武應(yīng)元

【摘 要】泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是集控制、保護(hù)、運(yùn)行與管理于一體的系統(tǒng)，可大大提高泵站的效率。本文以白馬涇泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)功能實(shí)施方面其關(guān)鍵技術(shù)與思路，實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”功能。

【關(guān)鍵詞】泵站自動(dòng)化；監(jiān)控系統(tǒng)；控制；PLC；功能

1 白馬涇泵站概述

武漢市東西湖區(qū)白馬涇附近、東西湖堤樁號(hào)12+700處。泵站規(guī)模160m3/s，裝機(jī)6臺(tái)3400kW的立式混流泵以及6臺(tái)套TL3400-40/3250型三相立軸同步電動(dòng)機(jī)，主要建設(shè)內(nèi)容為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)。

本工程泵站監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，日常運(yùn)行主要采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，以計(jì)算機(jī)控制為主、常規(guī)控制為輔。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則是：經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、易于維護(hù)。

（1）泵站監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，日常運(yùn)行完全采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

（2）控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，包括主控制層和現(xiàn)地單元控制層兩層，實(shí)現(xiàn)“遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)”功能。

（3）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)，可由人工觀察現(xiàn)場(chǎng)，在具備開機(jī)條件下，通過操作配電設(shè)備上相應(yīng)按鈕來控制機(jī)組正常運(yùn)行。

（4）控制系統(tǒng)安全可靠，并且具有自診斷功能。控制系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備（如計(jì)算機(jī)主機(jī)、PLC等）具有冗余配置、主備機(jī)互為備用。

（5）控制系統(tǒng)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。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

白馬涇泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)融為一體的系統(tǒng)，根據(jù)泵站實(shí)際情況和系統(tǒng)具體要求，設(shè)計(jì)出如圖1所示的白馬涇泵站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

圖1

泵站監(jiān)控系統(tǒng)由泵站管理級(jí)、計(jì)算機(jī)層（主控級(jí)）和現(xiàn)地控制單元層組成，現(xiàn)地控制級(jí)有7套LCU和7面輔機(jī)控制柜（供水控制柜、真空泵控制柜、消防泵控制柜、低壓氣機(jī)控制箱（兩個(gè)）、排水泵控制柜、風(fēng)機(jī)控制柜），分別對(duì)應(yīng)于6臺(tái)機(jī)組、公用設(shè)備和輔機(jī)（3臺(tái)供水泵、2臺(tái)排水泵、2臺(tái)消防泵、6套機(jī)組風(fēng)機(jī)、2臺(tái)泵房低壓氣機(jī)、2臺(tái)閥室低壓氣機(jī)、2臺(tái)真空泵）的實(shí)時(shí)監(jiān)控。LCU既作為全站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層，向泵站主控級(jí)發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受泵站級(jí)的下行命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，又能脫離泵站級(jí)獨(dú)立工作。因此在系統(tǒng)總體功能分配上，數(shù)據(jù)采集和控制操作的主要功能均由LCU完成，其它的功能如全站運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、與外系統(tǒng)通訊、統(tǒng)計(jì)記錄等功能則由上位機(jī)完成。

主控級(jí)位于白馬涇泵站中央控制室，采用100Mbps快速以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，組成開放的泵站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要設(shè)備包括二臺(tái)操作員工作站，一臺(tái)工程師工作站、一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺(tái)視頻工作站、一臺(tái)大屏控制電腦、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)，一套GPS時(shí)鐘系統(tǒng)、一套逆變電源以及一臺(tái)網(wǎng)閘設(shè)備。主控級(jí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)、報(bào)表，完成所有的控制指令的收集和發(fā)布，以各種方式（如開停機(jī)流程圖、趨勢(shì)圖、表格等）表達(dá)整個(gè)泵站的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組等設(shè)備的啟動(dòng)準(zhǔn)備工作的檢測(cè)、判斷和顯示。

泵站管理級(jí)位于白馬涇泵站管理樓，管理樓主要設(shè)備包括一臺(tái)信息發(fā)布服務(wù)器、一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、一臺(tái)辦公服務(wù)器。綜合信息系統(tǒng)是白馬涇泵站水利信息化建設(shè)的核心，它是基于現(xiàn)有的白馬涇泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)以及水工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，挖掘和提取與白馬涇泵站行政管理和業(yè)務(wù)職能相關(guān)的各種信息，建立一套具有非常明確用戶目標(biāo)的、實(shí)用高效的綜合信息管理平臺(tái)。通過整合的建設(shè)，將完成所有與視頻監(jiān)控相關(guān)的監(jiān)控信息，以及水、雨、工情等各種水利信息的共享，實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)桌面級(jí)辦公、信息一站式管理”的目標(biāo)。

3 系統(tǒng)主要功能與特點(diǎn)

3.1 智能化控制

白馬涇泵站主控級(jí)控制中心二臺(tái)操作員工作站負(fù)責(zé)監(jiān)視、控制機(jī)組運(yùn)行，按照實(shí)際情況一鍵式對(duì)機(jī)組啟、停、泵站輔助設(shè)備、水泵葉片角度進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。為了保證控制方式靈活性，主要設(shè)備的控制有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式切換。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控泵站的運(yùn)行，通過對(duì)電氣、水力機(jī)械等設(shè)備各種電氣量、非電量參數(shù)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)生成各種趨勢(shì)、曲線、柱狀圖表、報(bào)警信息等，并智能自動(dòng)地采取各種操作措施，保證泵組安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確運(yùn)行。

3.2 自診斷和冗余切換

白馬涇泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具備在線自診斷功能和冗余切換功能，能診斷出系統(tǒng)中的故障，并能定位故障部位，各級(jí)在線運(yùn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的硬件及軟件進(jìn)行自診斷。本系統(tǒng)中PLC采用獨(dú)立機(jī)架冗余熱備方式，系統(tǒng)具有雙電源、CPU、和以太網(wǎng)模塊，PLC系統(tǒng)保證在以上模塊任意一項(xiàng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)運(yùn)行，并保證切換的無擾動(dòng)。一旦主機(jī)恢復(fù)正常，從機(jī)自動(dòng)修復(fù)主機(jī)由于停機(jī)而缺少的數(shù)據(jù)，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的完整性。

3.3 管理功能

白馬涇泵站管理樓設(shè)核心交換機(jī)一臺(tái)，組成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別與信息發(fā)布服務(wù)器、辦公服務(wù)器、辦公系統(tǒng)、泵站監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等連接，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的集成應(yīng)用，整合各業(yè)務(wù)信息資源，同時(shí)為了考慮系統(tǒng)安全性，在管理樓與主控級(jí)控制中心用一臺(tái)隔離網(wǎng)閘進(jìn)行隔離，并通過防火墻接入公網(wǎng)。一方面管理樓領(lǐng)導(dǎo)可以在管理樓實(shí)時(shí)觀察泵站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以對(duì)泵站所有事務(wù)進(jìn)行管理，同時(shí)信息通過公網(wǎng)上傳至上一級(jí)主管部門，具有調(diào)度、決策功能，通過對(duì)當(dāng)前水情數(shù)據(jù)的分析，對(duì)所在流域的水情或水資源進(jìn)行調(diào)度，提高了運(yùn)行質(zhì)量，降低了運(yùn)行成本。

3.4 泵站優(yōu)化調(diào)度

在大型泵站中，泵站的效益和能量消耗不僅與水泵的效率有關(guān)，還與電動(dòng)機(jī)、變電站的效率有關(guān)，泵站運(yùn)行調(diào)度不是追求某一設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)最好，而是以整體配合的運(yùn)行狀態(tài)最優(yōu)為目標(biāo)，因此，一個(gè)大型泵站需要根據(jù)目前及預(yù)報(bào)的工作環(huán)境確定當(dāng)前泵站的工作方式，包括確定機(jī)組開啟的臺(tái)數(shù)、水泵葉片角度等，其調(diào)度準(zhǔn)則是泵站優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵，根據(jù)白馬涇泵站實(shí)際情況，設(shè)計(jì)如下調(diào)度準(zhǔn)則：

①以泵站效率最高為準(zhǔn)則：泵站效率是泵站輸出（下轉(zhuǎn)第39頁）（上接第63頁）功率與泵站輸入功率之比的百分?jǐn)?shù)，即為電動(dòng)機(jī)、水泵、傳動(dòng)裝置、管路、進(jìn)出水池水位等項(xiàng)效率的乘積。

②以泵站抽水量最大為準(zhǔn)則：按滿荷載時(shí)的最大流量運(yùn)行，此時(shí)泵或泵站的效率不一定最高，運(yùn)行費(fèi)用也不一定最低。但在某些特殊情況下，如排除災(zāi)難性的大澇水時(shí)，為了最大限度地減少災(zāi)害損失，不能只以泵站的運(yùn)行效率最佳為衡量標(biāo)準(zhǔn)，必須服從整個(gè)社會(huì)效益的標(biāo)準(zhǔn)，在滿足泵站功率約束的前提下，要求以最大流量抽水。

3.5 自動(dòng)化與視頻聯(lián)動(dòng)、上位機(jī)報(bào)警實(shí)現(xiàn)預(yù)警

白馬涇泵站上位機(jī)監(jiān)控軟件采用KINGSCADA組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，在開發(fā)過程中，將視頻系統(tǒng)整合到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、視頻同步監(jiān)控，同時(shí)上位機(jī)的報(bào)警信息通過GPRS發(fā)送至泵站相關(guān)負(fù)責(zé)人員。機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)上位機(jī)報(bào)警時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)將視頻切換至事故設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)，同時(shí)該報(bào)警信息也會(huì)發(fā)至泵站相關(guān)負(fù)責(zé)人手機(jī)，讓泵站負(fù)責(zé)人第一時(shí)間了解機(jī)組運(yùn)行狀況，確保機(jī)組運(yùn)行安全。該系統(tǒng)研制，是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水利行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的創(chuàng)新和技術(shù)上的突破。

3.6 全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化視頻系統(tǒng)

白馬涇泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照國內(nèi)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和方向，采用了整套全數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控，支持TCP/IP系列協(xié)議，可以在WAN或LAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。中心服務(wù)器采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式中心管理軟件、大容量磁盤陣列等三類產(chǎn)品于一體，實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（Linux）專門用于工業(yè)、軍事等要求高度可靠性的環(huán)境。同時(shí)，中心建立完成后不會(huì)再因?yàn)橄到y(tǒng)前端設(shè)備的增加而擴(kuò)建，而前端設(shè)備可以根據(jù)需要隨意添加，后臺(tái)管理同樣能承受，因此本系統(tǒng)具備了非常強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

白馬涇泵房、閥室、防洪閘、泵站四周分別安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)主要設(shè)備及整個(gè)泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行人員或值班人員可以對(duì)整個(gè)泵站設(shè)備運(yùn)行情況及周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，為整個(gè)泵站的安全提供可靠的保障，大大減少人力物力。

4 結(jié)語

泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究涉及到變電所、電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)、水泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、管理，水工建筑物的安全穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，水情數(shù)據(jù)收集和水資源的調(diào)度等方面。目前泵站的使用的系統(tǒng)大多數(shù)是為某一個(gè)站專門開發(fā)或者采用工業(yè)控制上的通用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其專業(yè)性不強(qiáng)，不能適應(yīng)泵站綜合自動(dòng)化的需要。為了改變這種局面，根據(jù)白馬涇泵站的要求，設(shè)計(jì)出了白馬涇泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控、視頻及信息化系統(tǒng)的方案和技術(shù)要求，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“無人值班、少人值守”功能。

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[責(zé)任編輯：丁艷]