高潭口泵站自动化改造

高潭口泵站自动化技术更新改造 1冯 靖 1陈 坚 2马宜灵 （1水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉大学，湖北武汉，430072； 2武汉创丰科技有限公司，湖北武汉，430070）

[摘 要] 高潭口泵站是湖北省装机容量较大的排涝骨干泵站，建站至今在防洪排涝抗旱取得了良好的社会效益和经济效益。由于建站时间已达30多年，设备老化严重，自动化水平很低，为了更好的发挥该泵站的排涝作用，提高泵站的管理水平，对该泵站进行了自动化的更新和改造。通过这次技术上的更新和改造，提升了泵站的装备水平和科学技术含量，使泵站运行更加安全、经济和可靠。 [关键词] 泵站 PLC 自动控制 应用

高潭口泵站位于湖北省洪湖市黄家口镇东荆河右线堤岸上，是荆江北岸防洪排涝工程项目的第一期重点工程，是解决四湖流域涝灾问题的流域性骨干泵站。高潭口泵站装机10×1600kW，在设计工况下流量为190m3/s，灌溉流量40 m3/s，工程集提排、 提灌、自灌于一体。建站至今在防洪排涝抗旱取得了良好的社会效益与经济效益。然而由于泵站运行时间长达三十多年，泵房出现多处裂缝，设备老化，自动化程度低等问题影响了泵站的安全和经济运行。通过这次技术上的设备更新改造，可以更好地满足泵站的运行要求，大大提升了泵站的自动化水平；能使泵站管理水平上一新台阶，逐步达到“无人值班、少人值守”的管理新体制要求。 高潭口泵站自动化更新改造采用计算机监控保护系统，该监控系统主要是实现生产过程的操作、控制、监视及管理。系统采用iFix 工控软件作为基本SCADA软件和人机接口、图形显示软件,实现数据采集、通信、机组及辅助设备控制、电能计量等功能,通过人机对话对泵站机组等设备进行监控保护,并实现越限及设备异常报警、记录、打印制表、事件顺序记录、统计计算、事故追忆等功能。

1 泵站控制系统结构 可编程序控制器(PLC) 是一个很好自动控制平台，在工业生产领域中被广泛应用。其基本功能是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态,按用户程序解控制逻辑,然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。PLC 内部具有丰富的输出继电器、保持继电器、计数器、计时器、特殊继电器、A/ D(D/ A)转换器及输入输出信号显示,它可代替常规的电流、电压信号、中间继电器等实现自锁、互锁、顺序、延时等控制。它的工作稳定性、动作的正确及时的响应、易维护等，得到了广大用户的一致肯定。 整个系统分为主控制层和现地控制层，系统内所有计算机构成100 M高速以太局域网,现场控制设备构成MODBUS工业控制网络，两者在网络拓扑上是独立的，可独立运行。另外，双网络又相互联系，以太局域网相应级别的上位计算机可直接与MODBUS 网中的PLC 等现地控制单元通讯。双网络结构使得系统更可靠,即使部分计算机有故障,也不会影响现地控制单元的操作。 该系统由10套机组就地控制单元：1套辅机屏、1套公用屏、2台工业控制机、XX台摄像机、距阵切换器、大彩色背投屏组成。其系统配置如图1所示。 高潭口泵站每台泵配备一台PLC，公用屏和辅机屏亦各自配备一台PLC，温度巡检仪和转子接地保护柜没有安装PLC。十二台可编程控制器均选用三菱的FX2N系列的PLC(除公用屏采用的是FX2N32MR,其余是FX2N80MR)。PLC通过对开关量的输入逻辑判断、采集的模拟量数据进行处理后，输出相应的命令，从而达到对泵站的高低压油泵、顶轴油泵、真空泵、冷却泵等电机泵的启停控制，以及拍门、电动阀门的开关。在启动、运行过程中,任何一个环节故障均可自动报警。 该系统采用的三种控制方式：①由后台监控机控制；②由现地单元控制；③由运行人员控制每一步操纵。

2 系统软硬件 2.1 上位机软件 系统采用iFix3.5 作为基本SCADA 软件。iFix工业控制软件是美国Intellution公司的产品,是一种分布式生产自动化软件和控制软件,提供监控和数据采集功能。基于Windows平台具有很好的兼容性,可提供与多种数据库的接口。iFix提供给用户一个图形界面,使监控操作更高效,把传统操作控制台变成了计算机和一个图形屏幕,执行监视、报警、控制等功能;同时具有生成报表和文件的能力,将许多需要的实时数据作成报表并保存,供以后分析。

2.2 下位机软件 下位机采用的是三菱的GX Developer Version 7 操作系统。GX Developer具有下列功能： （1） 制作程序； （2） 对可编程控制器CPU的写入/读出； （3） 监视功能，包括回路监视，软元件同时监视，软元件登录监视； （4） 调试，把制作好的可编程控制器程序写入可编程控制器的CPU内，测试此程序能否正常运转； （5） PC诊断，可将现在的错误状态或是故障履历表示出来，以便在短时间内恢复作

图1 系统配置图 业。 我们可以通过编程电缆将编写好的程序下载到PLC的程序存储器里，还可以通过PLC编程口在线监视PLC运行状态。 2.3 硬件配置 考虑到FX2N网络的组成结构和高潭口泵站的实际情况，我们有两种组网的方式，分别见图2与图3。

N:N网络模式是通过FX系列的通讯模块FX1N－485－BD或FX2N－485－BD传输数据，但是传输的数据内容受限制，根据通讯参数的设置，每个PLC最大传输8个8字节的数据寄存器D,64个辅助寄存器M的位寄存器；而且组网的PLC个数最大为8个。其中有1台设为主站，其余7台为从站。主从站之间可以进行数据交换。 电脑连接方式亦通过FX系列的通讯模块FX1N－485－BD或FX2N－485－BD传输数据，可以实现多台PLC的数据通讯。工控机为主站，PLC均为从站，主站与从站可以通信，而从站之间不能进行通讯。 根据高潭口泵站的实际情况，如果采用N:N网络势必增加投资，最主要的是交换的数据太少不能满足实际需要。如果采用后面的接线方式，每台泵之间是不需要通讯，每台泵单独给辅机设备的下达启停命令就能满足要求，而且泵的启动允许条件完全可以通过辅机屏的PLC处理后直接通过硬接线接到每台泵的一个输入节点上或是让工控机采集这些信号处理后传给每台泵的PLC。最重要的是从站的数量可以达到16台即可挂16台PLC。因此给后面的进一步升级改造留下了空间。 现地控制单元是一台完整的单元控制装置，可脱离主控级计算机独立运行。PLC直接完成生产过程的实时数据采集及预处理，本单元设备状态监视、调整和控制，以及与全站控制层的通讯联络等功能。 现地控制层按被控对象共设14套现地控制单元（LCU），10台机组每台机组各1套LCU

图2 N:N网络 图3 电脑连接网络 控制单元、公用设备和辅机设备各1套LCU控制单元、温度巡检仪和转子接地保护各一套。各现地控制单元与主控层相对独立，可直接完成生产过程的实时数据采集和预处理，以及本单元设备状态的监视、调整和控制等功能。 通过网络实现各现地控制单元与全站控制层连接交换信息，实现现地设备的监视、控制及数据共享。 微机保护装置、温度测量等设备通过总线方式连接，实现相应参数的监视和控制。部分没有通讯接口的设备则通过现地控制单元的I／O模块实现设备的控制和状态检测。 就地控制柜由差动保护装置、后备保护装置、可编程控制器（PLC）、A/D模拟/数字转换模块、多功能电度表、转换开关和指示灯等组成，用于实现机组正常启、停、叶片角度及励磁调节器控制及机械保护功能。 公用控制屏由2台线路保护装置、2台站变保护装置、1台母联保护装置、4块多功能电度表、PLC可编程控制器和转换开关等组成，用于实现2面高压进线柜、2面高压站变柜和1面母联柜正常分、合闸及机械保护功能。 辅机控制屏由触摸屏、压力仪表、指示灯、PLC可编程控制器和转换开关等组成，用于实现辅机分、合闸及机械保护功能。 系统I/O测点有335个开关量输入，212个开关量输出，76个模拟量输入。 温度巡检仪柜由10台温度巡检仪组成，采集每台泵的转子和轴承温度，通过RS485送给工控机。 转子接地保护柜由10台转子接地保护装置构成，对泵电机提供可靠的接地保护。

3 系统功能 高潭口泵站自动控制系统实现以下功能： （1） 数据采集与处理功能。对模拟量输入、开关量输入、温度量、保护事件、电气量进行数据采集和处理。具体功能包括：a) 具有硬件和软件滤波功能；b) 数据有效性、合理性判别；c) 报警及事件的登录；d) 事故时，有语音报警、多媒体工业电视联动、自动录像。 （2）运行过程的自动保护功能。运行过程中的自动保护功能包括：a) 电动机机组的启、停操作；b) 快速闸门的启闭及开度监视；c) 主变和站变合、分、切换的操作；d) 全站油、水系统的运行和记录；e) 紧急情况下可手动按紧急按钮停泵。 （3）统计、报表与查询功能。具体功能包括：a) 显示实时参数表，含全站各机组的电气参数及压力、温度、流量等动态数值；b) 累计全站日、月、年的有功、无功电度，机组开停次数、运行时间、总排水量；c) 利用Excel电子表格方式组织和显示；d) 支持日、月、年的运行日志，并可通过年月日的选择，检索历史报表；e) 支持各种保护事件、趋势记录的查询。 （4）人机界面。上位机的显示画面是整个泵站监控系统的重要组成部分，它通过各种动态的图形来表示整个泵站各种设备的实时状态，给人以生动、直观的操作效果。泵站计算机监控的主要画面包括：电气主接线图，枢纽布置图，泵站剖面图，站用电接线图，油、水系统图，开停机流程，监控系统配置、调试窗口、通信状态等画面。在各画面上除了动态显示各对象状态外，还显示对应的功率、流量、水位、温度等实时参数，对于每个操作对象都有对应的弹出操作面板，有口令和确定方能进行操作，防止误操作。 （5）工程管理。以实测数据为基础，按照泵站、水闸等水工建筑物管理规程要求，自动计算并列出年度运行统计数据，并适时归档。 （6）通讯。各泵站，水闸与工程管理中心，通过工业以太网交换机和光缆构成环网通道，实现遥信、遥测、遥控、遥调、遥视等“五遥”功能。 （7）多媒体视频联动。通过多媒体系统的控制机与监控系统的主机在网上交换信息，