孫 衍，薛井俊，唐 亮，龔維明

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200）

0 引言

江都水利樞紐工程位于江蘇省揚(yáng)州市東 17 km 的江都區(qū)，淮河入江水道尾閭芒稻河和新通揚(yáng)運(yùn)河的匯合處，距淮河入江口門三江營約 12 km，由 4 座大型電力抽水站、5 座大型水閘、7 座中型水閘、3 座船閘、2 個(gè)涵洞、2 條魚道，以及輸變電工程和引排河道組成，是一個(gè)具有灌溉、排澇、泄洪、通航、發(fā)電、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能的大型水利樞紐工程，既是江蘇省江水北調(diào)的龍頭，也是國家南水北調(diào)東線工程的源頭。江都二站是江都水利樞紐工程的重要組成部分，現(xiàn)裝有機(jī)械全調(diào)節(jié)立式軸流泵 8 臺套，配套 1000 kW，24 P 型立式同步電機(jī)，電壓等級為 6 kV，總裝機(jī)容量 8 000 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程 6.8 m，單機(jī)流量 10.2 m3/s[1]。

1 優(yōu)化緣由

江都二站原自動(dòng)化系統(tǒng)始建于 20 世紀(jì) 90 年代中期，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件，只建立了自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，僅對泵站運(yùn)行的電量、溫度、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集。1999 年，在自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)了泵站主、輔機(jī)及電氣設(shè)備的自動(dòng)控制。

經(jīng)過 10 多 a 的運(yùn)行，江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行優(yōu)化升級。主要存在以下問題：

1）控制室計(jì)算機(jī)距離現(xiàn)場控制柜中的可編程序控制器（PLC）大約 50 m，采用 RS-485 通訊，數(shù)據(jù)通訊速度慢，計(jì)算機(jī)上顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)延時(shí)較多。

2）泵站采用 10 kV 電機(jī)，配電房、電纜溝內(nèi)存在電磁干擾，數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)率高。

3）監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PLC 投運(yùn)時(shí)間長達(dá) 12 a，運(yùn)行速度較慢。

4）水位、葉片角度和溫度傳感器均采用模擬信號，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率差。

5）監(jiān)控軟件運(yùn)行時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)故障，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和設(shè)備自動(dòng)控制。

6）江都站調(diào)度中心、三站、四站、變電所、西閘監(jiān)控軟件均使用美國 InTouch for System Platform 軟件，江都二站監(jiān)控軟件使用北京組態(tài)王 KingView軟件，無法與江都站調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

2 優(yōu)化方案

2011 年 12 月，對江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級。采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，分為“遠(yuǎn)方、站控、現(xiàn)地”3 級，集測量、控制、保護(hù)、信號、管理等功能于一體。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

現(xiàn)地級由 1 套雙 CPU 熱備的 PLC、1 只觸摸屏、2 只網(wǎng)關(guān)（規(guī)約轉(zhuǎn)換器）、8 臺微機(jī)勵(lì)磁裝置、10 只微機(jī)保護(hù)裝置、WDC31 數(shù)字水位計(jì)、WGC11數(shù)字角度計(jì)和 PD19 數(shù)字智能表等現(xiàn)地設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)電量、溫度、水情等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，主機(jī)、輔機(jī)、電氣等設(shè)備的自動(dòng)控制。

站控級由 2 臺互為熱備用的監(jiān)控計(jì)算機(jī)、1 臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、1 臺打印機(jī)等中控設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)集中顯示、控制、分析、處理、存儲等功能，滿足“無人值班、少人值守”的要求，并通過網(wǎng)絡(luò)將江都二站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實(shí)時(shí)地展示在各級管理人員面前。

遠(yuǎn)方級是江都站調(diào)度系統(tǒng)。江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)作為江都站調(diào)度系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與江都站調(diào)度系統(tǒng)鏈接，將運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息送至江都站調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

針對原系統(tǒng)存在的問題，江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化升級過程中主要采取以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）系統(tǒng)內(nèi)部采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PLC、網(wǎng)關(guān)、觸摸屏、勵(lì)磁裝置、微機(jī)保護(hù)裝置等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用 MODBUS TCP/IP 通訊規(guī)約、100 Mbps RJ45 端口與交換機(jī)連接，大大提高了通訊速率。

2）因系統(tǒng)處于強(qiáng)電磁場環(huán)境下運(yùn)行，在各類通訊線路上安裝相應(yīng)浪涌保護(hù)器，提高設(shè)備抗干擾能力和數(shù)據(jù)通訊可靠性。

3）監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用 HMIRHAPP00S 系列工控機(jī)，冗余熱備方式配置，2 臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)工作于雙機(jī)熱備份狀態(tài)，正常工作時(shí)一個(gè)為主機(jī)，另一個(gè)是作為熱備份的從機(jī)。主機(jī)無故障時(shí)，系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度與實(shí)施由主機(jī)實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)采集和控制輸出；主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，從機(jī)自動(dòng)切換為主機(jī)，完成系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度與實(shí)施，提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和中控設(shè)備的可靠性。

4）PLC 采用 Quantum 系列 PLC，CPU 冗余熱備方式配置，2 套 PLC 主站配置完全相同，由機(jī)架、電源、CPU、通訊模塊組成。CPU 內(nèi)置高速冗余模塊，采用冗余熱備工作模式，無論哪一臺 CPU 故障，另一臺自動(dòng)切換成主機(jī)運(yùn)行，保證系統(tǒng)更加安全、可靠。4 套 PLC 從站，由機(jī)架、電源、通訊模塊、I/O 模塊、溫度模塊、模擬量模塊組成，分別控制 1～2#，3～4#，5～6#，7～8# 主機(jī)的相關(guān)設(shè)備，提高了 PLC 的運(yùn)行速度和現(xiàn)地控制設(shè)備的可靠性[3]。

5）電量、溫度、水情、葉片角度采集均采用數(shù)字傳感器，通過 RS-485 接口與網(wǎng)關(guān)鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

6）江都二站監(jiān)控軟件采用 InTouch for System Platform 軟件，與江都站調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)控軟件無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和信息共享。

4 自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用效果

經(jīng)過了 1 個(gè)汛期開機(jī)抽水的考驗(yàn)，江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn) 12 個(gè)月。實(shí)踐證明，江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，主要?dú)w結(jié)如下：

1）計(jì)算機(jī)、PLC、網(wǎng)關(guān)、觸摸屏、勵(lì)磁裝置、微機(jī)保護(hù)裝置等設(shè)備均采用 100 Mbps 以太口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，并在通訊線路上安裝相應(yīng)浪涌保護(hù)器，大大提高了通訊速度和可靠性。

2）采用先進(jìn)的數(shù)字智能傳感器，對特別重要的計(jì)算機(jī)、PLC 采用冗余設(shè)計(jì)，提高硬件設(shè)備的可靠性，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3）監(jiān)控軟件采用成熟的 InTouch for System Platform 軟件，與江都站調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)信息共享。若監(jiān)控軟件的程序、畫面、報(bào)表、定值、功能等需要調(diào)整時(shí)，工程師可以通過網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控軟件進(jìn)行在線編輯、修改、拷貝、存儲，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中開發(fā)、部署、診斷、維護(hù)等功能，提高了系統(tǒng)的的可靠性和可維護(hù)性。

4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、設(shè)備自動(dòng)控制、報(bào)表自動(dòng)打印、信息自動(dòng)發(fā)布等功能，減少了泵站運(yùn)行過程中由于運(yùn)行管理人員的疏忽而導(dǎo)致誤操作的可能，降低了運(yùn)行管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了泵站運(yùn)行效率。

5 結(jié)語

本文以江都二站自動(dòng)化系統(tǒng)為例，進(jìn)行了深入地研究和分析，總結(jié)了長期運(yùn)行的自動(dòng)化系統(tǒng)存在的通訊出錯(cuò)率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、控制可靠性低等普遍問題，提出了新的優(yōu)化方案，并詳細(xì)地介紹了針對存在的問題而采取的關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)化后的自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、操作靈活方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且性價(jià)比極高，為水利工程運(yùn)行提供了保障，為大型泵站自動(dòng)化系統(tǒng)改造升級和相關(guān)理論研究提供了良好的參考和借鑒。

[1] 湯正軍. 江都水利樞紐志[P]. 南京：河海大學(xué)，2004:35-45.

[2] 劉麗靜，史學(xué)軍. 微機(jī)監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)在泵站的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2006 (3): 24-26.

[3] 薛井俊，華駿. 南水北調(diào)江都站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].南水北調(diào)與水利科技，2010 (1): 29-32.