王 浩，于振山，范順芳

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225009)

無錫某樞紐由總凈寬24m 的節(jié)制閘、設(shè)計(jì)流量70m3/s 的泵站，16(20)* 135m 的船閘組成。泵站共安裝5 臺(tái)立式軸流泵，單泵設(shè)計(jì)流量12m3/s，其中2 臺(tái)套機(jī)組具備雙向抽排功能。節(jié)制閘為2 孔，閘門為升臥門，船閘內(nèi)外閘首工作門均為升臥門。工程具有防洪、排澇、航運(yùn)和改善城市水環(huán)境等綜合功能。

2005 年建成自動(dòng)化系統(tǒng)。經(jīng)過多年運(yùn)行，系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行速度慢、誤動(dòng)作和控制失靈，自動(dòng)化元器件老化嚴(yán)重，系統(tǒng)不穩(wěn)定性，經(jīng)常無法運(yùn)行，檢修頻繁等問題。目前，發(fā)生故障的頻次也在逐年增加，給泵站安全運(yùn)行帶來隱患。2012 年底，針對這些問題實(shí)施樞紐自動(dòng)化技術(shù)改造。本文將針對樞紐的泵站部分自動(dòng)化技術(shù)改造作詳細(xì)論述。

1 原系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及存在的問題

原自動(dòng)化系統(tǒng)中每臺(tái)機(jī)組LCU 單獨(dú)配置一套施耐德Quantum 系列PLC，每臺(tái)機(jī)組閘門LCU單獨(dú)配置一套Premium 系列PLC，高低壓開關(guān)柜、清污機(jī)、皮帶機(jī)、滲漏泵、檢修泵等公用設(shè)備配置一套公用PLC，技術(shù)供水泵(含冷卻供水泵)配置一套PLC，消防供水泵配置小型PLC，均通過以太網(wǎng)與監(jiān)控主計(jì)算機(jī)通信。機(jī)組閘門LCU 是電氣部分與PLC 共用一個(gè)控制柜。機(jī)組LCU 與機(jī)組閘門LCU 之間的通訊是通過PLC 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊完成的，由于機(jī)組閘門電氣控制柜放置在室外，長期日曬雨淋，電氣元件損壞嚴(yán)重，故障頻發(fā)，造成機(jī)組開停機(jī)時(shí)閘門不能正常聯(lián)動(dòng)。原機(jī)組閘門開度傳感器也出現(xiàn)各種問題，因廠家停產(chǎn)而不能提供備件，且該廠家提供的改造方案造價(jià)高，于是我們選用WDC-31 閘門開度儀作為替代產(chǎn)品。主機(jī)組的溫度采集巡檢儀使用的是南瑞公司的溫度采集裝置，通訊速度慢，還經(jīng)常死機(jī)，造成通訊失敗。負(fù)責(zé)高低壓開關(guān)柜、清污機(jī)、皮帶機(jī)、滲漏泵、檢修泵監(jiān)控功能的公用PLC 中通訊模塊長期運(yùn)行，經(jīng)常死機(jī)，造成通訊失敗。原系統(tǒng)中的監(jiān)控軟件采用的是WEBACCESS4.5 版本。目前泵站已不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化控制操作，這些都成為泵站安全運(yùn)行的巨大隱患。我們本次主要介紹泵站部分的軟硬件改造，針對泵站情況首先考慮將拆除閘門電氣柜的PLC 控制部分，將閘門測控信號合并至室內(nèi)的機(jī)組LCU 柜內(nèi)，其次機(jī)組溫度采集使用PLC 的溫度RTD 模擬量模塊來替代溫度采集裝置，最后在硬件重新配置的基礎(chǔ)上對現(xiàn)地控制單元觸摸屏軟件、PLC 軟件以及站控級上位機(jī)軟件進(jìn)行升級優(yōu)化。

2 技術(shù)改造方案的提出及實(shí)施

2.1 原自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1-5 號機(jī)組LCU、公用LCU 采用140CPU 65150 型CPU，1 -5 號機(jī)組閘門LCU、其它輔機(jī)LCU 采用TSX573623A 型CPU，監(jiān)控主從機(jī)也是配置較低的研華工控機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WEBACCESS4.5 版本見圖1。虛線框中是本次改造部分。

圖1 某泵站原自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 升級改造后系統(tǒng)軟硬件配置

圖1 中虛線框中替換成圖2，每臺(tái)機(jī)組LCU在增加了機(jī)組閘門部分的信號后，原系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入輸出模塊、通訊模塊、模擬量模塊數(shù)量都需要擴(kuò)展，各機(jī)組LCU 中增加2 塊16 點(diǎn)開關(guān)量輸入140DDI 84100 模塊、1 塊16 點(diǎn)開關(guān)量輸出140DDO84300 模塊、1 塊TSXETG100 網(wǎng)關(guān)模塊、3塊8 路140ACI03000 溫度模擬量模塊。TSXETG100 用于將泵組閘門輸入輸出信號接入到泵組LCU 中，并通過TSXETG100 與閘門開度儀WDC31 通訊，溫度模擬量模塊用于將機(jī)組溫度采集至相應(yīng)機(jī)組的LCU 中。

圖2 改造部分拓?fù)鋱D

公用LCU 中增加2 塊TSXETG100 網(wǎng)關(guān)替代原通訊模塊與各類保護(hù)裝置、儀表通訊。

TSXETG100 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了MODBUS 串口協(xié)議與MODBUS TCP 以及網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。簡單經(jīng)濟(jì)的將系統(tǒng)中閘門開度儀、保護(hù)、儀表裝置的RS485信號集成到泵站的以太網(wǎng)架構(gòu)中，分別經(jīng)公用PLC、機(jī)組PLC 與監(jiān)控主機(jī)通信。

監(jiān)控主從機(jī)選用上架式施耐德HMIRHA PP00H 型產(chǎn)品，主要配置為Pentium Duo 2.6G、4G 內(nèi)存、可抽取式250G* 2 雙硬盤冗余、雙以太網(wǎng)。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WEBACCESS7.0 版本對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

改造后的系統(tǒng)控制方式分為三級，按優(yōu)先級由高至低依次為:

(1)現(xiàn)地手動(dòng)控制:操作員在設(shè)備現(xiàn)場通過按鈕或者開關(guān)直接啟動(dòng)、停止設(shè)備;

(2)現(xiàn)地控制單元控制:操作員通過設(shè)置在現(xiàn)地控制單元內(nèi)的人機(jī)接口(觸摸屏)啟動(dòng)、停止設(shè)備，監(jiān)視設(shè)備啟動(dòng)或者停止的過程;

(3)站控級控制:操作員在控制室內(nèi)通過監(jiān)控主機(jī)發(fā)布啟動(dòng)/停止設(shè)備的命令至現(xiàn)地控制單元，由現(xiàn)地控制單元完成相關(guān)控制操作。操作員也可通過監(jiān)控畫面監(jiān)視設(shè)備的啟動(dòng)或者停止過程。

進(jìn)行硬件改造后的機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU單元負(fù)責(zé)對主機(jī)組、輔機(jī)、變配電、主機(jī)組閘門等設(shè)備進(jìn)行就地測量、監(jiān)視，并向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送各種測量數(shù)據(jù)，同時(shí)接受監(jiān)控主機(jī)發(fā)來的控制命令和參數(shù)，完成控制邏輯的實(shí)施;站控級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全站的運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄、與上級系統(tǒng)通信等功能，并向各現(xiàn)地控制單元發(fā)出控制、調(diào)節(jié)命令。

2.3 機(jī)組開停機(jī)時(shí)閘門聯(lián)動(dòng)的觸發(fā)條件

該泵站機(jī)組開機(jī)/停機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)上升/下降，直至閘門上限/下限。在PLC 程序中采用機(jī)組合閘輸入信號的上升沿或下降沿來觸發(fā)這一動(dòng)作可靠穩(wěn)定［1］。

機(jī)組開機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)上升，此時(shí)需要判斷閘門上一級控制電源是否處于合閘狀態(tài)，如未合閘，首先發(fā)閘門控制電源合閘命令，然后再發(fā)閘門上升命令(見圖3)。

圖3 機(jī)組合閘工作門聯(lián)動(dòng)上升程序

機(jī)組停機(jī)時(shí)工作門需聯(lián)動(dòng)下降，其中需要判斷閘門控制電源是否處于合閘狀態(tài)，如未合閘，首先發(fā)閘門控制電源合閘命令，其次判斷閘門是否有上升回信，如有上升回信(閘門處于上升過程中)，則先要發(fā)閘門停止命令，延時(shí)后再發(fā)下降命令，這種情況是機(jī)組在開機(jī)時(shí)遇故障緊急停機(jī)時(shí)發(fā)生，機(jī)組合閘后，閘門聯(lián)動(dòng)上升還未至全開位置，此時(shí)又遇故障停機(jī)閘門聯(lián)動(dòng)下降(見圖4)。

圖4 機(jī)組分閘工作門聯(lián)動(dòng)下降程序

在調(diào)試過程中偶遇機(jī)組高壓真空斷路器在合閘、分閘時(shí)發(fā)生抖動(dòng)干擾，造成利用機(jī)組合閘信號上升沿/下降沿觸發(fā)的閘門聯(lián)運(yùn)流程失控，閘門不能正確執(zhí)行聯(lián)動(dòng)操作。為避免這一抖動(dòng)現(xiàn)象，利用定時(shí)器判斷機(jī)組合/分閘信號穩(wěn)定存在500ms即置Hz-flag 標(biāo)志為1/0，軟件濾波［2］去除合分閘過程中的抖動(dòng)干擾(見圖5)。當(dāng)機(jī)組合閘信號一直持續(xù)為狀態(tài)1，不再抖動(dòng)時(shí)，Hz-flag 標(biāo)志常為1表示機(jī)組合閘，當(dāng)機(jī)組合閘信號一直持續(xù)為狀態(tài)0，不再抖動(dòng)時(shí)，Hz-flag 標(biāo)志常為0 表示機(jī)組分閘。

圖5 機(jī)組合閘/分閘抖動(dòng)干擾軟件濾波程序

PLC 程序中涉及變量定義見表1。

表1 PLC 程序中涉及變量定義表

2.4 雙向X 型流道機(jī)組PLC 和上位機(jī)流程的實(shí)現(xiàn)

4、5 號機(jī)組流道為雙向X 型流道，具有雙向抽排水功能，可實(shí)現(xiàn)從內(nèi)河到外河、外河到內(nèi)河兩種方式的抽排水功能。

2.4.1 PLC 程序的實(shí)現(xiàn)

在PLC 中設(shè)置變量Kz-fs 作為開機(jī)工況標(biāo)志，判斷0 為內(nèi)向外、1 為外向內(nèi)，該變量可以在上位機(jī)或觸摸屏直接設(shè)定，默認(rèn)值為0，該泵站主要運(yùn)行工況為從內(nèi)向外抽水方式即默認(rèn)值為0 的情況(圖6)。PLC 程序在執(zhí)行程序掃描時(shí)，根據(jù)Kz-fs 的值自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的子程序。

圖6 根據(jù)開機(jī)工況標(biāo)志分別調(diào)用不同子程序

2.4.2 上位機(jī)流程的實(shí)現(xiàn)

開/停機(jī)控制流程圖及需滿足的條件，在上位機(jī)使用機(jī)組開/停機(jī)電子操作票，按如下機(jī)組開/停機(jī)控制流程圖來完成對機(jī)組的開/停機(jī)控制(見圖7、圖8)［3］

流程啟動(dòng)后首先判斷開/停機(jī)條件是否滿足，任何一個(gè)開/停機(jī)條件不滿足，控制流程會(huì)報(bào)警并退出。特殊情況下，經(jīng)運(yùn)行人員檢查并確認(rèn)該條件不影響機(jī)組的安全運(yùn)行后，允許跳過對該條件的檢測。

主要的開機(jī)條件包括:

機(jī)組當(dāng)前處于停機(jī)態(tài)(機(jī)組斷路器分閘、出口工作閘門全關(guān)等條件全部滿足);控制權(quán)限滿足;控制電源正常、機(jī)組手車工作位;機(jī)組保護(hù)裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)正常;機(jī)組上、下油缸油位正常;快速閘門工作正常;供水或冷卻系統(tǒng)開啟并運(yùn)行正常;母線電壓正常;主機(jī)組斷路器已儲(chǔ)能。

主要的停機(jī)條件包括:機(jī)組當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)(機(jī)組斷路器合閘、機(jī)組功率大于低限值、出口工作閘門全開、出口事故閘門全開等條件全部滿足);控制權(quán)限滿足;控制電源正常。

3 結(jié)語

通過對該泵站自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件部分的改造，硬件部分包括將機(jī)組閘門測控信號合并至機(jī)組LCU 柜中，改造完善公用PLC 保護(hù)及儀表通訊功能;軟件部分實(shí)現(xiàn)觸摸屏軟件、PLC 軟件以及站控級軟件的升級優(yōu)化。

圖7 開機(jī)控制流程圖

圖8 停機(jī)控制流程圖

實(shí)現(xiàn)了對泵站主機(jī)組、輔機(jī)、變配電、閘門等設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控。經(jīng)近一年的投運(yùn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。目前無錫多個(gè)泵站也借鑒了該泵站自動(dòng)化技術(shù)改造的經(jīng)驗(yàn)，陸續(xù)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，均實(shí)現(xiàn)了泵站的自動(dòng)化控制功能，減少了管理人員，節(jié)約了管理成本，實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的泵站現(xiàn)代化運(yùn)行管理模式。為進(jìn)一步搭建水利信息化平臺(tái)奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 楊公源.可編程控制器(PLC)原理與應(yīng)用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］ 金沙，耿驚濤. PLC 應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京:中國電力出版社，2010.

［3］ 鄧東升.南水北調(diào)東線工程江蘇段泵站自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)要求JSSY/ZDH-2010［M］.南京:南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，2010.