泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧慧德

（廣東省佛山市高明區(qū)滄江泵站管理處，廣東佛山 528000）

滄江泵站安裝有4臺(tái)立式全調(diào)節(jié)軸流泵，總裝機(jī)容量5000 kW，是廣東佛山高明區(qū)高明滄江水利工程的重要環(huán)節(jié)，是一個(gè)極為重要的水利樞紐?；诖?，滄江泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)在高明滄江水利綜合自動(dòng)化系統(tǒng)工程中處于重要地位。

滄江泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別為現(xiàn)地控制系統(tǒng)、中控室監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)。

1 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

現(xiàn)地控制系統(tǒng)為L(zhǎng)CU 控制柜，監(jiān)控現(xiàn)地各分散的設(shè)備：LCU 的PLC 與以太網(wǎng)交換機(jī)采用雙絞線連接組成星型以太網(wǎng)；高低壓交流電量采集、微機(jī)保護(hù)裝置、機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)等設(shè)備與現(xiàn)地PLC 之間采用RS-485串行通信網(wǎng)連接，通信協(xié)議為MODBUS。微機(jī)保護(hù)裝置中的重要信號(hào)采用硬接線的方式和PLC的I/O 模塊連接。

控制系統(tǒng)按控制權(quán)分現(xiàn)地控制、泵站控制室監(jiān)控，主、備計(jì)算機(jī)工作站可以按需要自行轉(zhuǎn)換。控制權(quán)限的優(yōu)先次序是“現(xiàn)地控制、泵站控制室監(jiān)控”?，F(xiàn)地設(shè)備電氣控制箱均配備自動(dòng)/手動(dòng)切換的按鈕，當(dāng)檢修試驗(yàn)時(shí)或LCU 和上位機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)（如信號(hào)中斷等），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地開(kāi)停機(jī)操作。根據(jù)滄江泵站的供配電系統(tǒng)、工藝運(yùn)行參數(shù)、水泵機(jī)組工作狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè)和控制，完成泵站工況檢測(cè)和控制的同時(shí)，向滄江水利工程中控室監(jiān)控系統(tǒng)傳送采集的信息；接收中控室監(jiān)控系統(tǒng)下載的數(shù)據(jù)、調(diào)度或應(yīng)急命令。

1.1 泵站數(shù)據(jù)采集和傳輸

滄江泵站現(xiàn)地控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)整個(gè)泵站遙測(cè)量、遙信量、遙控量的采集和傳輸，其監(jiān)控通信工作主要由PLC 完成。

（1）監(jiān)測(cè)?？刂圃O(shè)備的分合狀態(tài)；10 kV 側(cè)電壓、電流、功率等；水泵電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電量、效率、電機(jī)溫度、葉輪角度；站用變壓器的電流、電壓、溫度、冷卻風(fēng)機(jī)、功率等；內(nèi)、外江側(cè)水位；各種輔助設(shè)備的狀態(tài)。

（2）控制?？刂齐姎鈹嗦菲鞯姆趾祥l；控制設(shè)備斷路器的分合閘；各種輔助設(shè)備的控制；勵(lì)磁裝置的控制；水泵葉輪角度定位。

滄江泵站現(xiàn)地控制系統(tǒng)的核心是PLC 系統(tǒng)。電量變送器、水位測(cè)量?jī)x表、機(jī)電控制設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)電量信號(hào)、非電量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并向PLC傳送；控制繼電器完成PLC 發(fā)出的控制命令；PLC 系統(tǒng)收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表傳送的信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，按預(yù)先編制的程序，對(duì)這些量進(jìn)行計(jì)算、判斷、比較，將結(jié)果送至相應(yīng)的寄存器單元，輸出控制命令至控制繼電器完成對(duì)水泵、輔助設(shè)備、電柜等設(shè)備的運(yùn)行控制；顯示操作盤(pán)作為人機(jī)接口界面為值班人員提供泵站工況顯示和手動(dòng)操作，通過(guò)光纜與中控室監(jiān)控系統(tǒng)通信。

1.2 水泵控制

水泵的控制分為3級(jí)：基本（水泵配電柜）控制級(jí)、就地（PLC）控制級(jí)、中央控制級(jí)，完成水泵的維修試車(chē)、水泵就地手動(dòng)/自動(dòng)控制、水泵遠(yuǎn)程遙控。在就地（PLC）控制級(jí)和中央控制級(jí)時(shí)，水泵控制運(yùn)行處于就地手動(dòng)、就地自動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控3種模式，這3種模式由就地PLC 控制柜上的控制模式切換開(kāi)關(guān)選擇，在模式變化時(shí)，泵站運(yùn)行設(shè)備的工況狀態(tài)保持不變。

（1）基本（水泵配電柜）控制級(jí)：在饋電給水泵機(jī)組電動(dòng)機(jī)的配電柜上設(shè)置機(jī)側(cè)操作/遠(yuǎn)程運(yùn)行的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，基本控制級(jí)就是水泵處于維修狀態(tài)或監(jiān)控系統(tǒng)處于檢修檢查時(shí)，維修人員或值班人員在配電柜上操作按鈕啟動(dòng)/停止水泵，是維修人員對(duì)水泵進(jìn)行維修試車(chē)或性能檢查的一種手段或是監(jiān)控系統(tǒng)處于檢修時(shí)的臨時(shí)操作方式。在遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)下，水泵的操作權(quán)限轉(zhuǎn)交給就地控制級(jí)或中央控制級(jí)。

（2）就地（PLC）控制級(jí)：就地控制是水泵控制主要級(jí)，是實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”技術(shù)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)泵站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，是滄江泵站監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵工作之一。在就地控制級(jí)，水泵的運(yùn)行在“就地手動(dòng)”和“就地自動(dòng)”。①就地手動(dòng)。在滄江泵站監(jiān)控系統(tǒng)的顯示操作盤(pán)面板上設(shè)有控制水泵運(yùn)行的手動(dòng)按鈕，泵站值班人員根據(jù)要求，選用泵站中可用水泵，通過(guò)顯示操作盤(pán)面板上按鈕控制水泵的運(yùn)行或停止。在這種控制方式下，操作面板上只有水泵的控制按鈕，操作人員選擇控制某一臺(tái)泵時(shí)，PLC 程序?qū)⒏鶕?jù)水泵運(yùn)行操作規(guī)程，按時(shí)序和聯(lián)鎖關(guān)系控制水泵以及相關(guān)設(shè)備。在進(jìn)行上述操作時(shí)，操作面板上將顯示泵站中目前運(yùn)行累積時(shí)間最短的泵號(hào)和目前正在運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的泵號(hào)供操作人員選擇。②就地自動(dòng)。就地自動(dòng)控制是一個(gè)預(yù)留的功能，主要是根據(jù)整個(gè)滄江水系對(duì)滄江泵站的運(yùn)行要求為依據(jù)，由PLC 自動(dòng)控制泵站的運(yùn)行/停止，在泵啟動(dòng)/停止控制操作時(shí)，PLC 將按照就地手動(dòng)模式下的兩種方式控制邏輯對(duì)泵進(jìn)行按時(shí)序及設(shè)備聯(lián)鎖進(jìn)行控制。

1.3 系統(tǒng)聯(lián)鎖

為了滄江泵站的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，必要的系統(tǒng)聯(lián)鎖是需要的。這里所述的聯(lián)鎖是PLC 的軟件聯(lián)鎖，主要對(duì)水泵控制而言。

（1）水泵的啟動(dòng)聯(lián)鎖條件：10 kV 電壓正常；10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)故障；水泵冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行；水泵冷卻水電磁閥打開(kāi)、有流量；水泵電機(jī)勵(lì)磁電流正常、無(wú)故障；水泵電機(jī)饋電回路無(wú)故障。在這些條件滿(mǎn)足的情況下，PLC 才輸出水泵的啟動(dòng)信號(hào)，否則封鎖水泵啟動(dòng)信號(hào)輸出。

（2）水泵緊急停止聯(lián)鎖條件：10 kV 供電回路故障；水泵饋電回路故障；水泵冷卻風(fēng)機(jī)停止、故障；水泵冷卻水無(wú)流量；水泵電機(jī)勵(lì)磁柜故障。在上述任一條件發(fā)生，PLC 輸出水泵的停止信號(hào)，封鎖水泵啟動(dòng)信號(hào)輸出。

1.4 系統(tǒng)的故障信號(hào)

（1）水泵故障。滄江泵站現(xiàn)地控制系統(tǒng)的水泵故障信號(hào)是一個(gè)綜合信號(hào)，是以下信號(hào)的組合：電機(jī)過(guò)負(fù)荷動(dòng)作跳閘；低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘；宗聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘；失步保護(hù)動(dòng)作跳閘；保護(hù)繼電器動(dòng)作自鎖未復(fù)歸。

（2）10 kV 供電變壓器系統(tǒng)故障。滄江泵站現(xiàn)地控制系統(tǒng)的10 kV 供電變壓器系統(tǒng)故障信號(hào)同樣是一個(gè)綜合信號(hào)，是以下信號(hào)的組合：工作電流過(guò)流；零序電流過(guò)流；單相接地故障。

故障信號(hào)的輸入方式，對(duì)于電機(jī)的故障信號(hào)以及10 kV 供電系統(tǒng)故障信號(hào)、變壓器系統(tǒng)的故障信號(hào)均從綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置系統(tǒng)以MODBUS 通信方式數(shù)據(jù)總線傳輸。

1.5 電力系統(tǒng)的保護(hù)

繼電保護(hù)對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。繼電保護(hù)產(chǎn)品必須對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)的任何故障給予毫秒級(jí)的快速反應(yīng)和檢測(cè)，以保證電力系統(tǒng)的安全，避免電力系統(tǒng)損壞和系統(tǒng)的瓦解。滄江泵站的供配電系統(tǒng)的保護(hù)自成系統(tǒng)，可單獨(dú)對(duì)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口向監(jiān)控系統(tǒng)上送電力系統(tǒng)的狀態(tài)與工作變量。①10 kV 進(jìn)線繼電保護(hù)，滄江泵站的10 kV 進(jìn)線繼電保護(hù)包括短路、過(guò)流、接地保護(hù)。②主機(jī)組繼電保護(hù)，主機(jī)組繼電保護(hù)包括差動(dòng)保護(hù)、過(guò)電流、過(guò)負(fù)荷、低電壓、失步保護(hù)級(jí)溫度保護(hù)。電機(jī)保護(hù)繼電器組合了一系列電機(jī)所特有的保護(hù)元件，具有測(cè)量、監(jiān)視和控制等功能，還包括順序時(shí)間記錄、高精度表計(jì)、變電站電源電壓測(cè)量和單元斷路器監(jiān)視能力，是電機(jī)保護(hù)的完善選擇。③站用變壓器繼電保護(hù)，站用變壓器繼電保護(hù)包括短路、過(guò)流、過(guò)電壓、和溫度保護(hù)。④其他低壓電路保護(hù)，滄江泵站的低壓保護(hù)均利用低壓電路主開(kāi)關(guān)脫扣器作為過(guò)載短路保護(hù)。

2 中控室監(jiān)控系統(tǒng)

中控室監(jiān)控系統(tǒng)位于控制室，設(shè)置2臺(tái)操作員工作站，采用星型1000/100 Mbps 以太網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和PLC 聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為T(mén)CP/IP 協(xié)議，中控室監(jiān)控系統(tǒng)組成開(kāi)放的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)傳送的暢通。系統(tǒng)設(shè)備包含一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，2臺(tái)操作員工作站。

中控室監(jiān)控系統(tǒng)功能包括各種圖表、曲線的生成，事故、故障信號(hào)的分析處理，在線或離線計(jì)算功能，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，整個(gè)工程計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的管理。運(yùn)行管理人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的圖形化畫(huà)面，進(jìn)行整個(gè)工程運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表管理和監(jiān)視。

滄江泵站現(xiàn)有4臺(tái)水泵機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組共用1套LCU，設(shè)公用LCU 1套，共3套現(xiàn)地LCU 柜?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中控制層與各現(xiàn)地控制單元連接交換信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地設(shè)備的控制、監(jiān)視及數(shù)據(jù)共享。一些沒(méi)有通信接口的設(shè)備需通過(guò)現(xiàn)地控制單元的I/O 模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)和控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)按照“無(wú)人值守”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理采用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行。系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下條件。

（1）系統(tǒng)安全可靠，并且有自診斷功能。系統(tǒng)的關(guān)鍵部位如系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)具有冗余配置，互為備用。

（2）采用業(yè)界流行的控制模式，即開(kāi)放的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（4）系統(tǒng)應(yīng)具有較好的可維護(hù)性，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，統(tǒng)一規(guī)范，具有方便友好的人機(jī)界面。

（5）應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的抗干擾及防雷電破壞能力。

（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備選型均達(dá)到全開(kāi)放式的要求，便于系統(tǒng)功能和設(shè)備的擴(kuò)充，便于與日后發(fā)展的各系統(tǒng)連接與通信。如與上級(jí)調(diào)度中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)遙信、遙控、遙測(cè)、遙視、遙調(diào)；與工業(yè)電視通信，實(shí)現(xiàn)遙視功能。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)泵站現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)控操作系統(tǒng)位于中央控制室，設(shè)置18個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)。視頻監(jiān)控點(diǎn)就近配置光端機(jī)進(jìn)行視頻傳輸。各視頻監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控信息通過(guò)光纖交換機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)刻錄機(jī)送至服務(wù)器。

（2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電源、信號(hào)以及控制線均沿電氣的電纜溝敷設(shè)，為避免信號(hào)干擾，在電纜溝內(nèi)敷設(shè)時(shí)應(yīng)沿著自控電纜層的金屬橋架敷設(shè)。出電纜溝后穿保護(hù)管埋地-0.8 m 敷設(shè)至監(jiān)控點(diǎn)。

（3）室外監(jiān)控?cái)z像頭的電源均來(lái)源于中控室、就近LCU 柜或配電箱，室內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭的電源來(lái)源于各單體照明配電箱。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留有上傳通信接口，以方便統(tǒng)一管理。

（5）UPS 備用電源的輸出端PE 線進(jìn)行重復(fù)接地。

3.2 功能設(shè)計(jì)

（1）能全天監(jiān)視目標(biāo)場(chǎng)所，做到圖像清晰，控制靈敏，畫(huà)面質(zhì)量達(dá)到1080 P 的畫(huà)質(zhì)。

（2）所有圖像可在平臺(tái)主機(jī)和陣列上進(jìn)行錄像記錄，并可抓拍打印畫(huà)面。

（3）安防監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)全部監(jiān)視點(diǎn)圖像實(shí)時(shí)（不低于25 幀/s）錄像，錄像分辨率應(yīng)達(dá)到1080 P。所存貯的圖像資料能頻繁回放，回放可單幀和連續(xù)；圖像可長(zhǎng)時(shí)間存貯，圖像質(zhì)量始終不變。系統(tǒng)具有長(zhǎng)時(shí)間工作的全自動(dòng)化能力，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)視頻圖的變化，畫(huà)面有變化即進(jìn)行錄像，不變立刻停止（即差異存貯），不會(huì)丟失任何視頻圖信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)事件發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（4）視頻監(jiān)控控制系統(tǒng)應(yīng)能直接控制鏡頭。而這些控制均應(yīng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，方便現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視人員調(diào)整鏡頭畫(huà)面。

（5）系統(tǒng)具有便捷的影像搜尋能力（可根據(jù)攝探頭編號(hào)、時(shí)間段進(jìn)行搜尋）與回放操作，使用者能快速找到需要的影像進(jìn)行畫(huà)面剪輯和拍照，進(jìn)行后期作業(yè)。

（6）系統(tǒng)使用統(tǒng)一平臺(tái)軟件，使生產(chǎn)安防監(jiān)控系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)能統(tǒng)一管理，用戶(hù)只需與系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（7）系統(tǒng)提供相應(yīng)軟件以實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)功能，如自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)、預(yù)約錄像和循環(huán)錄像等功能，系統(tǒng)一經(jīng)設(shè)定后即可自行工作，減少人力管理的麻煩與維護(hù)的成本。

（8）操作人員可以用監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)提供密碼保護(hù)裝置。監(jiān)控的電源線與信號(hào)線均設(shè)置防雷保護(hù)裝置，對(duì)前端設(shè)備和后端系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。防雷保護(hù)裝置在不影響監(jiān)視系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下，能夠承受預(yù)期通過(guò)它們的過(guò)電壓和雷電流，確保監(jiān)視系統(tǒng)電子設(shè)備不受損害。

4 泵站信息管理系統(tǒng)

泵站信息管理系統(tǒng)包括綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

（1）綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)涉及的眾多信息進(jìn)行信息分析、信息流程分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，提出綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)分成關(guān)系表數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)、超文本數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)4大類(lèi)型，針對(duì)個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)分別采用相應(yīng)管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)系表數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和管理。為系統(tǒng)與各應(yīng)用子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換提供服務(wù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)除了數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理、備份等日常維護(hù)工作外，還需要針對(duì)不同訪問(wèn)者，不同訪問(wèn)類(lèi)型和不同數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行安全性管理，為此進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)管理模塊的設(shè)計(jì)。

（2）決策系統(tǒng)的總體功能是為水資源的調(diào)度決策提供全方位、全過(guò)程的支持。根據(jù)支持對(duì)象的信息需求和支持功能的不同要求，可將系統(tǒng)總體功能劃分為3個(gè)層次：信息接收處理與水情工情監(jiān)視、業(yè)務(wù)分析處理、信息服務(wù)和決策支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

滄江泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)微機(jī)化、功能綜合化、運(yùn)行管理智能化、監(jiān)視操作屏幕化等特征，可全面提高泵站運(yùn)行管理的技術(shù)水平和現(xiàn)代化管理水平，提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。