鐘 山

(湖北省樊口電排站管理處，湖北 鄂州 436001)

1 泵站自動化的發(fā)展及應用

泵站自動化系統(tǒng)于20世紀70年代應用于水利行業(yè)，從初期到現(xiàn)階段廣泛應用經(jīng)歷了巨大發(fā)展：最早期自動化控制采用數(shù)據(jù)卡采集系統(tǒng)和上下位機的分布式系統(tǒng)，在完善階段主要采用STD總線或者PC總線為基礎(chǔ)的工業(yè)控制計算機，現(xiàn)階段主要采用計算機自動監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)濟性強，管理方便[1]。20世紀80年代到90年代，江蘇淮陰泵站、西北地區(qū)的部分泵站和湖北的部分泵站相繼引入自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了泵站監(jiān)控自動化；20世紀90年代后期，泵站自動化系統(tǒng)經(jīng)歷了較大改善，實現(xiàn)了現(xiàn)地控制級、泵站控制級和遠程控制級的三層分層分布式結(jié)構(gòu)。

目前自動化技術(shù)主要包括：數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)、運行控制和調(diào)度技術(shù)、運行信息管理技術(shù)和安全運行及監(jiān)控技術(shù)。但是在當前發(fā)展過程中，自動化控制技術(shù)更新快，早期引入的自動化監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足當前需求，采用先進的工業(yè)控制計算機、可編程控制器等設(shè)計實現(xiàn)泵站自動監(jiān)控并提高自動應急處理能力、完善智能控制等，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有實際意義。以下以樊口泵站為例，介紹自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造情況。

2 工程概況

2.1 工程現(xiàn)狀

樊口泵站位于湖北省鄂州市樊口，湖北省第二大湖泊——梁子湖水系的長江入口處，是綜合治理梁子湖水系的大型電力排澇工程[2]。泵站裝機4×6 000 kW，裝設(shè)2臺40CJ-95型和2臺40CJ-66型軸流泵配TDL535/60-56型同步電動機，設(shè)計提排流量214 m3/s, 為Ⅰ等大⑴型泵站。承擔著梁子湖流域3 265 km2的排澇任務，區(qū)域涉及鄂州、武漢、黃石和咸寧4個地市。

樊口泵站自動化控制系統(tǒng)于1999年11月進行了第一次更新改造，自動化控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對所有設(shè)備進行保護、監(jiān)控和自動控制[3]。

2.2 存在的問題

樊口泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)已運行近20年，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC控制技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的自動化控制系統(tǒng)已不能滿足泵站運行管理的要求，已不能全面、實時、準確地采集泵站運行中的各種信息[4]，不能保障泵站安全運行。主要表現(xiàn)在：①PLC之間通信數(shù)據(jù)交換受現(xiàn)場環(huán)境等因素影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；與上位機通信采用RS485串口通信，通信速率低，實時性弱；②采用多串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務器NPORT SERVER PRO連接微機保護系統(tǒng)、微機勵磁系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)，數(shù)據(jù)上傳形式采用以太網(wǎng)，速度慢，通信質(zhì)量差；③計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲采用總線型網(wǎng)絡(luò)，不具備設(shè)備冗余和鏈路冗余功能，其數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)可靠性不高，具有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信瓶頸。④計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能單一，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的冗余。⑤微機勵磁系統(tǒng)未采用雙通道勵磁調(diào)節(jié)器，在采樣部分或脈沖部分發(fā)生故障時引起勵磁系統(tǒng)的故障。

因此，樊口泵站于2016年3月對泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)進行二次更新改造，改造內(nèi)容包括PLC控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)及自動化元件等[5]。

3 自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造

3.1 改造前的PLC控制系統(tǒng)

原PLC控制系統(tǒng)采用日本三菱FX2N系列PLC, 每套PLC加裝RS485BD通信模塊1個，采用令牌總線，PLC之間通過N:N鏈接通信協(xié)議自動數(shù)據(jù)交換，PLC之間數(shù)據(jù)共享，1-4#機組PLC、公用PLC、輔機PLC、啟閉機PLC 7個站點分別通過編程口經(jīng)多串口通信服務器與上位機通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 原PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)存在如下問題：①依賴于總線的通信系統(tǒng)，采用集中式管理，節(jié)點多；②節(jié)點之間相互制約，總線節(jié)點通信中斷，易造成多個PLC之間數(shù)據(jù)通信中斷，影響通信系統(tǒng)的運行；③與上位機通信采用串口通信的，速度慢，可靠性差。

為減少上述問題的發(fā)生，提高通訊速度和可靠性，增強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，提出了自動監(jiān)控系統(tǒng)改造控制目標是實現(xiàn)獨立管理，保證數(shù)據(jù)的實時性和穩(wěn)定性。

3.2 改造后的PLC控制系統(tǒng)

采用以GE PAC3I冗余熱備PLC為控制核心的自動控制系統(tǒng)，GE Fanuc PAC Rx3i冗余熱備系統(tǒng)是一種基于GE Fanuc最新高端控制器PAC以及獨有的工業(yè)現(xiàn)場總線Genius網(wǎng)的先進熱備系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了兩套獨立機架，保證了電源、CPU、背板、通訊等所有系統(tǒng)關(guān)鍵器件的全冗余，并實現(xiàn)系統(tǒng)和上位機的以太網(wǎng)通訊冗余[6]。系統(tǒng)采用獨立的通訊模塊進行數(shù)據(jù)同步，并有相應的控制機保證兩套PLC系統(tǒng)切換的及時和穩(wěn)定。系統(tǒng)共設(shè)置有4臺機組LCU柜、1臺公用LCU柜、1臺輔機LCU柜及1臺啟閉機LCU柜，另外每套LCU柜配置15℃以太網(wǎng)的觸摸屏。

Rx3i冗余熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 Rx3i冗余熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

改造后PLC控制系統(tǒng)具有如下特點：①各現(xiàn)地控制單元為獨立的單元，該結(jié)構(gòu)采用冗余配置的熱備系統(tǒng)，可實現(xiàn)兩套CPU之間的無延時自動切換，降低了故障對系統(tǒng)造成的影響；②PLC配置的串行通信模塊與現(xiàn)地智能設(shè)備直接連接，實現(xiàn)通信的實時性，通信效率高，PLC可對數(shù)據(jù)進行采集、處理和控制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，響應速度快；③現(xiàn)地控制單元配置的人機交互界面，可實現(xiàn)脫離監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行；④該PLC控制系統(tǒng)可通過自身的以太網(wǎng)接口直接與上位機通訊，通訊速度快，可靠性強。

4 計算機機監(jiān)控系統(tǒng)改造

4.1 原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

原有的計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置有多串口通訊服務器[7]，經(jīng)RS485/RS232與現(xiàn)地PLC、微機保護、微機勵磁、溫巡儀、電子電度表等通訊，通過其以太網(wǎng)接口與上位機通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種方式本質(zhì)上是采用集中式監(jiān)控系統(tǒng)，是基于現(xiàn)場總線的實時通信系統(tǒng)，計算機部分出現(xiàn)故障會造成整個監(jiān)控系統(tǒng)控制、監(jiān)視的癱瘓。其次，在該監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、分析、統(tǒng)計等都由監(jiān)控主機完成，監(jiān)控系統(tǒng)主機負擔重。

4.2 改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放、分層分布式、雙星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中設(shè)置完全獨立的2套單星形結(jié)構(gòu),所有PLC設(shè)備均同時接在2臺交換機上,雙星形網(wǎng)絡(luò)具備了完整的冗余配置(設(shè)備冗余和鏈路冗余),可靠性和傳輸效率高，改造后計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，該系統(tǒng)呈分層管理模式，以集中控制為原則組建主控級和現(xiàn)地級。主控級設(shè)置可實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務器、操作員工作站和通信工作站功能。具體功能如下：①數(shù)據(jù)服務器是泵站上位機系統(tǒng)的核心，包括實時數(shù)據(jù)服務器和歷史數(shù)據(jù)服務器，實時數(shù)據(jù)服務器負責泵站實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)管理、綜合計算、機組優(yōu)化運行、全流域?qū)崟r水位監(jiān)測、事故故障信號的處理和分析,以及SCADA系統(tǒng)的管理，歷史數(shù)據(jù)服務器主要負責泵站的信息管理，歷史數(shù)據(jù)以及歷史事件的顯示、存儲和歸檔[8]；②操作員工作站負責泵站生產(chǎn)、運行的實時監(jiān)視和控制；③通信工作站負責將數(shù)據(jù)上傳至泵站調(diào)度室和省水利廳調(diào)度中心。

上述軟件提供了梁子湖水系所有閘站的動態(tài)信息管理系統(tǒng)，可以在樊口泵站實時監(jiān)視全梁子湖水系其他閘站的水位、 流量、水文等資料，為梁子湖流域防汛決策提供了第一手準確、實時、快捷的資料。

圖4 改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 勵磁系統(tǒng)改造

勵磁系統(tǒng)是同步電動機中最核心的組成部分，其中勵磁調(diào)節(jié)器又是勵磁系統(tǒng)最主要的組成部分[9]。為確保同步電機勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，同步電動機勵磁裝置采用雙調(diào)節(jié)器通道，勵磁系統(tǒng)由二個獨立的LH-WTH02勵磁裝置組成，相對于單調(diào)節(jié)器通道，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可靠性強。雙調(diào)節(jié)器通道采用冗余調(diào)節(jié)器通道，兩個調(diào)節(jié)器互為熱備用，一個工作，另一個可實現(xiàn)在線跟蹤監(jiān)視，若有通道發(fā)生故障，該調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)無延時自動切換，保證系統(tǒng)正常運行。

6 結(jié) 語

樊口泵站自動化控制系統(tǒng)于2015年11月開始改造，于2016年4月改造完成。恰逢2016年汛期來臨早，4臺機組經(jīng)過2016年4月13日至2016年9月13日，連續(xù)5個月的運行檢驗，運行穩(wěn)定、安全可靠。通過樊口泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造得出如下結(jié)論：

(1)基于GE PAC3I冗余熱備系統(tǒng)和雙星型以太網(wǎng)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性高；

(2)PLC配置的串行通信模塊與現(xiàn)地智能設(shè)備直接連接，提高 了通信的實時性，通信效率高，PLC可對數(shù)據(jù)進行采集、處理和控制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，響應速度快；

(3)雙星形網(wǎng)絡(luò)具備完整的冗余配置(設(shè)備冗余和鏈路冗余),可靠性和傳輸效率高。

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，還減輕了運行人員的勞動強度，大大改善了泵站運行環(huán)境。

樊口自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造，大大提高了泵站運行的安全可靠性和提排水的實時性，確保了梁子湖流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)姆€(wěn)定發(fā)展和人民生命財產(chǎn)的安全，創(chuàng)造了巨大的社會效益和經(jīng)濟價值。該系統(tǒng)改造對大中型泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造具有很好參考價值和借鑒意義。

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[1] 周小慶.泵站自動化技術(shù)研究[J].水利水文自動化，2003,(4)：35-38.

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