(shè)計(jì)流量100m3/s。澡港水利樞紐2019年實(shí)施了自動(dòng)化系統(tǒng)改造，對泵站、節(jié)制閘自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了全部更新，改造完成后實(shí)現(xiàn)了全站微機(jī)監(jiān)測、微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)，具備數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)咨詢等功能。本次改造采用自動(dòng)化控制模式的同時(shí)，保留了現(xiàn)場手動(dòng)操作模式，為工程能夠可靠運(yùn)行提供了有力保障。

2.自動(dòng)化系統(tǒng)的主要組成及技術(shù)分析

新的自動(dòng)化系統(tǒng)采用兩級(jí)控制的方式，第一級(jí)為現(xiàn)場LCU柜控制模式，第二級(jí)為上位機(jī)控制模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用環(huán)網(wǎng)模式。

2.1 自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場主要設(shè)備

自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

共有5個(gè)LCU控制柜，分別是公用LCU控制柜、兩臺(tái)機(jī)組LCU控制柜、閘門LCU控制柜以及節(jié)制閘LCU控制柜。每臺(tái)LCU控制柜都配置了以太網(wǎng)交換機(jī)、可編程序控制器（PLC）、觸摸控制屏等設(shè)備，五臺(tái)LCU柜和網(wǎng)絡(luò)柜通過環(huán)網(wǎng)連接，即使中間某兩組之間的通訊出現(xiàn)問題，依然能和上位機(jī)保持良好通訊，大大提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。5個(gè)LCU控制柜通過兩條通訊來路連接至網(wǎng)絡(luò)柜，整個(gè)通訊連接采用的通訊協(xié)議為Modbus Tcp協(xié)議，LCU柜與網(wǎng)絡(luò)柜組成的環(huán)網(wǎng)采用光纖通信，最高運(yùn)行速度可達(dá)千兆。網(wǎng)絡(luò)柜通過網(wǎng)線分別與上位機(jī)、衛(wèi)星時(shí)鐘主機(jī)、二級(jí)平臺(tái)保持通訊，快捷的數(shù)據(jù)傳輸速度讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。

2.2 控制模式及組成原理

第一級(jí)為就地控制級(jí)，現(xiàn)場LCU柜控制模式控制權(quán)限較高，可完成對各自設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、記錄存檔、處理分析及信息反饋之后的自動(dòng)控制，每臺(tái)LCU柜配置獨(dú)立的PLC，這種現(xiàn)場分散式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是對每臺(tái)套主輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的控制和保護(hù)及數(shù)據(jù)采集，互不干擾。也為單臺(tái)機(jī)組的停機(jī)檢修提供便利?，F(xiàn)場智能采樣單元、溫度巡檢儀、水位計(jì)、開度儀、微機(jī)勵(lì)磁控制裝置、綜合繼電保護(hù)裝置及直流測量儀表等均采用RS485通訊線與通訊工作站連接，并通過主監(jiān)控交換機(jī)與上位機(jī)通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)?，F(xiàn)場設(shè)備除了觸摸屏控制模式之外，還設(shè)立了電氣控制面板和手動(dòng)機(jī)械操作按鈕，通過多渠道的控制方式，為設(shè)備的應(yīng)急管理提供保障。

第二級(jí)為中央控制級(jí)。中央控制級(jí)權(quán)限較現(xiàn)場控制級(jí)低，該級(jí)由兩臺(tái)控制服務(wù)器、一臺(tái)通信工作站、一臺(tái)主監(jiān)控交換機(jī)及GPS時(shí)鐘組成?？刂品?wù)器負(fù)責(zé)從PLC采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建立實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)庫、報(bào)警、事件記錄并執(zhí)行控制操作。而監(jiān)控交換機(jī)就如一座橋梁，把現(xiàn)場設(shè)備和上位機(jī)緊密聯(lián)系起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸，通過與控制服務(wù)器的相互配合，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)控，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)安全。通信工作站作為現(xiàn)場的數(shù)據(jù)中樞，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)肩負(fù)著向當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)服務(wù)器和調(diào)度數(shù)據(jù)中心傳遞信息的功能。通信工作站采用32位RISC CPU架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速處理通信數(shù)據(jù)，并通過專用總線與站控層通信。衛(wèi)星同步主機(jī)采用CPU單片機(jī)控制，同時(shí)跟蹤衛(wèi)星，并按照相應(yīng)的格式經(jīng)串行分別輸出日期、時(shí)間、周波鐘、工頻量等信息，具有精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。中央控制級(jí)就是一個(gè)資源整合的系統(tǒng)，通過對各個(gè)設(shè)備的監(jiān)測、聯(lián)動(dòng)控制形成一系列自動(dòng)化操作流程，向操作人員提供優(yōu)化運(yùn)行方案，自動(dòng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以提高設(shè)備運(yùn)行的安全系數(shù)和利用率。

二級(jí)平臺(tái)屬于泵站管理級(jí)，屬于泵站管理單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，與自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)中樞連接。與上位機(jī)不同的是，它只能接收自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，而不能發(fā)出控制信號(hào)。各層管理人員可以隨時(shí)觀察泵站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，提供泵站運(yùn)行調(diào)度方案。

3.自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能

3.1 設(shè)備的操作保護(hù)

在對設(shè)備進(jìn)行控制操作之前，上位機(jī)會(huì)根據(jù)各LCU柜采集回來的信息進(jìn)行邏輯分析，確定該設(shè)備是否具備操作條件，防止人為誤操作。對不滿足運(yùn)行條件的設(shè)備，值班員可根據(jù)上位機(jī)快速找出原因，通過處理補(bǔ)充條件后，啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備。

3.2 設(shè)備的運(yùn)行控制

包括對35kV、10kV系統(tǒng)供電線路的倒閘切換，主輔機(jī)系統(tǒng)、節(jié)制閘液壓系統(tǒng)以及泵站液壓系統(tǒng)的單機(jī)控制和聯(lián)動(dòng)控制。

3.3 事故的應(yīng)急處理

中央和就地控制均設(shè)置緊急停機(jī)功能，這相當(dāng)于自動(dòng)化系統(tǒng)對閘門LCU柜及主機(jī)組LCU柜的聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)主機(jī)泵發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)緊急停機(jī)功能，在緊急停泵的同時(shí)關(guān)閉相應(yīng)出水門截流，防止因內(nèi)外河水位差過大時(shí)主機(jī)泵出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)逆流現(xiàn)象。

3.4 監(jiān)測功能

對泵站、節(jié)制閘各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、開關(guān)量、模擬量等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，并在中央控制室顯示和打印。

3.5 事故報(bào)警功能

若設(shè)備出現(xiàn)不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)通過上位機(jī)屏顯報(bào)警和聲光報(bào)警提醒值班員。在上位機(jī)上顯示設(shè)備的故障現(xiàn)象、原因以及時(shí)間，同時(shí)在打印機(jī)上打印，并登陸在數(shù)據(jù)庫事故清單內(nèi)，可以按要求查閱和調(diào)用。

3.6 設(shè)備的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化運(yùn)行

上位機(jī)可根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行工況，如最大流量、最高效率、最低能耗等，再結(jié)合樞紐內(nèi)外側(cè)水位差，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對泵站、節(jié)制閘的測控完成聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，對設(shè)備進(jìn)行跟蹤、動(dòng)態(tài)控制，以達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。

3.7 數(shù)據(jù)庫管理

主要是歷史信息的管理和歸檔，分為事件和數(shù)據(jù)。事件是運(yùn)行事件和系統(tǒng)操作，如全部的控制命令和結(jié)果、報(bào)警記錄、設(shè)備保護(hù)記錄、操作票的清單、操作記錄、值班巡視記錄等。數(shù)據(jù)則主要為采集的模擬量，如電氣、水位、溫度等參數(shù)，會(huì)生成各種報(bào)表、曲線圖、統(tǒng)計(jì)表格和記錄等。

3.8 系統(tǒng)和設(shè)備結(jié)構(gòu)的直觀顯示

在中央控制計(jì)算機(jī)界面上，值班員可以看到自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配電線路、主、輔機(jī)等各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使操作人員能夠形象直觀地了解到全站設(shè)備和自動(dòng)化的運(yùn)行狀態(tài)和原理。

3.9 雙機(jī)互為主備支持系統(tǒng)運(yùn)行

為了整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止數(shù)據(jù)丟失，中央控制級(jí)計(jì)算機(jī)采用雙機(jī)熱備用，一旦其中一臺(tái)主機(jī)發(fā)生異常，另一臺(tái)依然能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測、監(jiān)控，并保存歷史數(shù)據(jù)。

3.10 視頻監(jiān)控功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用16個(gè)槍機(jī)、3個(gè)球機(jī)通過視頻主干交換機(jī)與上位機(jī)保持通信，并通過硬盤錄像機(jī)存檔。在中央控制計(jì)算機(jī)界面上可以看到所有站點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行情況，且可以調(diào)取歷史記錄。

4.結(jié)語

自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn)以來，對全站的管理更加科學(xué)化、高效化，但在實(shí)際運(yùn)行過程中仍存在問題需進(jìn)一步完善，如操作流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)定了泵站有四種運(yùn)行工況，除了引水和排澇外，還有自引、自排兩種工況，這兩種工況不需要開啟主機(jī)泵，只提閘門進(jìn)行引排水。筆者認(rèn)為可以優(yōu)化為分階段提閘門的自動(dòng)控制流程。當(dāng)內(nèi)外河水位差過大時(shí)，設(shè)定閘門開啟到較低開度，當(dāng)水位壓力逐漸減小時(shí)分階段提升閘門，直到水位平閘門到全開開度，此方案能夠防止水流流速太快對兩側(cè)水面船只造成走錨、失控等情況，杜絕安全隱患。隨著新設(shè)備、新技術(shù)的發(fā)展，未來的自動(dòng)化控制系統(tǒng)將日趨完善，合理科學(xué)利用自動(dòng)化系統(tǒng)，對城市防洪抗旱、區(qū)域水環(huán)境治理有著深遠(yuǎn)影響。