自動化控制系統在泵站中的設計與應用

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，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包括：工藝過程的自動控制和自動調節，運行控制系統；各種檢測儀表；泵站的集中控制、信息管理系統；具體包括泵站內計算機監控系統、網絡系統、現地控制系統、35 kV/6 kV 及0.4 kV 監測系統等。

1 系統功能特點

（1）南匯北泵站自動化控制系統采用分散控制、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）泵站監控系統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視，不做遠程控制，下級控制的優先權高于上級；泵站監控系統與集中控制中心計算機系統之間的通信，通信方式和通信協議滿足集中控制中心計算機系統的要求。為確保泵站監控系統與集控中心計算機系統之間及時、安全和穩定通信，泵站監控系統能與集控中心計算機監控系統實現無縫連接。

（3）每套泵組設置一套現場PLC 控制站，獨立控制泵組系統啟停。對泵組系統中的軸承溫度、電機溫度、6 kV 變頻器等電氣參數進行實時監控。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 變配電系統的監測。

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

（5）主要機械設備配備現場手動控制按鈕和現場手動控制界面。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。系統設有統一的GPS 時鐘系統以進行對時和時鐘校正。系統配備統一的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由中心集控系統和現場控制層組成。由泵站工藝和35 kV/6 kV 及0.4 kV 變配電監控系統、主泵機組PLC 以及各PLC 至監控對象設備的現場總線和I/O 設備，構成現場控制層。

（1）中控室監控裝置之間連接采用100 M 以太網，通信傳輸介質為網線。

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

（3）中控室與所轄管線及水廠監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、通信協議為MODBUS RTU。

3 泵組工藝流程

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

4 計算機監控系統

（1）操作員站。作為監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、鍵盤或鼠標來實現的。操作員站僅允許進行系統設備的監視，控制調整和參數設置之類操作，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，巡查時間，優先權等。

（2）工程師站。完成系統生成和啟動；系統管理維護和監控設備的軟硬件/通信故障診斷；應用軟件的圖形開發和修改，以及工業數據庫的修改、各種報表的生成。

（3）SCADA 及I/O 服務器。主要完成各類實時數據的采集、生成與存儲。系統中的兩臺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據、歷史數據、報警數據的完整。故障恢復后，故障期間的歷史數據、報警數據應能夠自動同步，不會丟失。系統能夠提供與分布于現場的設備（如RTU、PLC 和DCS）通信服務的能力，與主流PLC、DCS 通信，支持串口或者現場控制網絡。

（4）運行監視。集中控制室通過液晶顯示屏和操作終端等顯示設備監視泵站的生產過程。液晶顯示屏動態顯示各主要設備的狀態、主要現場數據。例如，各臺泵組運行狀況、出水流量、進出水壓力、下游水廠水質數據、工藝參數、電力參數、電量數據和事故報警等，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，主要是對泵站的生產工藝過程進行調節，以及對生產工藝進行控制。集控室原則上不直接參與現場設施的具體控制，主要用于操作監控和調度、參數設置和信息管理。集中控制室將單體或節點的操作控制目標分配給每個過程單體控制系統，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）數據管理。集控室是泵站運行進程的數據中心。集中控制室數據庫記錄每個單獨控制系統報告的現場數據。通過處理這些數據，可以形成歷史數據庫，生產報告和統計報告等。

（7）報警處理。當泵站工藝過程或設施運行出現異常時，監控系統立即響應，發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操作，各事件按發生時間倒序排列。主要事件都要記入不可修改的歷史數據庫中。

（9）報表及打印功能。監控系統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。報表中有實時數據和統計數據，可以插入說明文字。各種報表、曲線、報警信息等均可打印。

5 現地控制系統

本泵站自動控制系統所有設備采用PLC 控制實現，整個系統采用集散控制方式，根據工程運行管理機構的設置，整個系統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，經租用的電信、聯通、移動通道與泵站的計算機監控系統通信，遠程監視泵站的主要數據，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。泵站計算機監控系統根據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。可實現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相互切換和閉鎖。

5.3 現地手動級（第三級）

（1）通過設備的機旁箱上按鈕，實現就地設備的手動運行操作。

（2）現地控制權限為最高級別權限，通過現場設置的硬件轉換節點與上級操作權限進行切換，能完全獨立于上級工作，實現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

現場PLC 站級、水廠中控室監控系統均設有“手動/自動”兩種模式，現地控制級設有“就地/遠程”兩種方式，均可根據需要自行切換。

當上位監控設備或數據通信網絡發生故障，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場PLC 控制站的觸摸屏，按照預先設置的運行模式，監控水泵等設備運行。

當主控制器出現故障退出運行或者觸摸屏出現故障時，運行人員可以通過現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調試需要，運行人員可以通過現地操作箱上的按鈕控制設備。

6 結束語

綜上所述，隨著社會經濟發展，以及大量自動化系統的廣泛應用，自動化系統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在泵站中的設計與應用，可以實現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。整個系統實現對現場設備的控制，采集數據的分析處理，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。該自動化系統運行以來，始終安全、可靠和穩定，為上海南匯地區提供了優質的長江原水，為供水調度提供決策依據，取得了較好的社會經濟效益。