和利時引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監控系統應用

針對爾王莊泵站管理處泵站、變電站設置分散的特點，本文介紹了基於和利時公司的LK大型PLC以及HollyView組態軟體的綜合自動化監控系統。該系統以現場匯流排、乙太網、光纖網路為構架的通訊系統，配合使用LK PLC、資料庫、HollyView組態軟體實現了泵站的分散控制、集中管理。
關鍵詞 LK PLC；HollyView；泵站計算機監控系統；Modbus；冗餘系統。
1 概述
爾王莊泵站管理處是向天津市提供工業及生活用水的重點水利工程——引灤入津工程七大管理處之一，位於引灤入津工程上游，經過潮白新河泵站一級提升后，灤河水流過34.5km明渠，在爾王莊泵站群根據輸水調度進行分流。一路由暗渠泵站加壓后，經25.6km暗渠直至市自來水公司。一路由明渠泵站經明渠至大張庄泵站后入海河。其他分別經逸仙園泵站將水送入武清開發區；經入港小宋庄泵站將水送至天津大港區和無縫鋼管廠；經入漢泵站和入開發區泵站分別擔送至漢沽區和天津開發區。爾王莊管理處負責泵站群、爾王莊水庫及明渠的管理。
爾王莊調度中心所轄監測站11個，由泵站所、一所、二所三個泵站所管理。其中泵站所轄爾王莊暗渠泵站監測站、爾王莊明渠泵站監測站、泵站所35KV變電站監測站；一所轄入港泵站監測站、入聚酯泵站監測站、入楊泵站監測站、一所35KV變電站監測站；二所轄二所35KV變電站監測站、入塘泵站監測站、入開泵站監測站、入漢泵站監測站。
本系統為引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監控系統的一期工程，包含了泵站所明渠泵站計算機監控系統改造和泵站所35KV變電站計算機監控系統改造以及泵站所監控分中心和爾王莊調度中心監控系統改造。
2 集中監控系統結構
2.1 系統總體結構
引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監控系統主要由三層構成：調度中心、分中心、現場監測站。通過通信及網路系統將這些零散的信息點鏈接在一個統一的傳輸網路下。系統信息點組成如下：
(1) 在爾王莊泵站管理處建設調度中心；
(2) 在暗渠泵站、一所入港泵站和二所入開泵站設分中心。
(3) 在11個監測站設置信息接點。

2.2 調度中心結構
調度中心用於集中監視8個泵站，3個變電站，3個分控中心的所有設備，以及所有人員的管理，負責各泵站的運行調度，一般不直接在中控室控制泵站及現場設備。調度中心配置資料庫伺服器兩台，操作員站兩台，工程師站一台，通訊處理機一台，UPS電源一套，WEB發布伺服器一台。並將資料庫伺服器通過乙太網與各分控中心伺服器相連，實現調度中心對所有運行及管理數據的採集，並可以實現對歷史數據的統計分析。
2.3 調度分控中心結構
引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監控系統共設置泵站所、一所、二所三個分控中心，分控中心負責對所轄泵站的監控功能和操作員的管理功能，並通過光纖網路將分控中心數據上傳至調度中心，一期工程只完成泵站所分控中心建設。
泵站所分控中心用於集中監控明渠暗渠兩個泵站和泵站所35KV變電站的相關設備。分控中心設監控計算機兩台，工程師站一台，通訊處理機一台，UPS電源一套。並將資料庫通過乙太網與調度中心伺服器相連，以便調度中心實時調度泵站合理運行，監視設備運行情況及人員管理情況。為提高工作效率，通常情況下，操作員在分控中心實現對泵站遠程啟停控制，在泵站不設人長期職守，採用巡檢方式。

2.4 計算機監控系統構成
爾王莊管理處共轄8個泵站和3個變電站，其中有一些泵站和變電站已經改造完成，具有計算機監控系統，有一些泵站仍舊使用的儀錶盤系統，並沒有自動控制設備，需要人員長期職守，耗費了較多的工作經歷，且效率較低。一期工程將泵站所明渠泵站和泵站所35KV變電站的儀錶盤設備改造為基於LK PLC的計算機監控系統。本文以明渠泵站計算機監控系統為例研究基於LK的泵站計算機監控系統構成。
明渠泵站計算機監控系統採用LK系列大型PLC對全站泵組、電氣系統、公用油、水、氣系統、閘門控制系統、勵磁系統及直流系統進行有效監視和控制，全站共4套泵組，每個機組設置一套現地控制單元（LCU），全站設置一套公用現地控制單元。對系統過程的工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、聯鎖和報警以及報表列印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據採集，數據通訊，順序控制，時間控制，迴路調節及上位監視和管理作用。
控制系統的監控內容
泵站的監控內容包括主變壓器、所用變壓器、站用變壓器及電機電壓、電流、負荷等的保護；泵站的前後池水位；閘門的閘位、運行狀態及控制；公用油、氣、水系統及相關閥門、泵的狀態及控制；機組溫度；勵磁系統、調速系統的狀態及控制；機組的運行狀態及啟停控制[1]。
計算機監控系統配置
在泵站控制室配置兩套監控計算機，每套計算機配置一套監控組態軟體，由於泵站不設人值守，在巡檢人員檢查和現場緊急故障情況時使用。
在現地控制單元，每個機組設置一套單機PLC、一套觸摸屏和檢測儀錶，全泵站公用設備單獨設置一套PLC一套觸摸屏和檢測儀錶。在泵站公用現地控制單元採用冗餘的PLC實現全泵站各公用設備控制，對各機組採用單機系統進行控制[1,2]。控制系統結構如下圖所示：

計算機監控系統網路結構及通訊方式
整個系統主幹傳輸網採用100Mbps環形光纖工業乙太網，支持IEEE802.3規約和標準的TCP/IP協議；也可採用工業級專用控制區域網，該控制網具備確定性和可重複性及I/O共享，實現數據的高速傳輸和實時控制。
整個系統由1個中央控制室、5個現地控制單PLC控制站組成。由中央控制室上位機實行集中監控管理。中央控制室上位機與現地控制單元之間的數據通訊採用高速的、實時的工業乙太網，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。

在泵站的現地控制單元的核心PLC，我們選用和利時的LK系列大型PLC。LK通過串口與觸摸屏進行通訊，通過觸摸屏可以實現對機組的現地控制。LK背板上集成了DP通訊介面，並且配備有LK239串口通訊模塊，使得與第三方設備進行通訊非常方便。LK與微機保護裝置、勵磁調節器通過串口RS485匯流排實現通信，實現對機組電量參數、勵磁調節系統的監視和控制。通過硬接線的方式採集機組輔助設備、泵站電機運行狀態、水位、溫度等信號。控制信號主要是對電機的啟停進行控制。
3 系統功能
爾王莊泵站監控系統由爾王莊泵站管理處調度中心監控計算機層、分控制中心監控計算機層、泵站監控計算機層和現地控制單元層組成。
3.1 現地控制單元功能
1、數據採集和處理
從各開關櫃（包括主變進線櫃、母線聯絡櫃、電壓互感器櫃、站用變開關櫃、電容器開關櫃和電動機開關櫃）的自動控制裝置獲取該裝置所採集的各種數據；從多功能電錶獲取電量相關實時數據；從溫度巡檢儀獲取機組各測點溫度等；自行採集全站的公用實時數據，如泵站前後池水位、泵站流量、泵房溫度、電容室溫度、供排水系統的運行狀態等；自行採集各機組主輔設備中未納入開關櫃測控系統、電能採集裝置和溫度巡檢裝置等的主輔設備的運行狀態和運行參數進行實時數據，包括開關與閘門的狀態、水泵進口水位、水泵出口壓力、水泵機組流量、軸承油位等；對於裝設立式水泵機組的泵站，還可採集機組的振動與擺度數據[3,4]。
2、控制與調節
現地控制單元可對泵站主輔設備進行控制，包括機組各種工況的轉換，緊急停機和事故停機，斷路器、隔離開關的分、合操作；輔助設備及公用設備的啟、停操作；出口閘門等控制與調節可手動實現、程序預設實現或根據運行工況自動實現。
3、數據通信
現地控制單元要實現與泵站監控計算機和各種智能採集裝置等設備的通信現地控制單元與泵站監控計算機之間通過工業乙太網通信考慮到泵站各設備所配套的測控裝置均配有485 通訊串口，且部分設備還配置有乙太網通訊介面，本系統中現地控制單元與測控裝置之間選擇485 串口進行通信。
3.2 分控中心功能
爾王莊管理處調度中心的監控計算機承擔了整個管理處泵站、變電站及閘門等全部設備運行數據管理、系統數據採集、報警、趨勢、數據記錄及中文報表等功能。操作員通過操作終端詳細了解各環節運行工況，並可下達操作控制指令。
1、圖形與界面
以示意圖形式，在管理全局畫面實時顯示重點運行數據，如各泵站進出廠水流量、主要設備的運行狀態；以泵站、變電站工藝模擬圖形式，在局部畫面實時顯示泵站機組、電力控制櫃變電設備、閥門、儀錶、給排水泵、電力設備等工藝過程的主要工藝監控數據；數據表格界面，以表格形式，顯示泵站所有監測數據，可以直觀的瀏覽所有採集參數。
2、控制模式
監控系統可根據用戶要求實現就地控制、遠程自動控制和遠程自動控制模式，以實現不同工況下泵站監控系統的穩定、安全運行。三種控制模式的優先順序為遠程自動控制、遠程手動控制、就地控制，就地控制具有最高優先順序。
3、數據報表
根據用戶需求定製數據報表，查看實時報表，實時報表中包含全線所有參數的當前值可以隨時列印實時報表，也可以定時列印，分為日、月、季、年多種報表。
4、數據趨勢
數據趨勢分為實時與歷史兩種趨勢，以曲線形式顯示泵站水量、電力等參數的動態變化，可以直觀的掌握參數變化的規律。
5、事件及報警
數據報警界面顯示，實現對每個參數的低低報警、低報警、高報警、高高報警的設置。以不同顏色形式，把當前報警、已確認報警和已恢復報警區分開來，每個報警量可以顯示它的節點名、位號、描述、報警產生時間、報警消除時間、狀態、當前值等信息[5]。
6、安全管理
對重要設備的操作、重要參數的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設備進行的操作、時間以及修改前的參數值、修改後的參數等，以利於進行管理及事故分析。
7、用戶管理
系統管理員能夠對用戶的名稱、密碼、訪問許可權和優先等級等相關內容進行設置；記錄用戶登錄和退出系統的時間及用戶使用過的操作命令，顯示用戶是否在線和工作狀態等信息；可查看事件記錄，例如：某操作員於什麼時間進行登錄，什麼時間退出登錄等。
8、語音報警系統
當需要對重要操作進行提示，以及泵站發生事故或故障時，能用準確、清晰的語言向有關人員發出報警。
3.3 調度中心功能
調度中心用於監控爾王莊泵站所轄所有泵站的運行情況，在許可權允許範圍內能夠實現分中心的所有功能，並可以實現下列功能：
1、數據存儲功能
在調度中心配置有冗餘的工業級歷史資料庫，能夠對採集的重要數據實現存儲。在存儲監測數據時，包括該數據的採集時間、數值，同時存儲該數據的標記、標註信息，且數據存貯時間間隔可以設定。
2、數據查詢與檢索
歷史數據的存儲與檢索對建立生產資料庫、操作信息庫、故障信息庫數據進行在線存儲，數據的存儲時間最長為10年。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。
3、資料庫功能

調度中心配置的工業級歷史數據可以實現系統參數設置、數據存儲、數據管理、數據修改刪除和更新、資料庫安全管理、資料庫用戶管理、多用戶數據查詢和訪問等功能
4、數據統計
中心計算機對採集的數據進行各種統計分析，形成設定時間、區域範圍的數據統計報告；
5、與信息化平台的鏈接
提供與信息化應用程序的控制項和介面，其中有資料庫介面、運行畫面介面和外部關係型資料庫介面系統提供豐富的與關係型資料庫通訊的函數和多種組件，包含ODBC、歷史轉儲和事件記錄。
4 系統特點
4.1 合理的安全運行配置方案
在泵站控制系統中，公用現地控制單元用於監控全泵站公用系統設備，如果系統出現故障，控制系統將會癱瘓。因此公用現地控制單元選用冗餘系統進行控制。
機組現地控制單元只負責單個泵組的控制，且系統運行中有備用機組，機組控制系統的安全性相對較低，因此機組選用單機PLC控制系統。
採用單機冗餘組合系統，控制系統即滿足了系統整體安全性要求，控制成本也相對較低。
4.2 開放式的系統設計
由於此工程為改造工程，且在此次系統改造前，已有泵站進行了自動化改造。能夠將已經改造完成的自控設備接入集中監控系統，並能夠為系統擴展留有足夠的系統介面方式和系統驅動成為集中監控系統改造和擴建最關鍵的問題。
本工程充分考慮了系統改造和擴建的系統集成問題，採用的上位組態軟體和利時的HollyView具有多家自控設備的驅動程序，能夠與已經改造完成和後續進行改造的PLC等自控設備進行無縫通訊鏈接，並充分預留系統接入點和系統擴展介面。
在現地控制單元，控制系統中有大量的數據是PLC通過串口方式實現與現場智能儀錶進行通訊。而大多數的觸摸屏也是通過串口與PLC進行通訊的。LK提供了串口通訊模塊，支持modbus主從站協議，可以方便的實現與現場儀錶及觸摸屏的通訊。
泵站計算機監控系統中各機組現地控制站間以及與公用機組現地控制單元PLC間實現數據通訊，以實現對全泵站機組的協調控制。LK提供了站間通訊功能，通過站間引用通訊數據功能塊方便實現各站之間數據的交換。