淺談樊口泵站自動化控制系統改造

鐘 山

(湖北省樊口電排站管理處，湖北 鄂州 436001)

1 泵站自動化的發展及應用

泵站自動化系統于20世紀70年代應用于水利行業，從初期到現階段廣泛應用經歷了巨大發展：最早期自動化控制采用數據卡采集系統和上下位機的分布式系統，在完善階段主要采用STD總線或者PC總線為基礎的工業控制計算機，現階段主要采用計算機自動監控系統，經濟性強，管理方便[1]。20世紀80年代到90年代，江蘇淮陰泵站、西北地區的部分泵站和湖北的部分泵站相繼引入自動監控系統，實現了泵站監控自動化；20世紀90年代后期，泵站自動化系統經歷了較大改善，實現了現地控制級、泵站控制級和遠程控制級的三層分層分布式結構。

目前自動化技術主要包括：數據采集和處理技術、運行控制和調度技術、運行信息管理技術和安全運行及監控技術。但是在當前發展過程中，自動化控制技術更新快，早期引入的自動化監控系統已無法滿足當前需求，采用先進的工業控制計算機、可編程控制器等設計實現泵站自動監控并提高自動應急處理能力、完善智能控制等，對實現可持續發展有實際意義。以下以樊口泵站為例，介紹自動化監控系統改造情況。

2 工程概況

2.1 工程現狀

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于1999年11月進行了第一次更新改造，自動化控制系統基本實現了對所有設備進行保護、監控和自動控制[3]。

2.2 存在的問題

樊口泵站自動化監控系統已運行近20年，隨著計算機網絡技術、PLC控制技術及電力電子技術的發展，現有的自動化控制系統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。主要表現在：①PLC之間通信數據交換受現場環境等因素影響，系統穩定性差；與上位機通信采用RS485串口通信，通信速率低，實時性弱；②采用多串口設備聯網服務器NPORT SERVER PRO連接微機保護系統、微機勵磁系統、測溫系統、直流電源系統，數據上傳形式采用以太網，速度慢，通信質量差；③計算機監控系統網絡拓撲采用總線型網絡，不具備設備冗余和鏈路冗余功能，其數據傳輸效率和網絡可靠性不高，具有系統網絡通信瓶頸。④計算機監控系統軟件功能單一，無法實現數據采集的冗余。⑤微機勵磁系統未采用雙通道勵磁調節器，在采樣部分或脈沖部分發生故障時引起勵磁系統的故障。

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

3 自動化監控系統改造

3.1 改造前的PLC控制系統

原PLC控制系統采用日本三菱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鏈接通信協議自動數據交換，PLC之間數據共享，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多串口通信服務器與上位機通信。系統結構圖如圖1所示。

圖1 原PLC控制系統結構圖

該控制系統存在如下問題：①依賴于總線的通信系統，采用集中式管理，節點多；②節點之間相互制約，總線節點通信中斷，易造成多個PLC之間數據通信中斷，影響通信系統的運行；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生，提高通訊速度和可靠性，增強系統運行穩定性，提出了自動監控系統改造控制目標是實現獨立管理，保證數據的實時性和穩定性。

3.2 改造后的PLC控制系統

采用以GE PAC3I冗余熱備PLC為控制核心的自動控制系統，GE Fanuc PAC Rx3i冗余熱備系統是一種基于GE Fanuc最新高端控制器PAC以及獨有的工業現場總線Genius網的先進熱備系統，系統采用了兩套獨立機架，保證了電源、CPU、背板、通訊等所有系統關鍵器件的全冗余，并實現系統和上位機的以太網通訊冗余[6]。系統采用獨立的通訊模塊進行數據同步，并有相應的控制機保證兩套PLC系統切換的及時和穩定。系統共設置有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℃以太網的觸摸屏。

Rx3i冗余熱備系統結構示意如圖2所示。

圖2 Rx3i冗余熱備系統結構示意圖

改造后PLC控制系統具有如下特點：①各現地控制單元為獨立的單元，該結構采用冗余配置的熱備系統，可實現兩套CPU之間的無延時自動切換，降低了故障對系統造成的影響；②PLC配置的串行通信模塊與現地智能設備直接連接，實現通信的實時性，通信效率高，PLC可對數據進行采集、處理和控制，保證了數據傳輸的穩定性和可靠性，響應速度快；③現地控制單元配置的人機交互界面，可實現脫離監控系統獨立運行；④該PLC控制系統可通過自身的以太網接口直接與上位機通訊，通訊速度快，可靠性強。

4 計算機機監控系統改造

4.1 原有計算機監控系統網絡結構

原有的計算機監控系統配置有多串口通訊服務器[7]，經RS485/RS232與現地PLC、微機保護、微機勵磁、溫巡儀、電子電度表等通訊，通過其以太網接口與上位機通信，系統結構如圖3所示。

這種方式本質上是采用集中式監控系統，是基于現場總線的實時通信系統，計算機部分出現故障會造成整個監控系統控制、監視的癱瘓。其次，在該監控系統中，數據采集、處理、存儲、分析、統計等都由監控主機完成，監控系統主機負擔重。

4.2 改造后的計算機監控系統網絡結構

圖3 原有計算機監控系統網絡結構

改造后的計算機監控系統采用全開放、分層分布式、雙星形網絡結構，同一個網絡系統中設置完全獨立的2套單星形結構,所有PLC設備均同時接在2臺交換機上,雙星形網絡具備了完整的冗余配置(設備冗余和鏈路冗余),可靠性和傳輸效率高，改造后計算機監控系統結構如圖4所示。

如圖4所示，該系統呈分層管理模式，以集中控制為原則組建主控級和現地級。主控級設置可實現數據服務器、操作員工作站和通信工作站功能。具體功能如下：①數據服務器是泵站上位機系統的核心，包括實時數據服務器和歷史數據服務器，實時數據服務器負責泵站實時數據采集、實時數據管理、綜合計算、機組優化運行、全流域實時水位監測、事故故障信號的處理和分析,以及SCADA系統的管理，歷史數據服務器主要負責泵站的信息管理，歷史數據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、運行的實時監視和控制；③通信工作站負責將數據上傳至泵站調度室和省水利廳調度中心。

上述軟件提供了梁子湖水系所有閘站的動態信息管理系統，可以在樊口泵站實時監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 改造后的計算機監控系統網絡結構

5 勵磁系統改造

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

6 結 語

樊口泵站自動化控制系統于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臺機組經過2016年4月13日至2016年9月13日，連續5個月的運行檢驗，運行穩定、安全可靠。通過樊口泵站自動化監控系統改造得出如下結論：

(1)基于GE PAC3I冗余熱備系統和雙星型以太網的計算機監控系統改造，系統的可靠性、穩定性高；

(2)PLC配置的串行通信模塊與現地智能設備直接連接，提高 了通信的實時性，通信效率高，PLC可對數據進行采集、處理和控制，保證了數據傳輸的穩定性和可靠性，響應速度快；

(3)雙星形網絡具備完整的冗余配置(設備冗余和鏈路冗余),可靠性和傳輸效率高。

泵站自動化監控系統技術水平的提高，還減輕了運行人員的勞動強度，大大改善了泵站運行環境。

樊口自動化監控系統改造，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業生產、交通運輸的穩定發展和人民生命財產的安全，創造了巨大的社會效益和經濟價值。該系統改造對大中型泵站自動化監控系統的改造具有很好參考價值和借鑒意義。

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

[2] 姜乃昌. 泵與泵站[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

[3] 王學明. 泵站自動化的發展趨勢[J].科技信息，2011,(23).

[4] 譚健華. 機電自動化控制技術在排澇泵站中的應用[J].自動化應用，2016,(5).

[5] 梁夢穎. 淺議泵站自動化系統的設計與應用[J].科技與創新，2015,(10).

[6] 楊慶九. 泵站自動化技術的發展趨勢分析[J].中國高新技術企業，2015,(12).

[7] 令狐金卿,李澤滔. 泵站自動化技術的探討[J].現代計算機(專業版)，2011,(6).

[8] 高春寶. 玉田縣泵站存在問題及對策[J].水科學與工程技術，2010,(5).

[9] 周 元. 自動化控制技術在泵站中的應用[J].科技資訊，2009,(31).