自動(dòng)化系統(tǒng)在南水北調(diào)臺兒莊泵站中的應(yīng)用

蘇陽 孫路 陳伯渠

摘要：隨著科技發(fā)展的日新月異，泵站逐步向著自動(dòng)化、信息化、智能化的模式轉(zhuǎn)變。臺兒莊泵站的運(yùn)行管理目標(biāo)為“無人值守、少人值班”，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要有過硬的自動(dòng)化信息水平?，F(xiàn)以臺兒莊泵站自動(dòng)化系統(tǒng)為例，介紹了泵站自動(dòng)化系統(tǒng)概況，泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的組成及存在的問題等，并在技術(shù)上進(jìn)行了一些探討。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;控制;泵站;計(jì)算機(jī)

0? ? 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，泵站根據(jù)實(shí)際情況，將各類分散分布式泵站自動(dòng)化系統(tǒng)各現(xiàn)場輸入、輸出單元部件，分別安裝在高低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近，用以處理各開關(guān)單元的繼電保護(hù)和監(jiān)控功能;或是使現(xiàn)場的保護(hù)和監(jiān)控部件分別保持相對獨(dú)立，在泵站中控室內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與各現(xiàn)場單元部件進(jìn)行通信聯(lián)系。

1? ? 臺兒莊泵站自動(dòng)化系統(tǒng)概況

臺兒莊泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)體現(xiàn)了“安全可靠、功能完善、實(shí)用經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)簡單”，在硬件設(shè)計(jì)上，采取“集中管理，分散控制”的形式，在軟件設(shè)計(jì)上，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。

計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用工業(yè)環(huán)形光纖以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分層分布，分為遠(yuǎn)控級、主控級與現(xiàn)地級，各級之間可以進(jìn)行無擾動(dòng)切換。系統(tǒng)的控制權(quán)限越靠近設(shè)備，控制權(quán)越高?？刂茩?quán)順序?yàn)椋含F(xiàn)地、中控室與遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方控制需經(jīng)授權(quán)才能進(jìn)行操作?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對程序。系統(tǒng)采用了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，保證不會因?yàn)槿魏我粋€(gè)器件發(fā)生故障而引起系統(tǒng)誤操作。

現(xiàn)地級與主控級采用具有冗余功能的環(huán)形光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用赫斯曼工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)具備網(wǎng)管功能，為導(dǎo)軌卡槽式安裝。主控級通過光纖與管理處（局域網(wǎng)）傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)與南水北調(diào)東線一期工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像傳輸。

遠(yuǎn)控級設(shè)在棗莊調(diào)度分中心、省調(diào)中心，通過千兆光纖與泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)泵站、清污機(jī)閘運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)等信息采集。

主控級設(shè)于管理處的調(diào)度室內(nèi)，通過管理處局域網(wǎng)將主機(jī)組、變壓器、輔機(jī)系統(tǒng)、出水閘等機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息與數(shù)據(jù)（如運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、水位、流量等）上傳至棗莊調(diào)度分中心。通過控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地級建立通信，在中控室操作站的監(jiān)控畫面上實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)。

現(xiàn)地控制級是系統(tǒng)最后一級也是最優(yōu)先的一級控制，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入、輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號;向上接收上級主機(jī)的控制命令，并上傳現(xiàn)場的實(shí)時(shí)信息，實(shí)施對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制。

1.1? ? 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

本網(wǎng)絡(luò)采用單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到系統(tǒng)冗余的需要，網(wǎng)絡(luò)控制中心采用雙節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并預(yù)留千兆端口連接至上級監(jiān)控泵站或管理中心。

主干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)采用德國赫斯曼公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)控制中心選用2臺MICE系列MS30-1602SAAPHC交換機(jī)，該交換機(jī)為千兆模塊化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，支持2個(gè)千兆端口模塊，16個(gè)10M/100M以太網(wǎng)端口，并且可以擴(kuò)展到24個(gè)百兆端口，以滿足擴(kuò)充情況下對網(wǎng)絡(luò)的端口需求。

1.2? ? 上位機(jī)軟件

監(jiān)控計(jì)算機(jī)兼主機(jī)軟件配置Win2000操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺軟件Intouch（RT）10.0、監(jiān)控運(yùn)行平臺軟件Intouch（RT）10.0以及在以上平臺開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，完成的功能：對整個(gè)工程計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫管理，在線或離線計(jì)算功能，各種圖表、曲線的生成，事故、故障信號的分析處理。運(yùn)行值守人員通過主機(jī)CRT的圖形化畫面進(jìn)行整個(gè)泵站運(yùn)行監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)庫報(bào)表管理。

通過Intouch軟件實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備用。當(dāng)主用機(jī)發(fā)生故障時(shí)，備用機(jī)的數(shù)據(jù)庫具有與故障系統(tǒng)相同的內(nèi)容且能繼續(xù)對過程做數(shù)據(jù)登錄，并且對以前登錄的數(shù)據(jù)具有完全的訪問權(quán)限，一旦主用機(jī)恢復(fù)正常，就可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，切換過程無擾動(dòng)。

現(xiàn)上位機(jī)操作站實(shí)現(xiàn)功能：正常自動(dòng)啟停機(jī)組、遠(yuǎn)控及監(jiān)視勵(lì)磁系統(tǒng)、遠(yuǎn)控閘門啟閉、遠(yuǎn)控供配電倒閘操作、遠(yuǎn)控清污機(jī)運(yùn)行、遠(yuǎn)控監(jiān)視冷水機(jī)組、監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀況（開關(guān)量與模擬量）、監(jiān)視所有通信設(shè)備及輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況、監(jiān)視電氣運(yùn)行情況、監(jiān)視泵站上下水位及流量、機(jī)組運(yùn)行報(bào)表、按需調(diào)取運(yùn)行數(shù)據(jù)等。

1.3? ? 自動(dòng)化現(xiàn)地控制

現(xiàn)地控制單元設(shè)置PLC集中控制，其中每臺主機(jī)分別設(shè)置1套PLC，計(jì)5套;公共設(shè)備如主變、站變、110 kV進(jìn)線、廠用電及直流等設(shè)置1套PLC，以上共計(jì)6套。6塊現(xiàn)地控制屏每塊屏另配置1套液晶觸摸屏，分別接入各自PLC，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地操作及監(jiān)測功能，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上光纖環(huán)網(wǎng)。另外，風(fēng)機(jī)動(dòng)力柜、供水泵動(dòng)力柜、排水泵動(dòng)力柜、空壓機(jī)動(dòng)力柜、排澇涵閘動(dòng)力柜分別各設(shè)置1套PLC，清污機(jī)閘設(shè)置3套PLC，清污機(jī)及皮帶輸送機(jī)設(shè)1套PLC，共計(jì)9套，各配一個(gè)以太網(wǎng)通信口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。電氣繼電保護(hù)裝置和同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置通過RS-485串行通信口與各自PLC連接;溫度、液位等傳感器通過RS-485串行通信口或4～20 mA輸出與PLC連接。

泵站10孔快速（工作閘門5孔、事故閘門5孔）閘門采用液壓啟閉機(jī)啟閉，每孔閘門油缸內(nèi)配置2套開度儀，共計(jì)20套。系統(tǒng)設(shè)置2套美國GE PAC Systems RX3i PLC，具備以太網(wǎng)通信接口，PLC單獨(dú)組屏。將液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制納入泵站計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，確保機(jī)組與閘門能正常聯(lián)動(dòng)工作，裝置動(dòng)作情況及監(jiān)測量數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)快速閘門的自動(dòng)控制。

清污機(jī)閘9孔閘門采用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，每3孔閘門設(shè)置1套現(xiàn)地控制箱，共計(jì)3套，目前現(xiàn)地控制箱布置在戶外。3套PLC、3個(gè)觸摸屏及9個(gè)開度荷重顯示儀分別安裝于3套清污機(jī)動(dòng)力配電控制箱內(nèi)，1套赫斯曼交換機(jī)安裝于1#動(dòng)力控制箱內(nèi)，提供的9套閘門開度傳感器安裝于啟閉機(jī)轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)9孔清污機(jī)閘門的自動(dòng)及現(xiàn)地手動(dòng)控制。

清污機(jī)閘處還設(shè)有9孔清污機(jī)及1臺皮帶輸送機(jī)，該系統(tǒng)設(shè)置1套LCU控制屏，屏內(nèi)布置1套美國GE PAC Systems RX3i PLC，具備以太網(wǎng)通信口。將清污機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制納入泵站計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，確保清污機(jī)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、自動(dòng)及定時(shí)清污并上傳數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)配置一套GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)，其中包含時(shí)鐘同步信號擴(kuò)展器，在與上位機(jī)對時(shí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備對時(shí)功能。

2? ? 存在的問題

2.1? ? 自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)備老化

自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)備老化，如操作站及服務(wù)器出廠時(shí)間較早，該系列產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)廠家早已停產(chǎn)，設(shè)備損壞后雖然能夠維修，但部分零部件已停產(chǎn)造成尋找匹配部件時(shí)間較長，且有些硬件設(shè)備不能方便地找到替代產(chǎn)品，直接影響泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2? ? 自動(dòng)化系統(tǒng)軟件版本較低

自動(dòng)化系統(tǒng)軟件更新、升級較快，如數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等應(yīng)用軟件，安裝時(shí)軟件版本較低、兼容性較差，后期不能及時(shí)進(jìn)行更新升級，不利于流程、界面的進(jìn)一步優(yōu)化提升。

2.3? ? 前端設(shè)備不可靠

通過近幾年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，上位機(jī)系統(tǒng)中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示不準(zhǔn)確或無數(shù)據(jù)顯示等問題，都是由于數(shù)據(jù)采集器、傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)等前端設(shè)備出現(xiàn)故障所致，而不是由于自動(dòng)化本身的原因，在故障處理中需正確作出判斷。

2.4? ? 系統(tǒng)維護(hù)水平有待進(jìn)一步提高

目前，泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備主要是依靠設(shè)備廠家或代維單位進(jìn)行維護(hù)管理，在專業(yè)程度上還需要進(jìn)一步提升，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或缺陷時(shí)，大多要依靠代維專業(yè)技術(shù)人員來處理，造成了故障或缺陷處理不夠及時(shí)等問題。

3? ? 結(jié)語

自動(dòng)化系統(tǒng)控制已經(jīng)作為基本的控制方式廣泛應(yīng)用于大型泵站工程，并利用網(wǎng)絡(luò)將泵站內(nèi)的許多智能裝置進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了信息共享，但系統(tǒng)內(nèi)的許多數(shù)據(jù)資源遠(yuǎn)沒有充分利用。因此，充分利用數(shù)據(jù)資源將是今后重點(diǎn)關(guān)注的方向，可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率因數(shù)控制、葉片角度自動(dòng)調(diào)節(jié)、事故應(yīng)急處理、多臺機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案優(yōu)化、設(shè)備全壽命周期管理等功能，確保泵站安全運(yùn)行，提高泵站運(yùn)行效率，繼續(xù)向泵站智能化方向邁進(jìn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 盛林華.永昌涇河口工程自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.

[2] 楊同文.泵站計(jì)算機(jī)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（14）：145.

[3] 邢維勇.變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)存在的問題[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009（14）：264.

收稿日期：2020-05-26

作者簡介：蘇陽（1987—），男，山東棗莊人，主要從事大型泵站工程調(diào)度運(yùn)行管理工作。