浅谈樊口泵站自动化控制系统改造

2017-03-22钟山

中国农村水利水电 2017年7期

钟山

(湖北省樊口电排站管理处，湖北鄂州 436001)

1 泵站自动化的发展及应用

泵站自动化系统于20世纪70年代应用于水利行业，从初期到现阶段广泛应用经历了巨大发展：最早期自动化控制采用数据卡采集系统和上下位机的分布式系统，在完善阶段主要采用STD总线或者PC总线为基础的工业控制计算机，现阶段主要采用计算机自动监控系统，经济性强，管理方便[1]。20世纪80年代到90年代，江苏淮阴泵站、西北地区的部分泵站和湖北的部分泵站相继引入自动监控系统，实现了泵站监控自动化；20世纪90年代后期，泵站自动化系统经历了较大改善，实现了现地控制级、泵站控制级和远程控制级的三层分层分布式结构。

目前自动化技术主要包括：数据采集和处理技术、运行控制和调度技术、运行信息管理技术和安全运行及监控技术。但是在当前发展过程中，自动化控制技术更新快，早期引入的自动化监控系统已无法满足当前需求，采用先进的工业控制计算机、可编程控制器等设计实现泵站自动监控并提高自动应急处理能力、完善智能控制等，对实现可持续发展有实际意义。以下以樊口泵站为例，介绍自动化监控系统改造情况。

2 工程概况

2.1 工程现状

樊口泵站位于湖北省鄂州市樊口，湖北省第二大湖泊——梁子湖水系的长江入口处，是综合治理梁子湖水系的大型电力排涝工程[2]。泵站装机4×6 000 kW，装设2台40CJ-95型和2台40CJ-66型轴流泵配TDL535/60-56型同步电动机，设计提排流量214 m3/s, 为Ⅰ等大⑴型泵站。承担着梁子湖流域3 265 km2的排涝任务，区域涉及鄂州、武汉、黄石和咸宁4个地市。

樊口泵站自动化控制系统于1999年11月进行了第一次更新改造，自动化控制系统基本实现了对所有设备进行保护、监控和自动控制[3]。

2.2 存在的问题

樊口泵站自动化监控系统已运行近20年，随着计算机网络技术、PLC控制技术及电力电子技术的发展，现有的自动化控制系统已不能满足泵站运行管理的要求，已不能全面、实时、准确地采集泵站运行中的各种信息[4]，不能保障泵站安全运行。主要表现在：①PLC之间通信数据交换受现场环境等因素影响，系统稳定性差；与上位机通信采用RS485串口通信，通信速率低，实时性弱；②采用多串口设备联网服务器NPORT SERVER PRO连接微机保护系统、微机励磁系统、测温系统、直流电源系统，数据上传形式采用以太网，速度慢，通信质量差；③计算机监控系统网络拓扑采用总线型网络，不具备设备冗余和链路冗余功能，其数据传输效率和网络可靠性不高，具有系统网络通信瓶颈。④计算机监控系统软件功能单一，无法实现数据采集的冗余。⑤微机励磁系统未采用双通道励磁调节器，在采样部分或脉冲部分发生故障时引起励磁系统的故障。

因此，樊口泵站于2016年3月对泵站自动化监控系统进行二次更新改造，改造内容包括PLC控制系统、计算机监控系统，励磁系统及自动化元件等[5]。

3 自动化监控系统改造

3.1 改造前的PLC控制系统

原PLC控制系统采用日本三菱FX2N系列PLC, 每套PLC加装RS485BD通信模块1个，采用令牌总线，PLC之间通过N:N链接通信协议自动数据交换，PLC之间数据共享，1-4#机组PLC、公用PLC、辅机PLC、启闭机PLC 7个站点分别通过编程口经多串口通信服务器与上位机通信。系统结构图如图1所示。

图1 原PLC控制系统结构图

该控制系统存在如下问题：①依赖于总线的通信系统，采用集中式管理，节点多；②节点之间相互制约，总线节点通信中断，易造成多个PLC之间数据通信中断，影响通信系统的运行；③与上位机通信采用串口通信的，速度慢，可靠性差。

为减少上述问题的发生，提高通讯速度和可靠性，增强系统运行稳定性，提出了自动监控系统改造控制目标是实现独立管理，保证数据的实时性和稳定性。

3.2 改造后的PLC控制系统

采用以GE PAC3I冗余热备PLC为控制核心的自动控制系统，GE Fanuc PAC Rx3i冗余热备系统是一种基于GE Fanuc最新高端控制器PAC以及独有的工业现场总线Genius网的先进热备系统，系统采用了两套独立机架，保证了电源、CPU、背板、通讯等所有系统关键器件的全冗余，并实现系统和上位机的以太网通讯冗余[6]。系统采用独立的通讯模块进行数据同步，并有相应的控制机保证两套PLC系统切换的及时和稳定。系统共设置有4台机组LCU柜、1台公用LCU柜、1台辅机LCU柜及1台启闭机LCU柜，另外每套LCU柜配置15℃以太网的触摸屏。

Rx3i冗余热备系统结构示意如图2所示。

图2 Rx3i冗余热备系统结构示意图

改造后PLC控制系统具有如下特点：①各现地控制单元为独立的单元，该结构采用冗余配置的热备系统，可实现两套CPU之间的无延时自动切换，降低了故障对系统造成的影响；②PLC配置的串行通信模块与现地智能设备直接连接，实现通信的实时性，通信效率高，PLC可对数据进行采集、处理和控制，保证了数据传输的稳定性和可靠性，响应速度快；③现地控制单元配置的人机交互界面，可实现脱离监控系统独立运行；④该PLC控制系统可通过自身的以太网接口直接与上位机通讯，通讯速度快，可靠性强。

4 计算机机监控系统改造

4.1 原有计算机监控系统网络结构

原有的计算机监控系统配置有多串口通讯服务器[7]，经RS485/RS232与现地PLC、微机保护、微机励磁、温巡仪、电子电度表等通讯，通过其以太网接口与上位机通信，系统结构如图3所示。

这种方式本质上是采用集中式监控系统，是基于现场总线的实时通信系统，计算机部分出现故障会造成整个监控系统控制、监视的瘫痪。其次，在该监控系统中，数据采集、处理、存储、分析、统计等都由监控主机完成，监控系统主机负担重。

4.2 改造后的计算机监控系统网络结构

图3 原有计算机监控系统网络结构

改造后的计算机监控系统采用全开放、分层分布式、双星形网络结构，同一个网络系统中设置完全独立的2套单星形结构,所有PLC设备均同时接在2台交换机上,双星形网络具备了完整的冗余配置(设备冗余和链路冗余),可靠性和传输效率高，改造后计算机监控系统结构如图4所示。

如图4所示，该系统呈分层管理模式，以集中控制为原则组建主控级和现地级。主控级设置可实现数据服务器、操作员工作站和通信工作站功能。具体功能如下：①数据服务器是泵站上位机系统的核心，包括实时数据服务器和历史数据服务器，实时数据服务器负责泵站实时数据采集、实时数据管理、综合计算、机组优化运行、全流域实时水位监测、事故故障信号的处理和分析,以及SCADA系统的管理，历史数据服务器主要负责泵站的信息管理，历史数据以及历史事件的显示、存储和归档[8]；②操作员工作站负责泵站生产、运行的实时监视和控制；③通信工作站负责将数据上传至泵站调度室和省水利厅调度中心。

上述软件提供了梁子湖水系所有闸站的动态信息管理系统，可以在樊口泵站实时监视全梁子湖水系其他闸站的水位、流量、水文等资料，为梁子湖流域防汛决策提供了第一手准确、实时、快捷的资料。

图4 改造后的计算机监控系统网络结构

5 励磁系统改造

励磁系统是同步电动机中最核心的组成部分，其中励磁调节器又是励磁系统最主要的组成部分[9]。为确保同步电机励磁系统稳定可靠，同步电动机励磁装置采用双调节器通道，励磁系统由二个独立的LH-WTH02励磁装置组成，相对于单调节器通道，系统稳定性高，可靠性强。双调节器通道采用冗余调节器通道，两个调节器互为热备用，一个工作，另一个可实现在线跟踪监视，若有通道发生故障，该调节器可实现无延时自动切换，保证系统正常运行。