陸 明

（上海高誠智能科技有限公司，上海 201101）

0 引言

南匯北泵站位于上海市浦東新區(qū)，屬于青草沙水源地原水工程的一個支線工程。該項目主要內容包括輸水管道和南匯北泵站。管線自五號溝泵站圍墻起，沿A30、金海路、華東路至金海泵站，線路長度約9.0 km，采用DN2800 雙管。絕大部分采用頂管施工，管材為鋼管。金海泵站進站控制壓力14.0 m，原水到達金海泵站后，一部分水量轉輸至金海水廠，一部分水量提升后分別向川沙水廠及南匯北泵站方向輸水。轉輸和提升的流量規(guī)模分別為80 萬m3/d、20 萬m3/d 和108 萬m3/d。南匯北泵站輸水規(guī)模為108 萬m3/d，安裝5 臺臥式離心泵，采用變頻控制，主要向南匯惠南水廠、航頭水廠、南匯北水廠提供原水。泵站工程自動化系統(tǒng)包括：工藝過程的自動控制和自動調節(jié)，運行控制系統(tǒng)；各種檢測儀表；泵站的集中控制、信息管理系統(tǒng)；具體包括泵站內計算機監(jiān)控系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、35 kV/6 kV 及0.4 kV 監(jiān)測系統(tǒng)等。

1 系統(tǒng)功能特點

（1）南匯北泵站自動化控制系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的方式，設置泵站集控室，控制、管理泵站的運行過程，實現(xiàn)泵站運行自動化，集控室采用C/S 架構形式的計算機局域網絡。

（2）泵站監(jiān)控系統(tǒng)可以接受集控中心的調度命令，上級集控中心僅對泵站上傳的信息進行監(jiān)視，不做遠程控制，下級控制的優(yōu)先權高于上級；泵站監(jiān)控系統(tǒng)與集中控制中心計算機系統(tǒng)之間的通信，通信方式和通信協(xié)議滿足集中控制中心計算機系統(tǒng)的要求。為確保泵站監(jiān)控系統(tǒng)與集控中心計算機系統(tǒng)之間及時、安全和穩(wěn)定通信，泵站監(jiān)控系統(tǒng)能與集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。

（3）每套泵組設置一套現(xiàn)場PLC 控制站，獨立控制泵組系統(tǒng)啟停。對泵組系統(tǒng)中的軸承溫度、電機溫度、6 kV 變頻器等電氣參數(shù)進行實時監(jiān)控。在泵房控制室設置PLC 柜，完成泵站工藝和35 kV/6 kV 及0.4 kV 變配電系統(tǒng)的監(jiān)測。

（4）每套機組設置振動監(jiān)測系統(tǒng)，對泵站機組進行實時振動監(jiān)測及運行狀態(tài)監(jiān)視，確保每臺泵組工作在最佳工作狀態(tài)，延長設備使用時間，有利于機組節(jié)能運行。

（5）主要機械設備配備現(xiàn)場手動控制按鈕和現(xiàn)場手動控制界面。人機界面功能強大、操作簡便，全中文界面，具有語音報警功能。

（6）對泵站上游管網及下游受水廠的流量、壓力的監(jiān)測，分析受水廠的進水水質，通過無線通信專線的方式接入泵站集控室。系統(tǒng)設有統(tǒng)一的GPS 時鐘系統(tǒng)以進行對時和時鐘校正。系統(tǒng)配備統(tǒng)一的GPS 時鐘服務器，用于時間同步和時鐘校正。

2 網絡結構

泵站自動化控制系統(tǒng)由中心集控系統(tǒng)和現(xiàn)場控制層組成。由泵站工藝和35 kV/6 kV 及0.4 kV 變配電監(jiān)控系統(tǒng)、主泵機組PLC 以及各PLC 至監(jiān)控對象設備的現(xiàn)場總線和I/O 設備，構成現(xiàn)場控制層。

（1）中控室監(jiān)控裝置之間連接采用100 M 以太網，通信傳輸介質為網線。

（2）現(xiàn)場就地控制單元層主干網絡采用環(huán)型結構100 Mbps工業(yè)以太網，傳輸介質為光纜。

（3）中控室與所轄管線及水廠監(jiān)測點之間通信信道采用GPRS/CDMA。

（4）PLC 控制柜與變頻器、軟啟動器、低壓柜智能開關、電力網絡儀表、變壓器、溫控器、UPS 之間通信，傳輸介質為屏蔽雙絞線、通信協(xié)議為MODBUS RTU。

3 泵組工藝流程

（1）根據(jù)上級下達的水量需求指令進行輸水泵組控制。

（2）主機組水泵和閥門開停一步化操作順序：機組投入運行時，先開泵，待出水管道壓力達到設定值時，再開出水閥門；機組退出運行時，先關出水閥門，再關水泵。變頻水泵控制根據(jù)出水總管壓力或流量反饋，控制變頻電機轉速。

（3）自動增減運行泵數(shù)量時，根據(jù)泵運行時間選擇泵，實現(xiàn)泵的均衡工作。運行時間相同時，按泵的順序啟停。

4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

（1）操作員站。作為監(jiān)視和操作的主要手段，操作員與操作員站之間的交互是通過操作員使用的計算機、打印機、鍵盤或鼠標來實現(xiàn)的。操作員站僅允許進行系統(tǒng)設備的監(jiān)視，控制調整和參數(shù)設置之類操作，不允許修改或測試各種應用程序軟件。操作員通過鍵盤或鼠標選擇菜單，完成操作控制任務。操作之前，首先輸入密碼，調用相關的控制對象屏幕，然后選擇對象。屏幕上的被控制對象應有“顯示反應和選擇無誤”的提示，操作者確定目標后才可進行相關操作。操作員在操作員站上輸入密碼后，能夠方便、準確地設置或修改操作模式，設置操作參數(shù)，巡查時間，優(yōu)先權等。

（2）工程師站。完成系統(tǒng)生成和啟動；系統(tǒng)管理維護和監(jiān)控設備的軟硬件/通信故障診斷；應用軟件的圖形開發(fā)和修改，以及工業(yè)數(shù)據(jù)庫的修改、各種報表的生成。

（3）SCADA 及I/O 服務器。主要完成各類實時數(shù)據(jù)的采集、生成與存儲。系統(tǒng)中的兩臺SCADA 及I/O 服務器必須支持雙機冗余，并且須保證冗余切換時間低于1 s。冗余切換過程中應保證實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)的完整。故障恢復后，故障期間的歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)應能夠自動同步，不會丟失。系統(tǒng)能夠提供與分布于現(xiàn)場的設備（如RTU、PLC 和DCS）通信服務的能力，與主流PLC、DCS 通信，支持串口或者現(xiàn)場控制網絡。

（4）運行監(jiān)視。集中控制室通過液晶顯示屏和操作終端等顯示設備監(jiān)視泵站的生產過程。液晶顯示屏動態(tài)顯示各主要設備的狀態(tài)、主要現(xiàn)場數(shù)據(jù)。例如，各臺泵組運行狀況、出水流量、進出水壓力、下游水廠水質數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、電力參數(shù)、電量數(shù)據(jù)和事故報警等，用于全盤掌握泵站的生產運行過程。

（5）運行控制。集控室的運行控制由操作終端實現(xiàn)，主要是對泵站的生產工藝過程進行調節(jié)，以及對生產工藝進行控制。集控室原則上不直接參與現(xiàn)場設施的具體控制，主要用于操作監(jiān)控和調度、參數(shù)設置和信息管理。集中控制室將單體或節(jié)點的操作控制目標分配給每個過程單體控制系統(tǒng)，并命令一組特定的過程設備投入運行或停止運行。對于允許在集中控制室投入運行的設備或設備組，特定的控制過程由單個控制系統(tǒng)管理；對于禁止在集中控制室內投入運行的設備或設備組，單個控制系統(tǒng)將控制它們退出運行，并且該設備被標記為不可用，將不再被激活。

（6）數(shù)據(jù)管理。集控室是泵站運行進程的數(shù)據(jù)中心。集中控制室數(shù)據(jù)庫記錄每個單獨控制系統(tǒng)報告的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。通過處理這些數(shù)據(jù)，可以形成歷史數(shù)據(jù)庫，生產報告和統(tǒng)計報告等。

（7）報警處理。當泵站工藝過程或設施運行出現(xiàn)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)立即響應，發(fā)出聲光報警提示信號。①聲報警。由安裝于操作客戶端的音箱發(fā)聲，聲報警在確認后消除；②光報警。操作客戶端閃爍顯示報警內容，光報警在故障消除后，系統(tǒng)恢復正常后自動解除。

（8）事件處理。事件是指運行事件和重要的人工和系統(tǒng)操作，各事件按發(fā)生時間倒序排列。主要事件都要記入不可修改的歷史數(shù)據(jù)庫中。

（9）報表及打印功能。監(jiān)控系統(tǒng)自動生成客戶定制化的報表，如日報、月報、年報和效率報表等。報表中有實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以插入說明文字。各種報表、曲線、報警信息等均可打印。

5 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

本泵站自動控制系統(tǒng)所有設備采用PLC 控制實現(xiàn)，整個系統(tǒng)采用集散控制方式，根據(jù)工程運行管理機構的設置，整個系統(tǒng)運行調度方式分為三級。

5.1 遠程調度級操作（第一級）

青草沙水源地集控調度中心控制人員可以通過調度計算機系統(tǒng)，經租用的電信、聯(lián)通、移動通道與泵站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信，遠程監(jiān)視泵站的主要數(shù)據(jù)，暫不做遠程控制。

5.2 泵站控制中心計算機/觸摸屏（第二級）

（1）泵站自動控制。泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)泵站工藝預先給定的流量壓力及其他條件，自動控制泵站各泵組的啟停以及附屬設備。

（2）泵站手動控制。在操作員站上，操作人員通過顯示器、鍵盤、鼠標等設備進行操作?？蓪崿F(xiàn)一鍵啟動或一鍵停機，或者按照提示分步操作。

泵房控制室上位機與就地觸摸屏具有相同級別權限，上位機操作權限與觸摸屏操作權限，可通過操作軟件實現(xiàn)相互切換和閉鎖。

5.3 現(xiàn)地手動級（第三級）

（1）通過設備的機旁箱上按鈕，實現(xiàn)就地設備的手動運行操作。

（2）現(xiàn)地控制權限為最高級別權限，通過現(xiàn)場設置的硬件轉換節(jié)點與上級操作權限進行切換，能完全獨立于上級工作，實現(xiàn)應急情況下的手動操作。該方式主要用于調試、試驗以及緊急情況。

5.4 運行方式的切換

現(xiàn)場PLC 站級、水廠中控室監(jiān)控系統(tǒng)均設有“手動/自動”兩種模式，現(xiàn)地控制級設有“就地/遠程”兩種方式，均可根據(jù)需要自行切換。

當上位監(jiān)控設備或數(shù)據(jù)通信網絡發(fā)生故障，不影響機組運行，控制級可降級行使對所在單體的控制功能，維持泵站正常運行。操作人員也可通過各現(xiàn)場PLC 控制站的觸摸屏，按照預先設置的運行模式，監(jiān)控水泵等設備運行。

當主控制器出現(xiàn)故障退出運行或者觸摸屏出現(xiàn)故障時，運行人員可以通過現(xiàn)地控制箱上的操作按鈕控制設備。當主控制器運行正常而根據(jù)調試需要，運行人員可以通過現(xiàn)地操作箱上的按鈕控制設備。

6 結束語

綜上所述，隨著社會經濟發(fā)展，以及大量自動化系統(tǒng)的廣泛應用，自動化系統(tǒng)已成為各種大型公共基礎設施的必然選擇。本文介紹的自動化控制系統(tǒng)在泵站中的設計與應用，可以實現(xiàn)對整個南匯北泵站的自動化控制，可以和上級調度中心通信，以及采集下游3 個水廠的各種參數(shù)。整個系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制，采集數(shù)據(jù)的分析處理，并生成各種所需報表、趨勢曲線和報警界面等，便于分析研究各種設備運行工況。該自動化系統(tǒng)運行以來，始終安全、可靠和穩(wěn)定，為上海南匯地區(qū)提供了優(yōu)質的長江原水，為供水調度提供決策依據(jù)，取得了較好的社會經濟效益。