水利灌區泵站計算機監控系統設計

邊玉國,楊永聰,郭志成

(1.蘭州工業學院電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省白銀市劉川電力提灌工程管理局，甘肅 白銀 730900)

0 引言

隨著經濟發展，水資源的戰略地位日益凸顯，高效利用和有效管理成為世界各國水資源關注的焦點。作為農業大國，我國的水利建設現代化勢在必行。

泵站作為一種重要水能利用工程，對我國地方經濟發展起著重要作用。我國農田灌區大多數泵站已運行了幾十年，在灌溉、防洪抗災方面發揮了巨大的作用，但在技術水平，工程質量、管理以及經濟效益等方面相對落后。這些運行多年的泵站，已難以滿足水利行業信息化建設的要求，急需自動化改造。

1 系統結構

泵站計算機監控系統按照“無人值班(少人值守)”的原則進行設計和配置。系統采用全開放、分布式模塊化的冗余結構，以“分層控制、集中管理”為原則，采用“遙測、遙信、遙控、遙調”的“四遙”功能配置，結合先進計算機技術，實現自動化控制。

系統結構如圖1所示[1-3]。

圖1 系統結構框圖

系統采用集散式的系統結構，分為主控級、就地級。主控級和就地級采用快速10 MB/100 MB工業以太網，每個泵站監控系統除能獨立運行外，還同時與灌區遠程管理級的梯級泵站聯網調度管理中心連接。

主控級設于泵站控制室內，設計采用1臺主控計算機和1臺數據服務器，以雙機熱備用冗余方式運行，設置1套不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)電源，供主控計算機、數據服務器等使用，同時配置輔助和外圍設備。主控級完成對泵站的就地監測、控制，是整個泵站的集成管理核心，也是未來聯網調度系統集成功能實現的核心。

根據灌區泵站特點，每個泵站就地級采用現地控制單元(local control unit,LCU)，由高性能可編程控制器及觸摸屏等組成，直接面向生產過程，負責對現場設備進行監視和控制。就地級接收生產現場各種設備和傳感器的輸入信息，并上傳實時信息給主控級；同時，接收上級控制主機的控制命令，驅動現場執行機構進行邏輯控制[4]。

為了確保監控系統安全、可靠、穩定，泵站設計為獨立運行的計算機監控系統。主控級和就地級采用以太網實現數據通信，就地級與就地傳感層設備組成MODBUS現場工業總線網絡。微機保護裝置和直流電源系統通過RS-485串行通信方式與就地級進行通信；信號傳感器通過RS-485串行通信接口或4～20 mA輸出與就地級連接。

主控級系統設于泵站廠房中控室內，通過工作站監控系統人機界面，顯示現場設備的運行參數與狀態；同時，下發控制和調節命令，監視就地控制單元對命令的執行。主控級、就地級連接圖和計算機監控系統結構圖分別如圖2、圖3所示[5]。

圖2 主控級、就地級連接圖

圖3 計算機監控系統結構圖

信號采集是控制系統的“眼睛”。科學合理地設計信號采集，是實現整個泵站計算機監控系統的關鍵。泵站監控系統的信號采集設計如下[6]。

①電氣量信號(電壓、電流、有功、無功、功率因數和頻率)測量，通過微機綜合保護裝置進行測量、采集；輸出采用MODBUS RS-485協議，利用PLC串行通信模塊進行集中監控。

②出水管道流量采用管道式電磁流量計進行測量，輸出采用4～20 mA模擬量和MODBUS RS-485協議，通過PLC模擬量輸入模塊進行瞬時流量的采集；通過PLC串行通信模塊進行累計流量的采集。

③出水管道壓力采用壓力變送器進行測量，輸出采用4～20 mA模擬量，通過PLC模擬量輸入模塊進行采集。

④LCU主要完成對整個泵站機組及其輔機的數據采集及監控功能。其設計必須保證當它與管理級上位機系統脫離后，仍能實現對有關設備的監視和控制功能。

⑤各泵站主控級配置5 kV在線式UPS，為主控計算機、網絡交換機、全球定位系統(global position system,GPS)校時裝置、打印機提供可靠不間斷電源。

⑥泵站采用防雷擊、抗干擾能力強的防雷系統。除了泵站自身建筑物采用避雷針避防直擊雷外，還從設計上配置了電源和信號避雷設備，以防感應雷對核心設備的破壞。

2 設計內容

2.1 數據采集與處理

為了實時了解泵站就地設備和參數的運行狀態，必須對其采集和處理[7]，具體包括以下幾方面內容。

①模擬量的采集與處理；

②SOE開關量的采集與處理；

③狀態開關量的采集與處理；

④脈沖量的累計與處理。

2.2 運行監視和事故報警

泵站實時采集設備、參數狀態的數據將會在人機界面中顯示、記錄。當出現不合理狀況時，泵站發出相應聲光信號，可提醒工作人員注意并作出相關決策，具體包括以下幾方面內容[8]。

①運行實時狀態監視；

②參數越限報警記錄；

③故障狀態顯示記錄。

2.3 控制與調節

當泵站實時采集的數據出現不正常或越限時，監控人員將會作出相應決策，下發控制和調節命令，改變就地設備的運行狀態。相應控制和調節對象主要有變壓器、電容器、水泵機組、輔機、進出水電動閘閥等。其中，輔助電器主要為真空泵、排污泵、通風機、行車等。

出水壓力的調節通過電動閘閥開度控制水泵機組的轉速來實現，并根據出水流量的大小進行出水壓力調節。

2.4 人機界面

泵站計算機監控系統的監控操作采用最新圖形圖像技術，動態模擬現場運行工況的畫面進行人機交互。監控軟件操作畫面主要包括泵站工況模擬圖、泵站電氣主接線圖、泵站輔機工況圖、泵站直流系統圖、泵站主要工藝參數趨勢圖、系統報警圖、操作日志、系統管理、打印設置等人機界面[9-10]。

泵站工況模擬圖為泵站計算機系統的主運行畫面。該畫面實時顯示各機組開關、運行狀態、機組溫度、前后池水位、出水管道流量、出水管道壓力、電動閥門開關位置及運行狀態、站揚程、統計泵站抽水流量、日抽水流量和站效率等參數。

泵站電氣主接線圖畫面實時反映了泵站高壓進線、站變、低壓出線、母聯、電容器的工作狀態和各種電氣參數。泵站各臺機組的電氣參數包括電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數、站日用電量等。

泵站輔機工況圖實時監視泵站各個排污泵、真空泵和通風機組的開關和運行狀態；同時，實現對各個輔機的遠程控制。

泵站直流系統圖實時監視直流系統的合閘母線電壓、控制母線電壓、蓄電池巡檢參數、絕緣監測參數、各饋路輸出電流、交直流輸入/輸出狀態及故障等參數，并以圖形直觀地實時顯示。

泵站主要工藝參數趨勢圖主要是對泵站的機組溫度、出水管道壓力、出水管道流量等參數進行時間趨勢曲線的跟蹤。

3 結束語

為了促進泵站管理工作的現代化，本文設計了一套灌區泵站計算機監控系統。系統通過兩級設置、工業以太網、簡單易懂的人機交互界面，實現了對灌區泵站設備和運行狀態的自動監控，改變了過去落后的人工監測方式，為運行人員及時、準確、全面地掌握設備狀況和參數變化、及時處理故障提供了保障。