俞新雄,岑恩杰

(1.杭州市蕭山區(qū)錢塘江灌區(qū)管理處,浙江 杭州 311201;2.杭州廣川科技有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

小礫山引水樞紐位于蕭山區(qū)聞堰鎮(zhèn)錢塘江、富春江、浦陽(yáng)江3條江的交匯處,是引水灌溉、除澇防洪工程,也是杭州市蕭山區(qū)西水東引工程的渠首樞紐工程,是該區(qū)的重點(diǎn)水利工程。確保蕭紹平原的防洪安全,對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到保障作用。小礫山排灌泵站安裝630 kW高壓同步電機(jī)1600ZLB10-3.5立式軸流水泵5臺(tái),采用X型流道布置,5條流道在雙向進(jìn)出口處均設(shè)置閘門,共有20扇;主供電系統(tǒng)采用35 kV,輔助供電系統(tǒng)10 kV。X型流道見圖1[1]。

圖1 單臺(tái)機(jī)組流道閘門布置示意圖

2 系統(tǒng)概述

此類排灌站存在多種運(yùn)行工況,各類主要及輔助的控制設(shè)備多而分散,在控制流程中的相互耦合性強(qiáng)?，F(xiàn)地操作很難及時(shí)可靠地獲取各類控制、通訊信號(hào),并按照恰當(dāng)流程實(shí)現(xiàn)各閘門和泵組等控制設(shè)備的正常啟動(dòng)和安全運(yùn)行。因此需要建立針對(duì)X型流道泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)的人機(jī)界面,匯總各類控制、通訊信號(hào),并實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組所有主要設(shè)備全面的監(jiān)控。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)避免了泵站在各個(gè)工況間切換時(shí)可能出現(xiàn)的人工誤操作,提高泵站運(yùn)行的安全性和管理效率。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布開放式系統(tǒng)[2],泵站按控制層次分成2層,即由泵站控制層和現(xiàn)地控制層組成,網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)。泵站控制層采用雙數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和雙操作員工作站系統(tǒng),雙機(jī)互為熱備用[3]?，F(xiàn)地控制層以可編程控制器為基礎(chǔ)構(gòu)成,現(xiàn)地控制系統(tǒng)的設(shè)備靠近被控對(duì)象布置。泵站控制層和現(xiàn)地控制層之間的通訊采用冗余交換式以太網(wǎng)的方式。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí),首先,現(xiàn)地控制層的現(xiàn)地LCU單元通過(guò)柜內(nèi)的PLC系統(tǒng)采集相應(yīng)的泵站設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)并反映到泵站控制層;然后,泵站控制層對(duì)這些信號(hào)分析后作出判斷,切換到正確的泵站運(yùn)行方式及運(yùn)行模式;最后,操作員利用主控計(jì)算機(jī)下達(dá)泵站運(yùn)行的命令,通過(guò)以太網(wǎng)傳送給現(xiàn)地控制層的LCU單元,并由內(nèi)部PLC執(zhí)行完成[4]。整個(gè)泵站運(yùn)行過(guò)程,都受到泵站控制層的實(shí)時(shí)監(jiān)控,如遇緊急情況可以強(qiáng)制干預(yù)泵站現(xiàn)地控制層,使其停止運(yùn)行,進(jìn)入安全狀態(tài)?？傮w結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 小礫山排灌站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 工作模式分析

小礫山排灌泵站是雙向X流道,能實(shí)現(xiàn)排澇與引水的雙重功能。

泵站內(nèi)設(shè)置5套泵組,泵站兩側(cè)各有1個(gè)引水閘門。該泵站的運(yùn)行具有2種工作方式:①當(dāng)內(nèi)外水位差可以實(shí)現(xiàn)自流排澇/引水時(shí),可以通過(guò)打開兩側(cè)的引水閘門,利用兩側(cè)的水位差來(lái)完成;②當(dāng)不能實(shí)現(xiàn)自流的情況下,需要通過(guò)水泵進(jìn)行強(qiáng)制排澇/引水。圖3是2種運(yùn)行方式的選擇判斷流程。

選擇的原則是,在能夠滿足泵站的排澇/引水前提下,盡可能用更經(jīng)濟(jì)的方法。

圖3 X型流道工作模式選擇圖

4.2 自動(dòng)化控制的工藝設(shè)計(jì)

對(duì)于第1種運(yùn)行方式,工藝流程比較簡(jiǎn)單,通過(guò)監(jiān)視主控計(jì)算機(jī)上顯示的上下游水位進(jìn)行判斷,如果條件滿足則遠(yuǎn)程開啟相應(yīng)引水閘門。

在第2種方式中,水泵的運(yùn)行分為排澇/引水2種模式。2種模式原理相同,水流的方向相反,任何一種模式的運(yùn)行,都要有相應(yīng)的輔助設(shè)備、保護(hù)裝置,如變壓器35,10,6 kV的投入、技術(shù)供水泵的開啟、集水井水泵的開啟、勵(lì)磁的投入、電磁閥的開啟、示流信號(hào)器的判斷、水泵電流電壓的檢測(cè)、溫度傳感器的保護(hù)等。

水泵排澇/引水的功能依靠泵組兩側(cè)各2扇閘門動(dòng)作的互相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在排澇模式下,首先打開內(nèi)河進(jìn)水口閘門,當(dāng)閘門開啟到一定高度約0.5 m時(shí),再開啟內(nèi)河的出水閘門到0.5 m,同時(shí)內(nèi)河進(jìn)水閘門上升到全開。此時(shí)啟閉電磁閥等設(shè)備,判斷多種開泵條件,在條件滿足后開啟水泵,開始10 s的內(nèi)循環(huán),然后開啟外江出水閘門至全開,同時(shí)關(guān)閉內(nèi)河閘門至全關(guān),排澇開機(jī)的流程就結(jié)束了。

相對(duì)于開機(jī)流程,水泵停機(jī)流程則正好相反。引水的開停機(jī)與排澇的開停機(jī),僅是內(nèi)外側(cè)對(duì)應(yīng)控制閘門互換?？刂屏鞒桃妶D4、5。

圖4 排澇開機(jī)流程設(shè)計(jì)圖

圖5 排澇停機(jī)流程設(shè)計(jì)圖

4.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

4.3.1 現(xiàn)地控制單元

小礫山排灌泵站的自動(dòng)化監(jiān)控由3類現(xiàn)地控制單元(LCU)組成,包括泵組LCU、公用LCU、引水閘LCU。泵組LCU調(diào)配技術(shù)供水LCU,監(jiān)視與水泵相關(guān)的信號(hào)如水泵閘門的狀態(tài)、電磁閥的狀態(tài)、上下游水位、水泵電流電壓監(jiān)測(cè)、水泵的溫度監(jiān)測(cè)以及勵(lì)磁的狀態(tài)等,并通過(guò)流程進(jìn)行判斷,從而控制水泵閘門、技術(shù)供水泵、電磁閥、勵(lì)磁等設(shè)備的開啟關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)排澇/引水的遠(yuǎn)程全自動(dòng)控制;公用LCU控制泵站內(nèi)的消防、通風(fēng)、集水井的自動(dòng)控制等;引水閘LCU控制泵站兩側(cè)的引水大閘運(yùn)行。

4.3.2 信號(hào)采集通訊方式

該工程所有現(xiàn)地控制單元的PLC均選用Schneider公司premium系列,采用自帶以太網(wǎng)模塊,方便通訊的拓展。

監(jiān)測(cè)信號(hào)的通訊有4種方式:①數(shù)字量輸入(DI);②模擬量的輸入(AI);③串口485的通訊;④數(shù)字量輸出(DO)。

(1)數(shù)字量輸入(DI)。開關(guān)量信號(hào),如閘門的各種狀態(tài)參數(shù)、示流信號(hào),技術(shù)供水泵的信號(hào)等。

(2)模擬量的輸入(AI)。所有水泵閘門的模擬量信號(hào)、上下游水位值、技術(shù)供水水壓、技術(shù)供水流量、直流屏的電流電壓等。

(3)串口485通訊。PLC通過(guò)串口用485協(xié)議與泵組的電流電壓表及機(jī)保通訊,采集水泵運(yùn)行時(shí)的電流電壓、有功等參數(shù),水泵定子轉(zhuǎn)子的溫度參數(shù)等。

(4)數(shù)字量輸出(DO)。控制型號(hào)的輸出,經(jīng)過(guò)流程的判斷,輸出相應(yīng)的信號(hào)。針對(duì)閘門升降、水泵開合閘、勵(lì)磁開關(guān)、技術(shù)供水泵的開關(guān)等。

4.4 程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)泵站特點(diǎn),程序分為5大塊:

(1)主程序。包含對(duì)主要設(shè)備的最終控制邏輯輸出,包括閘門、水泵、技術(shù)供水泵等。

(2)模擬量的采集處理。所有泵站設(shè)備均為4～20 mA模擬量輸入,一般4 mA對(duì)應(yīng)低值,20 mA對(duì)應(yīng)高值。利用線性變化的Y=aX+b特點(diǎn),測(cè)2組數(shù)值就可以計(jì)算特征值a,b(其中,X為實(shí)際的值,Y為模擬量模塊檢測(cè)到的值)。

(3)串行通訊儀器的通訊程序模塊。編寫模塊通程序塊,首先設(shè)置對(duì)應(yīng)端口的通訊方式、通訊參數(shù),與所需要采集的設(shè)備對(duì)應(yīng) (電流電壓表、機(jī)組保護(hù)裝置及勵(lì)磁裝置),再根據(jù)對(duì)應(yīng)地址、變量的類型讀取所需要的數(shù)據(jù),最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(4)流程控制。按照4.2章節(jié)的工藝流程并結(jié)合梯形圖邏輯進(jìn)行編寫。

(5)異常處理模塊。針對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中遇到的緊急情況,迅速停止水泵運(yùn)行,同時(shí)水流出口側(cè)快速工作門快速落閘至全關(guān),進(jìn)水閘門也緊急關(guān)閘至全關(guān),保護(hù)機(jī)組等設(shè)備安全并且輸出報(bào)警信號(hào)。主要緊急停泵條件:①機(jī)組溫度超限;②電機(jī)電流功率超限;③水泵運(yùn)行時(shí)候,出水口閘門關(guān)閉;④4臺(tái)技術(shù)供水泵均故障;⑤4個(gè)示流信號(hào)器均中斷。

4.5 程序舉例

以下為小礫山排灌泵站引水開機(jī)流程程序,軟件環(huán)境為Unity Pro 3.1:

(1)引水開機(jī)流程開始,所有相關(guān)設(shè)備均停止操作,等待下一步命令,流程變量MW70=1。

(2)當(dāng)流程變量MW70=1,外江進(jìn)水閘門開啟0.5 m后開啟外江出水閘至0.5 m。勵(lì)磁合閘,技術(shù)供水泵開啟。

(3)判斷上步驟完成,如果完成則流程變量MW70=2,進(jìn)行下一步操作。

(4)當(dāng)MW70=2時(shí),開啟水泵,然后開內(nèi)河出水閘至全開,同時(shí)關(guān)外江出水閘至全關(guān)。

(5)判斷是否完成流程,流程結(jié)束MW70歸零。

5 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在小礫山排灌站中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站實(shí)時(shí)性、全能性、連續(xù)網(wǎng)絡(luò)化的智能監(jiān)控,為工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、人性化管理奠定了良好基礎(chǔ)。

系統(tǒng)投入運(yùn)行后,大大減輕了監(jiān)控人員的負(fù)擔(dān),降低了運(yùn)營(yíng)成本,提高系統(tǒng)反應(yīng)速度;避免了人工操作時(shí)各種工況轉(zhuǎn)換和閘門控制出現(xiàn)的誤操作,程序中的緊急停泵,能迅速應(yīng)對(duì)水泵運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)情況,提高泵站運(yùn)行的安全性;通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的事件記錄及可追憶性,分析歷史數(shù)據(jù)及查找故障原因,提高了泵站的運(yùn)行管理效率。

[1]王海明,王霞,張曉鐘.水泵站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中過(guò)程控制層的實(shí)現(xiàn) [J].機(jī)械,2004(7):24-26.

[2]李二平,王業(yè)宇,陳寅.泵站綜合自動(dòng)化技術(shù)探討 [J].排灌機(jī)械,2002,20(1):19-22.

[3]馮廣志.中國(guó)灌溉與排水 [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[4]楊英,古慶.水電站輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) [J].四川大學(xué)學(xué)報(bào),2002(7):108.