自動(dòng)化控制系統(tǒng)在泵站中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陸 明

（上海高誠(chéng)智能科技有限公司，上海 201101）

0 引言

南匯北泵站位于上海市浦東新區(qū)，屬于青草沙水源地原水工程的一個(gè)支線工程。該項(xiàng)目主要內(nèi)容包括輸水管道和南匯北泵站。管線自五號(hào)溝泵站圍墻起，沿A30、金海路、華東路至金海泵站，線路長(zhǎng)度約9.0 km，采用DN2800 雙管。絕大部分采用頂管施工，管材為鋼管。金海泵站進(jìn)站控制壓力14.0 m，原水到達(dá)金海泵站后，一部分水量轉(zhuǎn)輸至金海水廠，一部分水量提升后分別向川沙水廠及南匯北泵站方向輸水。轉(zhuǎn)輸和提升的流量規(guī)模分別為80 萬(wàn)m3/d、20 萬(wàn)m3/d 和108 萬(wàn)m3/d。南匯北泵站輸水規(guī)模為108 萬(wàn)m3/d，安裝5 臺(tái)臥式離心泵，采用變頻控制，主要向南匯惠南水廠、航頭水廠、南匯北水廠提供原水。泵站工程自動(dòng)化系統(tǒng)包括：工藝過(guò)程的自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行控制系統(tǒng)；各種檢測(cè)儀表；泵站的集中控制、信息管理系統(tǒng)；具體包括泵站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、35 kV/6 kV 及0.4 kV 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

1 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

（1）南匯北泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的方式，設(shè)置泵站集控室，控制、管理泵站的運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行自動(dòng)化，集控室采用C/S 架構(gòu)形式的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。

（2）泵站監(jiān)控系統(tǒng)可以接受集控中心的調(diào)度命令，上級(jí)集控中心僅對(duì)泵站上傳的信息進(jìn)行監(jiān)視，不做遠(yuǎn)程控制，下級(jí)控制的優(yōu)先權(quán)高于上級(jí)；泵站監(jiān)控系統(tǒng)與集中控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信，通信方式和通信協(xié)議滿足集中控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求。為確保泵站監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間及時(shí)、安全和穩(wěn)定通信，泵站監(jiān)控系統(tǒng)能與集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

（3）每套泵組設(shè)置一套現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制站，獨(dú)立控制泵組系統(tǒng)啟停。對(duì)泵組系統(tǒng)中的軸承溫度、電機(jī)溫度、6 kV 變頻器等電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在泵房控制室設(shè)置PLC 柜，完成泵站工藝和35 kV/6 kV 及0.4 kV 變配電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

（4）每套機(jī)組設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)泵站機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，確保每臺(tái)泵組工作在最佳工作狀態(tài)，延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間，有利于機(jī)組節(jié)能運(yùn)行。

（5）主要機(jī)械設(shè)備配備現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制按鈕和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制界面。人機(jī)界面功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便，全中文界面，具有語(yǔ)音報(bào)警功能。

（6）對(duì)泵站上游管網(wǎng)及下游受水廠的流量、壓力的監(jiān)測(cè)，分析受水廠的進(jìn)水水質(zhì)，通過(guò)無(wú)線通信專(zhuān)線的方式接入泵站集控室。系統(tǒng)設(shè)有統(tǒng)一的GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)以進(jìn)行對(duì)時(shí)和時(shí)鐘校正。系統(tǒng)配備統(tǒng)一的GPS 時(shí)鐘服務(wù)器，用于時(shí)間同步和時(shí)鐘校正。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)由中心集控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制層組成。由泵站工藝和35 kV/6 kV 及0.4 kV 變配電監(jiān)控系統(tǒng)、主泵機(jī)組PLC 以及各PLC 至監(jiān)控對(duì)象設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O 設(shè)備，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制層。

（1）中控室監(jiān)控裝置之間連接采用100 M 以太網(wǎng)，通信傳輸介質(zhì)為網(wǎng)線。

（2）現(xiàn)場(chǎng)就地控制單元層主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)型結(jié)構(gòu)100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為光纜。

（3）中控室與所轄管線及水廠監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間通信信道采用GPRS/CDMA。

（4）PLC 控制柜與變頻器、軟啟動(dòng)器、低壓柜智能開(kāi)關(guān)、電力網(wǎng)絡(luò)儀表、變壓器、溫控器、UPS 之間通信，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線、通信協(xié)議為MODBUS RTU。

3 泵組工藝流程

（1）根據(jù)上級(jí)下達(dá)的水量需求指令進(jìn)行輸水泵組控制。

（2）主機(jī)組水泵和閥門(mén)開(kāi)停一步化操作順序：機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)，先開(kāi)泵，待出水管道壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，再開(kāi)出水閥門(mén)；機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)，先關(guān)出水閥門(mén)，再關(guān)水泵。變頻水泵控制根據(jù)出水總管壓力或流量反饋，控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（3）自動(dòng)增減運(yùn)行泵數(shù)量時(shí)，根據(jù)泵運(yùn)行時(shí)間選擇泵，實(shí)現(xiàn)泵的均衡工作。運(yùn)行時(shí)間相同時(shí)，按泵的順序啟停。

4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）操作員站。作為監(jiān)視和操作的主要手段，操作員與操作員站之間的交互是通過(guò)操作員使用的計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、鍵盤(pán)或鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。操作員站僅允許進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視，控制調(diào)整和參數(shù)設(shè)置之類(lèi)操作，不允許修改或測(cè)試各種應(yīng)用程序軟件。操作員通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)選擇菜單，完成操作控制任務(wù)。操作之前，首先輸入密碼，調(diào)用相關(guān)的控制對(duì)象屏幕，然后選擇對(duì)象。屏幕上的被控制對(duì)象應(yīng)有“顯示反應(yīng)和選擇無(wú)誤”的提示，操作者確定目標(biāo)后才可進(jìn)行相關(guān)操作。操作員在操作員站上輸入密碼后，能夠方便、準(zhǔn)確地設(shè)置或修改操作模式，設(shè)置操作參數(shù)，巡查時(shí)間，優(yōu)先權(quán)等。

（2）工程師站。完成系統(tǒng)生成和啟動(dòng)；系統(tǒng)管理維護(hù)和監(jiān)控設(shè)備的軟硬件/通信故障診斷；應(yīng)用軟件的圖形開(kāi)發(fā)和修改，以及工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改、各種報(bào)表的生成。

（3）SCADA 及I/O 服務(wù)器。主要完成各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、生成與存儲(chǔ)。系統(tǒng)中的兩臺(tái)SCADA 及I/O 服務(wù)器必須支持雙機(jī)冗余，并且須保證冗余切換時(shí)間低于1 s。冗余切換過(guò)程中應(yīng)保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的完整。故障恢復(fù)后，故障期間的歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)應(yīng)能夠自動(dòng)同步，不會(huì)丟失。系統(tǒng)能夠提供與分布于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備（如RTU、PLC 和DCS）通信服務(wù)的能力，與主流PLC、DCS 通信，支持串口或者現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。

（4）運(yùn)行監(jiān)視。集中控制室通過(guò)液晶顯示屏和操作終端等顯示設(shè)備監(jiān)視泵站的生產(chǎn)過(guò)程。液晶顯示屏動(dòng)態(tài)顯示各主要設(shè)備的狀態(tài)、主要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。例如，各臺(tái)泵組運(yùn)行狀況、出水流量、進(jìn)出水壓力、下游水廠水質(zhì)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、電力參數(shù)、電量數(shù)據(jù)和事故報(bào)警等，用于全盤(pán)掌握泵站的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程。

（5）運(yùn)行控制。集控室的運(yùn)行控制由操作終端實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)泵站的生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制。集控室原則上不直接參與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的具體控制，主要用于操作監(jiān)控和調(diào)度、參數(shù)設(shè)置和信息管理。集中控制室將單體或節(jié)點(diǎn)的操作控制目標(biāo)分配給每個(gè)過(guò)程單體控制系統(tǒng)，并命令一組特定的過(guò)程設(shè)備投入運(yùn)行或停止運(yùn)行。對(duì)于允許在集中控制室投入運(yùn)行的設(shè)備或設(shè)備組，特定的控制過(guò)程由單個(gè)控制系統(tǒng)管理；對(duì)于禁止在集中控制室內(nèi)投入運(yùn)行的設(shè)備或設(shè)備組，單個(gè)控制系統(tǒng)將控制它們退出運(yùn)行，并且該設(shè)備被標(biāo)記為不可用，將不再被激活。

（6）數(shù)據(jù)管理。集控室是泵站運(yùn)行進(jìn)程的數(shù)據(jù)中心。集中控制室數(shù)據(jù)庫(kù)記錄每個(gè)單獨(dú)控制系統(tǒng)報(bào)告的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)處理這些數(shù)據(jù)，可以形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，生產(chǎn)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)報(bào)告等。

（7）報(bào)警處理。當(dāng)泵站工藝過(guò)程或設(shè)施運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即響應(yīng)，發(fā)出聲光報(bào)警提示信號(hào)。①聲報(bào)警。由安裝于操作客戶端的音箱發(fā)聲，聲報(bào)警在確認(rèn)后消除；②光報(bào)警。操作客戶端閃爍顯示報(bào)警內(nèi)容，光報(bào)警在故障消除后，系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動(dòng)解除。

（8）事件處理。事件是指運(yùn)行事件和重要的人工和系統(tǒng)操作，各事件按發(fā)生時(shí)間倒序排列。主要事件都要記入不可修改的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（9）報(bào)表及打印功能。監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)生成客戶定制化的報(bào)表，如日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)和效率報(bào)表等。報(bào)表中有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以插入說(shuō)明文字。各種報(bào)表、曲線、報(bào)警信息等均可打印。

5 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

本泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)所有設(shè)備采用PLC 控制實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)采用集散控制方式，根據(jù)工程運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)的設(shè)置，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度方式分為三級(jí)。

5.1 遠(yuǎn)程調(diào)度級(jí)操作（第一級(jí)）

青草沙水源地集控調(diào)度中心控制人員可以通過(guò)調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)租用的電信、聯(lián)通、移動(dòng)通道與泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，遠(yuǎn)程監(jiān)視泵站的主要數(shù)據(jù)，暫不做遠(yuǎn)程控制。

5.2 泵站控制中心計(jì)算機(jī)/觸摸屏（第二級(jí)）

（1）泵站自動(dòng)控制。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)泵站工藝預(yù)先給定的流量壓力及其他條件，自動(dòng)控制泵站各泵組的啟停以及附屬設(shè)備。

（2）泵站手動(dòng)控制。在操作員站上，操作人員通過(guò)顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行操作?？蓪?shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)或一鍵停機(jī)，或者按照提示分步操作。

泵房控制室上位機(jī)與就地觸摸屏具有相同級(jí)別權(quán)限，上位機(jī)操作權(quán)限與觸摸屏操作權(quán)限，可通過(guò)操作軟件實(shí)現(xiàn)相互切換和閉鎖。

5.3 現(xiàn)地手動(dòng)級(jí)（第三級(jí)）

（1）通過(guò)設(shè)備的機(jī)旁箱上按鈕，實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備的手動(dòng)運(yùn)行操作。

（2）現(xiàn)地控制權(quán)限為最高級(jí)別權(quán)限，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的硬件轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)與上級(jí)操作權(quán)限進(jìn)行切換，能完全獨(dú)立于上級(jí)工作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下的手動(dòng)操作。該方式主要用于調(diào)試、試驗(yàn)以及緊急情況。

5.4 運(yùn)行方式的切換

現(xiàn)場(chǎng)PLC 站級(jí)、水廠中控室監(jiān)控系統(tǒng)均設(shè)有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種模式，現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)有“就地/遠(yuǎn)程”兩種方式，均可根據(jù)需要自行切換。

當(dāng)上位監(jiān)控設(shè)備或數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，不影響機(jī)組運(yùn)行，控制級(jí)可降級(jí)行使對(duì)所在單體的控制功能，維持泵站正常運(yùn)行。操作人員也可通過(guò)各現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制站的觸摸屏，按照預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行模式，監(jiān)控水泵等設(shè)備運(yùn)行。

當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障退出運(yùn)行或者觸摸屏出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)行人員可以通過(guò)現(xiàn)地控制箱上的操作按鈕控制設(shè)備。當(dāng)主控制器運(yùn)行正常而根據(jù)調(diào)試需要，運(yùn)行人員可以通過(guò)現(xiàn)地操作箱上的按鈕控制設(shè)備。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及大量自動(dòng)化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化系統(tǒng)已成為各種大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的必然選擇。本文介紹的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在泵站中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)南匯北泵站的自動(dòng)化控制，可以和上級(jí)調(diào)度中心通信，以及采集下游3 個(gè)水廠的各種參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，采集數(shù)據(jù)的分析處理，并生成各種所需報(bào)表、趨勢(shì)曲線和報(bào)警界面等，便于分析研究各種設(shè)備運(yùn)行工況。該自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，始終安全、可靠和穩(wěn)定，為上海南匯地區(qū)提供了優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)江原水，為供水調(diào)度提供決策依據(jù)，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。