王玉明劉 駿

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇常州 213000；2.常州市長(zhǎng)江堤防工程管理處，江蘇常州 213000）

0 引言

常州城市防洪節(jié)點(diǎn)工程采菱港樞紐主要功能為防洪、排澇、改善城市水環(huán)境。工程包括20 m3/s排澇泵站1座、8 m節(jié)制閘1座。樞紐工程共裝設(shè)1820ZGB10-1.5型豎井貫流泵2臺(tái)，單機(jī)流量10 m3/s，配套10 kV異步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率355 kW。樞紐負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)，采用2路10 kV線路引接，由高壓電纜直埋分別引入室內(nèi)10 kV高壓開關(guān)柜，不設(shè)主變壓器，采用10 kV電源直供電動(dòng)機(jī)。泵站設(shè)1臺(tái)200 kVA干式變壓器供動(dòng)力、照明以及生活辦公用電。變電所采用戶內(nèi)布置方式，選用戶內(nèi)型配電裝置。

采菱港樞紐主要監(jiān)控對(duì)象包括：2臺(tái)主機(jī)泵、泵站4孔工作閘門、1孔節(jié)制閘、2臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)、1臺(tái)皮帶輸送機(jī)、技術(shù)供水泵、2臺(tái)滲漏排水泵、主機(jī)通風(fēng)、高低壓開關(guān)柜設(shè)備等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采菱港泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布結(jié)構(gòu)［1］，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

由圖1可知，本系統(tǒng)是由上位機(jī)監(jiān)控和各現(xiàn)地控制單元組成，上位機(jī)與現(xiàn)地控制單元之間通過(guò)光纖以太環(huán)網(wǎng)通信。

其中，上位機(jī)系統(tǒng)由操作員站1、操作員站2、歷史服務(wù)器組成，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用施耐德Citect組態(tài)軟件。下位機(jī)系統(tǒng)包括：UPS配電柜及電池組，1#、2# 保護(hù)屏，1#、2# 主泵機(jī)組現(xiàn)地PLC控制柜，節(jié)制閘PLC控制柜，機(jī)組PLC控制柜，公用系統(tǒng)PLC控制柜，技術(shù)供水現(xiàn)地控制柜，技術(shù)供水PLC控制柜，輔機(jī)控制柜和清污機(jī)控制柜?？刂乒衽鋫涫┠偷翽LC模件和觸摸屏。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)各模塊功能

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)功能

下位機(jī)系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集及處理、顯示監(jiān)控、控制與調(diào)節(jié)、通信、自診斷、GPS 對(duì)時(shí)、對(duì)外供電等功能［2］。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集及處理

系統(tǒng)自動(dòng)接收來(lái)自主控層的命令和數(shù)據(jù)，采集被控設(shè)備各模擬量、溫度量、開關(guān)量和脈沖量并存入LCU數(shù)據(jù)庫(kù)中，記錄泵組的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，對(duì)于固定周期采集的數(shù)據(jù)，采集周期可調(diào)；對(duì)采集到的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)合理性檢查、工程單位變換、模擬數(shù)據(jù)變化（死區(qū)檢查）及越限檢查等，根據(jù)規(guī)定產(chǎn)生報(bào)警并上送主控級(jí)；將采集到的狀態(tài)量、電氣保護(hù)報(bào)警量按即時(shí)召喚或變位等方式上送主控級(jí)；進(jìn)行自動(dòng)事件順序記錄；對(duì)采集到的非電量（如溫度量、壓力等）進(jìn)行越限檢查，并及時(shí)將越限情況和數(shù)據(jù)送往主控級(jí)；根據(jù)采集到的脈沖量，計(jì)算用電量、抽水量，并上報(bào)主控級(jí)；按主控級(jí)的要求上送數(shù)據(jù)。

2.1.2 顯示監(jiān)控

各LCU中配備一個(gè)彩色液晶觸摸顯示屏，以顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行人員登錄后，可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行規(guī)定的相關(guān)操作；在顯示屏上還能顯示有關(guān)設(shè)備操作和監(jiān)視畫面、各種事故及故障報(bào)警信息等。

2.1.3 控制與調(diào)節(jié)

按被控對(duì)象工藝流程進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，對(duì)點(diǎn)設(shè)備（ON/OFF操作設(shè)備）按安全閉鎖要求進(jìn)行控制操作。

2.1.4 通信功能

LCU與主控級(jí)的通信中，將LCU采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳送到主控級(jí)計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收主控級(jí)發(fā)來(lái)的控制和調(diào)節(jié)命令，并將執(zhí)行結(jié)果回送主控級(jí)；LCU接收主控級(jí)的同步時(shí)鐘信號(hào)，以保持與主控級(jí)同步；LCU通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與被控對(duì)象的智能設(shè)備進(jìn)行通訊；LCU設(shè)置與便攜式計(jì)算機(jī)通信的接口（以太網(wǎng)及串口），用于LCU的調(diào)試。

2.1.5 自診斷功能

（1）LCU至少能在線和離線診斷下列硬件故障：CPU模件故障；輸入/輸出模件故障；接口模件故障；通信控制模件故障；存儲(chǔ)器模塊故障；電源故障。

（2）LCU的軟件自診斷能在線和離線診斷定位到軟件功能模塊并判明故障性質(zhì)。

（3）當(dāng)診斷出故障時(shí)能自動(dòng)閉鎖控制輸出，并在LCU上顯示和報(bào)警，同時(shí)將故障信息及時(shí)準(zhǔn)確地上送主控級(jí)。

（4）進(jìn)行在線自診斷時(shí)不會(huì)影響LCU的正常監(jiān)控功能。

2.1.6 GPS對(duì)時(shí)

LCU現(xiàn)地控制單元，除能完成本身的GPS對(duì)時(shí)外，能滿足提供與其距離較近的保護(hù)、錄波等裝置的對(duì)時(shí)接口要求。

2.1.7 供外部使用的電源

每套LCU提供獨(dú)立的DC 24V電源供自動(dòng)化元件使用，每回路電源帶有相應(yīng)的保險(xiǎn)功能。

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)功能

上位機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)畫面監(jiān)視、畫面控制、報(bào)表查詢打印、報(bào)警信息查詢等功能。下位機(jī)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并在相應(yīng)畫面中顯示，用戶通過(guò)上位機(jī)發(fā)送的指令，也通過(guò)以太網(wǎng)下發(fā)到PLC控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。對(duì)于用戶感興趣的信息，可以保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可隨時(shí)通過(guò)報(bào)表查詢指定日期的數(shù)據(jù)并能打印出來(lái)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中還保存了監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)報(bào)警信息，經(jīng)過(guò)GPS對(duì)時(shí)的歷史報(bào)警信息對(duì)于事后查找事故原因很有幫助。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)采菱港樞紐計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，其具體功能是通過(guò)各LCU實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是：上位機(jī)發(fā)出控制指令，通過(guò)以太網(wǎng)完成信號(hào)的傳遞，各功能模塊根據(jù)接受到的指令執(zhí)行相應(yīng)的PLC程序，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，達(dá)到管控一體化。

3.1 上位機(jī)部分

當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)后，可以通過(guò)監(jiān)控畫面對(duì)泵站設(shè)備按指定功能進(jìn)行控制。

3.1.1 電氣系統(tǒng)監(jiān)控

電氣系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜和電容柜的各斷路器和饋線開關(guān)。每一個(gè)可控對(duì)象旁有分、合閘兩個(gè)按鈕，點(diǎn)擊按鈕，彈出確認(rèn)分、合閘命令。要通過(guò)上位機(jī)畫面操作對(duì)象的分、合閘，首先需要保證該控制對(duì)象的控制權(quán)限在遠(yuǎn)方，然后確認(rèn)手車處于工作位置，最后需要彈簧操作機(jī)構(gòu)已儲(chǔ)能。當(dāng)命令發(fā)出并執(zhí)行成功后，畫面上相應(yīng)狀態(tài)將發(fā)生改變。電氣系統(tǒng)控制見圖2。

圖2 電氣系統(tǒng)控制圖

圖3 技術(shù)供水監(jiān)控圖

3.1.2 技術(shù)供水監(jiān)控

技術(shù)供水控制對(duì)象為2臺(tái)循環(huán)供水泵和2臺(tái)冷卻供水泵，監(jiān)控信息包括：循環(huán)水管壓力與溫度、冷卻水管壓力與溫度以及循環(huán)水池水位。循環(huán)供水泵從循環(huán)水池抽水，對(duì)電機(jī)、齒輪箱和水泵進(jìn)行冷卻；冷卻水泵取用河水，經(jīng)過(guò)熱交換器對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻。當(dāng)滿足循環(huán)供水、冷卻供水控制權(quán)限為遠(yuǎn)方、控制方式為自動(dòng)、LCU在線、電源正常等條件時(shí)，技術(shù)供水系統(tǒng)可以根據(jù)上位機(jī)畫面進(jìn)行控制，點(diǎn)擊畫面中水泵圖案旁的啟、停按鈕，便可控制水泵運(yùn)行。技術(shù)供水監(jiān)控見圖3。

3.1.3 清污機(jī)監(jiān)控

清污機(jī)監(jiān)控對(duì)象為2臺(tái)清污機(jī)和1臺(tái)皮帶輸送機(jī)，主要監(jiān)視信息為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.4 主泵組開停機(jī)監(jiān)控

當(dāng)開機(jī)所需所有條件都滿足時(shí)才能夠啟動(dòng)水泵，否則系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)信息。泵組監(jiān)控見圖4。

啟、停水泵命令發(fā)出后，可以點(diǎn)擊“開停機(jī)流程監(jiān)視圖”（圖5）對(duì)開停機(jī)流程進(jìn)行監(jiān)視，流程圖中直觀地顯示出開停機(jī)命令的執(zhí)行情況，如果開停機(jī)失敗，從流程圖中也很容易發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致開停機(jī)失敗的原因。

3.2 PLC部分

PLC程序是各功能控制柜的核心部分。各控制柜不但功能獨(dú)立，而且共同構(gòu)成了系統(tǒng)的下位機(jī)，彼此可通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用SIXNET-SLX系列交換機(jī)（2光8電，2光16電），傳輸速率100/1000 Mbps。其中，配置在公用LCU機(jī)柜中的主交換機(jī)采用SIXNET-SLX系列交換機(jī)（2光16電），1#主泵組現(xiàn)地柜、技術(shù)供水PLC柜和節(jié)制閘PLC柜中采用SIXNET-SLX系列交換機(jī)（2光8電）。

下面對(duì)各功能模塊PLC程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹［3，4］。

3.2.1 機(jī)組控制部分

該部分的PLC程序是根據(jù)圖6來(lái)設(shè)計(jì)的。

圖6中所有判斷環(huán)節(jié)的箭頭流向均適用于條件滿足時(shí)，若條件不滿足則結(jié)束流程。開始的初始化工作是對(duì)一些條件進(jìn)行判斷，包括：機(jī)組啟動(dòng)技術(shù)供水冷卻、循環(huán)水是否滿足“DUMMY_DI［25］=1；10kV”；進(jìn)線開關(guān)滿足開機(jī)條件“DUMMY_DI［27］=1”；主泵組溫度是否正常；液壓系統(tǒng)是否達(dá)到開機(jī)條件“DUMMY_DI［30］=1”；節(jié)制閘閘門是否全關(guān)，即是否滿足“DUMMY_DI［31］=1”；主泵組微機(jī)保護(hù)裝置是否正常；電容總進(jìn)線開關(guān)是否滿足開機(jī)條件“DUMMY_DI［34］=1”。如果有一個(gè)條件不能滿足，立即退出流程。

圖4 泵組監(jiān)控圖

圖5 開停機(jī)流程監(jiān)視

圖6 機(jī)組開機(jī)流程圖

圖7 機(jī)組停機(jī)流程圖

在機(jī)組停機(jī)時(shí)，也需要對(duì)一些條件進(jìn)行判斷：機(jī)組停止技術(shù)供水冷卻、循環(huán)水條件是否滿足“DUMMY_DI［26］=1”；機(jī)組 LCU與液壓 LCU通訊是否正常，即是否滿足“DUMMY_DI［24］=0”。當(dāng)滿足條件時(shí)，便可按圖7所示流程進(jìn)行運(yùn)作。

在系統(tǒng)運(yùn)行中碰到問(wèn)題或者發(fā)生故障時(shí)，需要啟動(dòng)急停功能。在急停時(shí)，需保證電機(jī)斷路器處于分閘位置，出水側(cè)、進(jìn)水側(cè)的工作閘門全部關(guān)閉，沒有其他機(jī)組在運(yùn)行，同時(shí)停止技術(shù)供水循環(huán)和冷卻水泵。系統(tǒng)只有及時(shí)完成上述工作，才能啟用急停功能，否則會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)而無(wú)法正常完成急停。

3.2.2 公共控制部分

公共控制部分包括：10 kV進(jìn)線斷路器、電容進(jìn)線開關(guān)柜斷路器、電容器開關(guān)柜斷路器、10 kV站用變開關(guān)柜斷路器、400 V進(jìn)線柜斷路器。

該部分中，每種斷路器合閘、分閘的工作流程均相同，顯示進(jìn)行初始條件的判斷，若滿足，便對(duì)斷路器合閘、分閘的位置進(jìn)行判斷，位置滿足要求則流程結(jié)束。斷路器工作的最大區(qū)別是對(duì)前提條件的判斷，各種斷路器判斷的條件并不相同，下面將依次進(jìn)行介紹：

（1）10 kV進(jìn)線斷路器、電容進(jìn)線開關(guān)柜斷路器、10 kV站用變開關(guān)柜斷路器

需判斷斷路器是否在遠(yuǎn)方控制位置，若在則符合條件；斷路器手車是否在工作位置；開關(guān)柜控制電源有無(wú)故障；該斷路器的彈簧是否已儲(chǔ)能。

圖8 進(jìn)線斷路器合閘

圖9 進(jìn)線斷路器分閘

（2）電容器開關(guān)柜斷路器

與第一種斷路器的判斷條件相同，該斷路器也需判斷斷路器是否在遠(yuǎn)方控制位置，若在則符合條件；開關(guān)柜控制電源是否無(wú)故障；斷路器彈簧是否已儲(chǔ)能；功率因素是否滿足條件等。

（3）400V進(jìn)線柜斷路器

該斷路器僅有一個(gè)判斷條件，即斷路器是否在遠(yuǎn)方控制位置，若在則符合條件。

3.2.3 輔機(jī)部分

輔機(jī)需完成的輔助功能主要包括風(fēng)機(jī)和滲漏排水泵的啟動(dòng)與停止。其輔助功能的工作原理如下：

（1）風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止

啟動(dòng)或者停止風(fēng)機(jī)需要滿足一些條件，只有在輔機(jī)柜進(jìn)線斷路器電源正常、風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)控制方式、不處于熱保護(hù)狀態(tài)且無(wú)故障時(shí)，才能啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。而要停止風(fēng)機(jī)，僅需使風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)控制方式即可。

（2）滲漏排水泵的啟動(dòng)與停止與風(fēng)機(jī)的不同之處在于，滲漏排水泵能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止。

當(dāng)滲漏排水泵無(wú)法自啟動(dòng)、停止時(shí)，也可以按風(fēng)機(jī)的模式來(lái)啟動(dòng)或停止。當(dāng)輔機(jī)柜進(jìn)線斷路器電源正常、滲漏排水泵處于手動(dòng)控制方式，無(wú)熱保護(hù)、無(wú)故障時(shí)，即可啟動(dòng)，若泵啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)3 s，則啟動(dòng)失敗。在泵運(yùn)行時(shí)，若想要停止，則只需使排水泵處于自動(dòng)控制方式，隨后在3 s內(nèi)使泵停止即可。

3.2.4 清污機(jī)部分

該部分需要控制兩部分內(nèi)容，包括：清污機(jī)和皮帶傳送機(jī)。其工作流程和上述滲漏排水泵相同，即滿足條件并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)即可。

首先分析清污機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)且無(wú)熱保護(hù)狀態(tài)，即可啟動(dòng)停止的清污機(jī)，啟動(dòng)的時(shí)間限制同樣是3 s，若要停止運(yùn)轉(zhuǎn)的清污機(jī)，則只需使轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，并在3 s內(nèi)停止即可。

皮帶傳動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件和清污機(jī)相同，即轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)且無(wú)熱保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉條件即轉(zhuǎn)換開關(guān)處于遠(yuǎn)控狀態(tài)，目的是為了使清污機(jī)和皮帶傳動(dòng)機(jī)處于同步工作狀態(tài)，能夠正常完成清污工作。

3.2.5 技術(shù)供水部分

技術(shù)供水包括三方面：循環(huán)水泵的啟停、冷卻水泵的啟停、進(jìn)線斷路器的合閘與分閘。

（1）循環(huán)水泵、冷卻水泵的啟停

循環(huán)水泵和冷卻水泵需要配合工作，因此，其啟動(dòng)和停止條件是相同的。若要讓停止的泵啟動(dòng)，需要滿足條件：進(jìn)線斷路器電源正常、泵處于自動(dòng)控制方式、泵無(wú)故障且電源正常，要求在3 s內(nèi)啟動(dòng)，否則會(huì)啟動(dòng)失敗。若要讓運(yùn)轉(zhuǎn)的泵停止，只需使泵處于自動(dòng)控制方式即可，但也要求在3 s內(nèi)停止。

（2）進(jìn)線斷路器的合閘與分閘

對(duì)于該部分的進(jìn)線斷路器，無(wú)論是合閘還是分閘，都不需要進(jìn)行前提條件的判斷。其運(yùn)作的流程如圖8和圖9所示。

4 總結(jié)

筆者詳細(xì)介紹了采菱港樞紐泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用，PLC的運(yùn)用使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠、安全，使泵站的可控性得到保障。

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確，整體運(yùn)行連續(xù)性好，滿足泵站實(shí)際運(yùn)行的要求。本系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)、調(diào)試及運(yùn)行，不但保證了采菱港樞紐泵站的安全可靠運(yùn)行，而且為豎井式貫流泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

［1］石曉松，易春輝，黃建平.基于分層控制的閘門群自動(dòng)控制設(shè)計(jì)［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007（4）.

［2］劉雪芹，劉新泉，姚懷柱.三河船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.江蘇水利，2012（8）.

［3］曾繁玲.施耐德PLC、變頻器入門與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011:125-176.

［4］岳慶來(lái).變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2006：299-338.