泵站自動化技術改造的探討

摘要：本文主要針對泵站自動化技術的改造展開了探討，通過結合具體的工程實例，對泵站自動化技術改造中存在的問題作了闡述，并給出了一系列相應的措施，以期能為有關方面的技術需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：泵站;自動化改造;PLC技術

泵站具有著防洪、排澇、航運和改善城市水環境等綜合功能，在水利設施的建設中有著重要地位。但是由于多年的運行，泵站自動化系統出現了運行速度慢、誤動作和控制失靈等問題，這就需要我們對自動化進行改造，以保障系統設備的穩定運行和泵站工作的質量。

1"原系統拓撲結構及存在的問題

原自動化系統中每臺機組"LCU單獨配置一套施耐德Quantum系列PLC，每臺機組閘門"LCU單獨配置一套Premium系列PLC，高低壓開關柜、清污機、皮帶機、滲漏泵、檢修泵等公用設備配置一套公用PLC，技術供水泵（含冷卻供水泵）配置一套PLC，消防供水泵配置小型"PLC，均通過以太網與監控主計算機通信。機組閘門LCU是電氣部分與"PLC"共用一個控制柜。機組LCU與機組閘門LCU之間的通訊是通過PLC內部網絡通訊完成的，由于機組閘門電氣控制柜放置在室外，長期日曬雨淋，電氣元件損壞嚴重，故障頻發，造成機組開停機時閘門不能正常聯動。原機組閘門開度傳感器也出現各種問題，因廠家停產而不能提供備件，且該廠家提供的改造方案造價高，于是我們選用WDC-31閘門開度儀作為替代產品。主機組的溫度采集巡檢儀使用的是南瑞公司的溫度采集裝置，通訊速度慢，還經常死機，造成通訊失敗。負責高低壓開關柜、清污機、皮帶機、滲漏泵、檢修泵監控功能的公用"PLC"中通訊模塊長期運行，經常死機，造成通訊失敗。原系統中的監控軟件采用的是WEBACCESS4.5版本。目前泵站已不能實現設備自動化控制操作，這些都成為泵站安全運行的巨大隱患。我們本次主要介紹泵站部分的軟硬件改造，針對泵站情況首先考慮將拆除閘門電氣柜的PLC"控制部分，將閘門測控信號合并至室內的機組LCU柜內，其次機組溫度采集使用PLC的溫度"RTD"模擬量模塊來替代溫度采集裝置，最后在硬件重新配置的基礎上對現地控制單元觸摸屏軟件、PLC軟件以及站控級上位機軟件進行升級優化。

2"技術改造方案的提出及實施

2.1"原自動化系統拓撲結構

1-5號機組LCU、公用LCU采用140CPU65150"型"CPU，1-5號機組閘門"LCU、其它輔機LCU"采用TSX573623A"型CPU，監控主從機也是配置較低的研華工控機，上位機監控軟件采用WEBACCESS4.5版本見圖1。虛線框中是本次改造部分。

圖"1"某泵站原自動化系統拓撲圖

2.2"升級改造后系統軟硬件配置

圖1中虛線框中替換成圖2，每臺機組LCU在增加了機組閘門部分的信號后，原系統中的開關量輸入輸出模塊、通訊模塊、模擬量模塊數量都需要擴展，各機組LCU中增加2塊16點開關量輸入140DDI"84100模塊、1塊16點開關量輸出140DDO84300模塊、1塊TSXETG100網關模塊、3塊8路140ACI03000溫度模擬量模塊。TSX-ETG100用于將泵組閘門輸入輸出信號接入到泵組LCU中，并通過TSXETG100與閘門開度儀WDC31通訊，溫度模擬量模塊用于將機組溫度采集至相應機組的LCU中。

圖"2"改造部分拓撲圖

公用"LCU"中增加"2"塊"TSXETG100"網關替代原通訊模塊與各類保護裝置、儀表通訊。TSXETG100"網關實現了"MODBUS"串口協議與"MODBUS"TCP"以及網協議的轉換。簡單經濟的將系統中閘門開度儀、保護、儀表裝置的"RS485信號集成到泵站的以太網架構中，分別經公用PLC、機組PLC與監控主機通信。監控主從機選用上架式施耐德"HMIRHAPP00H"型產品，主要配置為Pentium"Duo2.6G、4G"內存、可抽取式250G*"2雙硬盤冗余、雙以太網。

上位機監控軟件采用"WEBACCESS7.0"版本對系統進行升級改造。改造后的系統控制方式分為三級，按優先級由高至低依次為：

（1）現地手動控制：操作員在設備現場通過按鈕或者開關直接啟動、停止設備;

（2）現地控制單元控制：操作員通過設置在現地控制單元內的人機接口（觸摸屏）啟動、停止設備，監視設備啟動或者停止的過程;

（3）站控級控制：操作員在控制室內通過監控主機發布啟動/停止設備的命令至現地控制單元，由現地控制單元完成相關控制操作。操作員也可通過監控畫面監視設備的啟動或者停止過程。進行硬件改造后的機組現地控制單元"LCU單元負責對主機組、輔機、變配電、主機組閘門等設備進行就地測量、監視，并向監控主機發送各種測量數據，同時接受監控主機發來的控制命令和參數，完成控制邏輯的實施;站控級計算機實現全站的運行監視、事件報警、數據統計和記錄、與上級系統通信等功能，并向各現地控制單元發出控制、調節命令。

2.3"機組開停機時閘門聯動的觸發條件

該泵站機組開機/停機時工作門需聯動上升/下降，直至閘門上限/下限。在PLC程序中采用機組合閘輸入信號的上升沿或下降沿來觸發這一動作可靠穩定[1]。機組開機時工作門需聯動上升，此時需要判斷閘門上一級控制電源是否處于合閘狀態，如未合閘，首先發閘門控制電源合閘命令，然后再發閘門上升命令（見圖3）。

圖"3"機組合閘工作門聯動上升程序

機組停機時工作門需聯動下降，其中需要判斷閘門控制電源是否處于合閘狀態，如未合閘，首先發閘門控制電源合閘命令，其次判斷閘門是否有上升回信，如有上升回信（閘門處于上升過程中），則先要發閘門停止命令，延時后再發下降命令，這種情況是機組在開機時遇故障緊急停機時發生，機組合閘后，閘門聯動上升還未至全開位置，此時又遇故障停機閘門聯動下降（見圖"4）。

圖"4"機組分閘工作門聯動下降程序

在調試過程中偶遇機組高壓真空斷路器在合閘、分閘時發生抖動干擾，造成利用機組合閘信號上升沿/下降沿觸發的閘門聯運流程失控，閘門不能正確執行聯動操作。為避免這一抖動現象，利用定時器判斷機組合/分閘信號穩定存在500ms即置"Hz"-"flag"標志為"1/0，軟件濾波[2]去除合分閘過程中的抖動干擾（見圖"5）。當機組合閘信號一直持續為狀態"1，不再抖動時，Hz"-"flag"標志常為1表示機組合閘，當機組合閘信號一直持續為狀態0，不再抖動時，Hz"-"flag"標志常為0表示機組分閘。

圖"5"機組合閘/分閘抖動干擾軟件濾波程序

PLC程序中涉及變量定義見表1。

表1"PLC"程序中涉及變量定義表

2.4"雙向"X"型流道機組"PLC"和上位機流程的實現

4、5號機組流道為雙向X型流道，具有雙向抽排水功能，可實現從內河到外河、外河到內河兩種方式的抽排水功能。

2.4.1"PLC"程序的實現

在PLC中設置變量Kz-fs作為開機工況標志，判斷0為內向外、1為外向內，該變量可以在上位機或觸摸屏直接設定，默認值為"0，該泵站主要運行工況為從內向外抽水方式即默認值為0的情況（圖6）。PLC"程序在執行程序掃描時，根據Kz-fs的值自動調用相應的子程序。

圖"6"根據開機工況標志分別調用不同子程序

2.4.2"上位機流程的實現

開/停機控制流程圖及需滿足的條件，在上位機使用機組開/停機電子操作票，按如下機組開/停機控制流程圖來完成對機組的開/停機控制（見圖7、圖8）[3]流程啟動后首先判斷開/停機條件是否滿足，任何一個開/停機條件不滿足，控制流程會報警并退出。特殊情況下，經運行人員檢查并確認該條件不影響機組的安全運行后，允許跳過對該條件的檢測。

主要的開機條件包括：機組當前處于停機態（機組斷路器分閘、出口工作閘門全關等條件全部滿足）;控制權限滿足;控制電源正常、機組手車工作位;機組保護裝置、勵磁系統正常;機組上、下油缸油位正常;快速閘門工作正常;供水或冷卻系統開啟并運行正常;母線電壓正常;主機組斷路器已儲能。主要的停機條件包括：機組當前處于運行態（機組斷路器合閘、機組功率大于低限值、出口工作閘門全開、出口事故閘門全開等條件全部滿足）;控制權限滿足;控制電源正常。

圖7"開機控制流程圖

圖8"停機控制流程圖

3"結語

通過對該泵站自動化系統軟硬件部分的改造，硬件部分包括將機組閘門測控信號合并至機組"LCU"柜中，改造完善公用"PLC"保護及儀表通訊功能;軟件部分實現觸摸屏軟件、PLC"軟件以及站控級軟件的升級優化。實現了對泵站主機組、輔機、變配電、閘門等設備的自動化監控。經近一年的投運，系統運行穩定、可靠。目前無錫多個泵站也借鑒了該泵站自動化技術改造的經驗，陸續進行了自動化改造，均實現了泵站的自動化控制功能，減少了管理人員，節約了管理成本，實現“無人值班，少人值守”的泵站現代化運行管理模式。為進一步搭建水利信息化平臺奠定了良好的基礎。

綜上所述，在泵站的日常工作進行自動化技術的改造，不僅可以避免因系統老舊帶來的隱患，還能進一步實現自動化生產，減輕工人勞動強度，對泵站的工作有一定程度方面的幫助。本文就泵站自動化技術的改造進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定幫助。

參考文獻：

[1]沈玉鳳.無人值守泵站自動化技術改造案例[J].自動化應用.2011（05）.

[2]戚金疊.淺談排澇泵站電氣自動化系統的設計[J].企業技術開發.2012（18）.