馬家吉泵站自動化控制系統應用與研究

李朝嚴

（常德市城區水利泵站管理處，湖南 常德 415100）

前 言

常德市馬家吉泵站總裝機容量為11 000 kW，排水總量為86.6 m3/s，屬二等大（Ⅱ）型泵站，主要承擔著城市的防汛排澇作用，在汛期必須確保泵站機組的安全可靠運行。排澇標準為20年一遇7日暴雨7日末排至內湖控制水位，內河水位不能超過33 m（吳淞高程），洪水位34.5 m。隨著城鎮化快速發展，城市人口的增加，城市防洪排澇的任務越來越重，受城區河道水位和周圍河水水位的影響，泵站機組和水閘的開啟/關閉日益頻繁，增加了泵站運行管理的難度，因此，將自動化控制系統應用在馬家吉泵站中，可優化泵站的管理模式，將人工操作轉變為自動化運行，實時監測城市水位、水情，并根據實際情況，采取有效的應對措施，提升泵站反應速度，減少操作人員數量，降低防洪排澇運行成本，確保城市安全。

馬家吉泵站自動化控制系統主要由計算機監控系統、調度監控中心、通信系統、遠程控制系統、照明控制系統、視頻監控系統、安全防護系統以及指揮系統構成，可以實現防洪排澇泵站的實時水位監測、遠程控制、閘門運行數據監測以及安全防盜等功能，實現馬家吉泵站的自動化控制[1]。見圖1。

圖1 馬家吉泵站自動化控制系統圖

1 計算機監控系統

泵站監控系統實時對泵站機組、電動機軟起動設備、10 kV線路斷路器、廠用電系統及全廠公用系統設備的運行參數進行檢測并處理。控制室監控主機是泵站計算機自動控制系統的上位機，主機利用以太網開展通信活動。系統軟件能夠檢測主機的運行狀態，并跟蹤判別其通信狀態以及軟硬件的使用狀態。以下介紹系統的主要功能：

1）聯網功能。該自動化控制系統可與管理所局域網相連，通過密碼保護模式保障信息傳輸的安全，系統能夠向局域網傳遞調度與控制指令，同時局域網也能獲取系統的實時運行狀態信息。通過光纖與上級變電所聯網，通過網絡接收帶密碼的上級調度、控制指令，在線傳輸各種電氣數據。

2）數據采集與處理功能。自動化控制系統具備數據信息采集與處理功能，收集泵站、節制閘等各個關鍵設備的實時工作數據及其對應的狀態信號，并分別建立數據庫進行整合、處理與存儲。

3）統計與計算功能。統計與計算是系統的基本功能，包括對電量、水量、故障、構建參數、運行時間等各種內容的統計處理。

4）參數在線修改。系統中按特定程序開展工作，能夠準確判別各系統運行狀態，并對其出現偏離的參數及公式進行在線修改。

5）控制與調節功能。系統設人工操作自動控制和優化調度自動運行方式選擇功能。

①人工操作自動控制和調節。該自動化控制系統受技術人員的操作控制，技術人員能夠利用相連外設輸入或者修改系統運行狀態以及控制命令，實現對機組運行狀態的控制。系統人工與自動控制的內容有開關操作（設備開關、閘門開關等）。技術人員只需通過設備使用界面觸碰控制鍵就能實現以上操作。當技術人員觸碰界面后會自動彈出控制模擬鍵和操作流程圖，技術人員可根據實際工作需求選擇不同的功能，實現人工操作與自動調節控制并行的工作。

②優化調度自動運行。該自動化控制系統能夠在保證機組運行安全、避免機組運行在氣蝕和振動區域的前提下，檢測自身調水量、上下游水位及泵組的運行效率曲線，并根據以上參數優化調度運行程序，構建最佳運行模型，再根據最佳模型調整泵站機組開機臺數與水泵葉片角度，這樣就能夠讓泵站機組達到最佳運行工況，在滿足排水應用的基礎上降低機組能耗，保障整個控制系統的經濟性。系統的自動運行程序能夠控制每臺參與經濟運行的機組，并對其發出相應的控制指令。此外，技術人員也可以通過工作屏幕進行人工操作，發出相應的調節指令。此外，參與經濟運行的機組也可提前由技術人員進行設定，系統在運行控制的過程中將會對不同的機組進行功能識別，并做出對應的控制處理。

自動控制系統的程序還能夠在保證安全運行的情況下調整調度下達的過閘流量，并且不斷優化調度運行程序的編制，根據實際情況確定閘門開啟孔數，使其達到最佳的運行以及開度狀態。此外，自動化控制系統還具有恒定流量自動閘門控制功能，該功能能夠根據上下游水位的變化定時自動調節閘門開啟高度，保持流量恒定。

6）設備運行統計記錄及生產管理。自動化控制系統可對系統內部各設備的運行情況進行監督與記錄，并將相應的設備信息提交給生產管理人員。該系統功能統計的內容包括設備運行狀態信息、運行時間信息、狀態變位信息等，并且能夠對設備狀態信息進行判定，及時發出警報。此外，系統還將對參數越限及定值變更等情況作出統計記錄，自動生成各類報表、日志，進行打印操作。

7）畫面顯示。系統具有豐富的畫面顯示功能，技術人員可以使用人工召喚方式獲得系統畫面。此外，系統還允許自動調用，比如當系統出現故障時，就會自動退出故障相關的畫面，供技術人員進行分析和處理。同時技術人員也能夠根據自己的功能操作需求召喚出相應的畫面，其畫面類型較為豐富，包括各單線圖、曲線、報警畫面、運行指導、表格等。

8）語音報警功能。當需要對重要操作進行提示以及監控數據、機組控制異常時，本功能可以準確、清晰地用漢語向運行人員發出報警。

9）人機聯系。運行人員通過屏幕、鍵盤、鼠標等實現對泵站、節制閘運行的監視、控制、調節、在線修改定值、畫面調度、報表顯示和打印等功能。利用交互式人機接口軟件可以通過人機對話方式實現各種監視和控制功能，使應用簡單、方便、靈活。

10）系統自檢、自動重啟動、系統診斷和仿真培訓。自動化控制系統具有智能化的特征，具備自檢功能，能夠感應軟件任務超時或過程通道故障問題。當軟件超時時就會啟動系統故障自檢功能。通道檢測包括對I/O過程通道在線自動檢測，檢測的內容有通道數據有效性合理性判斷、故障點自動查找及故障自動報警等功能。

2 調度監控中心

調度監控中心主要由電視墻、大屏幕、工業計算機、通信設備、監控攝像頭、UPS電源以及存儲設備等構成，調度監控中心將安裝在馬家吉泵站各個位置的高清攝像頭采集的數據信息實時傳輸到調度室的大屏幕和電視墻上，調度人員可以通過大屏幕實時了解到監控區域水閘設備的運行狀態、城市外河水位高低、降雨量等數據信息，并根據監控系統采集的數據信息，對未來水位、水量等進行預測，控制計算機進行遠程操作，及時進行排水。調度監控中心還可將采集的數據信息保存下來，為后期泵站的維修管理提供參考。

3 通信系統

通信系統是整個馬家吉泵站自動化控制系統的技術支撐，負責將馬家吉泵站監控系統采集的視頻數據、圖文信息、數字信息等數據傳輸到調度監控中心，監控中心根據采集的數據信息，判斷出泵站的運行情況，從而實時了解城市河流水位、水量信息，一旦發現水位超警戒線或水量比較大，則立即進行排澇，可以有效防止城市積水。馬家吉泵站的自動化控制系統對通信質量要求比較高，一旦通信網絡出現問題，則可能導致數據信息無法及時傳輸或者傳輸延后，影響到泵站的安全運行。因此，馬家吉泵站自動化控制系統采用工業以太網，可實現單臺機組的控制以及遠端網絡中心的連接。工業以太網與外網進行物理隔離，將其作為一個獨立的通信網絡，確保數據傳輸的安全性和穩定性[2]。

4 遠程控制系統

遠程控制系統主要由計算機、PLC控制器、控制屏等構成，根據馬家 土口 泵站的實際情況，對外河的水位、水量進行監測，根據監測結果，發布各種控制命令，從而實現計算機遠程操作閘門的開啟和解鎖、閘門止水開關的投入與投切、水泵的停止和運行等。如果在運行過程中，發現泵站的水位比較高、水量比較大，則立即采取相應的措施，以免造成城市積水內澇。

5 照明控制系統

由于馬家土 口 泵站白天和夜間的光照條件不同，夜間光線比較暗，為了讓攝像頭可以實時采集到水位信息，需要在防洪排澇泵站安裝照明燈，并合理布置光源和光照角度，讓各個位置可以獲得比較好的照明條件。馬家吉泵站采用智能控制系統，對每一個燈光回路進行控制，根據不同時間段智能控制系統可以自動調節燈光的明暗、數量，在夜間的時候，通過計算機遠程控制室外的照明燈，白天將室外的照明燈關閉，從而達到節能的目的[3]。

6 視頻監控系統

視頻監控系統主要由高清攝像頭、光端機、存儲器、監控器等構成，主要對泵站的設備、環境以及人員進行監控，及時發現泵站設備異常、水位異常、水力異常情況，從而采取有效措施，確保城市居民的安全。可以讓調度監控中心工作人員直觀地了解到內外河的水位、水量信息，以及設備的運行情況，一旦設備出現故障，可以調看視頻畫面信息，為設備故障的診斷提供參考；數據分析是通過采集的畫面數據，進行分析，找出異常。

7 安全防護系統

安全防護子系統包括紅外線報警器、安防主機、喇叭、安防探頭等。利用這些設備，可以實現各個水閘的無人值守，一旦有人或者動物進入到安全防護區域，報警器自動發出警報，監控中心的工作人員可通過視頻監控畫面了解到防護區域的實際情況，檢查閘區的安全。馬家吉泵站自動化控制系統設置有多層安全閉鎖裝置，對控制設備的運行做出嚴格的控制，在無法滿足閉鎖要求的前提下，控制室無法進行操作，這樣可有效避免人為隨意操作，避免閘門過度開啟或者關閉，可以延長閘門開關設備的使用壽命[5]。

8 指揮系統

指揮系統主要是在關閉或者開啟閘門的時候，及時對河流的船只進行指揮，要求他們盡快撤離，以免發生意外。

9 結 語

該自動化控制系統原理是以傳統水力學模型為基礎，采用先進的計算機技術，結合三維GIS、智能視頻分析等新技術，以河道一張圖為展示工具，實現信息采集、泵閘站自動監控、智慧調度決策等多種功能。該項目的建成能為泵站的安全穩定運行保駕護航，對提高常德城區及周邊堤垸抗澇能力，確保澇區防洪排澇安全，提供重要保障。