计算机监控系统在双向X型流道泵站的应用

2012-08-14 08:52俞新雄岑恩杰

浙江水利科技 2012年6期

俞新雄,岑恩杰

(1.杭州市萧山区钱塘江灌区管理处,浙江杭州 311201;2.杭州广川科技有限公司,浙江杭州 310020)

1 工程概况

小砾山引水枢纽位于萧山区闻堰镇钱塘江、富春江、浦阳江3条江的交汇处,是引水灌溉、除涝防洪工程,也是杭州市萧山区西水东引工程的渠首枢纽工程,是该区的重点水利工程。确保萧绍平原的防洪安全,对地区经济发展起到保障作用。小砾山排灌泵站安装630 kW高压同步电机1600ZLB10-3.5立式轴流水泵5台,采用X型流道布置,5条流道在双向进出口处均设置闸门,共有20扇;主供电系统采用35 kV,辅助供电系统10 kV。X型流道见图1[1]。

图1 单台机组流道闸门布置示意图

2 系统概述

此类排灌站存在多种运行工况,各类主要及辅助的控制设备多而分散,在控制流程中的相互耦合性强。现地操作很难及时可靠地获取各类控制、通讯信号,并按照恰当流程实现各闸门和泵组等控制设备的正常启动和安全运行。因此需要建立针对X型流道泵站的计算机监控系统,该系统的人机界面,汇总各类控制、通讯信号,并实现对泵组所有主要设备全面的监控。计算机监控系统避免了泵站在各个工况间切换时可能出现的人工误操作,提高泵站运行的安全性和管理效率。

3 系统的总体设计

计算机监控系统采用分层分布开放式系统[2],泵站按控制层次分成2层,即由泵站控制层和现地控制层组成,网络采用星状网络。泵站控制层采用双数据管理服务器和双操作员工作站系统,双机互为热备用[3]。现地控制层以可编程控制器为基础构成,现地控制系统的设备靠近被控对象布置。泵站控制层和现地控制层之间的通讯采用冗余交换式以太网的方式。

计算机监控系统工作时,首先,现地控制层的现地LCU单元通过柜内的PLC系统采集相应的泵站设备的状态信号并反映到泵站控制层;然后,泵站控制层对这些信号分析后作出判断,切换到正确的泵站运行方式及运行模式;最后,操作员利用主控计算机下达泵站运行的命令,通过以太网传送给现地控制层的LCU单元,并由内部PLC执行完成[4]。整个泵站运行过程,都受到泵站控制层的实时监控,如遇紧急情况可以强制干预泵站现地控制层,使其停止运行,进入安全状态。总体结构见图2。

图2 小砾山排灌站计算机监控系统结构图

4 系统的设计

4.1 工作模式分析

小砾山排灌泵站是双向X流道,能实现排涝与引水的双重功能。

泵站内设置5套泵组,泵站两侧各有1个引水闸门。该泵站的运行具有2种工作方式:①当内外水位差可以实现自流排涝/引水时,可以通过打开两侧的引水闸门,利用两侧的水位差来完成;②当不能实现自流的情况下,需要通过水泵进行强制排涝/引水。图3是2种运行方式的选择判断流程。

选择的原则是,在能够满足泵站的排涝/引水前提下,尽可能用更经济的方法。

图3 X型流道工作模式选择图

4.2 自动化控制的工艺设计

对于第1种运行方式,工艺流程比较简单,通过监视主控计算机上显示的上下游水位进行判断,如果条件满足则远程开启相应引水闸门。

在第2种方式中,水泵的运行分为排涝/引水2种模式。2种模式原理相同,水流的方向相反,任何一种模式的运行,都要有相应的辅助设备、保护装置,如变压器35,10,6 kV的投入、技术供水泵的开启、集水井水泵的开启、励磁的投入、电磁阀的开启、示流信号器的判断、水泵电流电压的检测、温度传感器的保护等。

水泵排涝/引水的功能依靠泵组两侧各2扇闸门动作的互相配合来实现。在排涝模式下,首先打开内河进水口闸门,当闸门开启到一定高度约0.5 m时,再开启内河的出水闸门到0.5 m,同时内河进水闸门上升到全开。此时启闭电磁阀等设备,判断多种开泵条件,在条件满足后开启水泵,开始10 s的内循环,然后开启外江出水闸门至全开,同时关闭内河闸门至全关,排涝开机的流程就结束了。

相对于开机流程,水泵停机流程则正好相反。引水的开停机与排涝的开停机,仅是内外侧对应控制闸门互换。控制流程见图4、5。

图4 排涝开机流程设计图

图5 排涝停机流程设计图

4.3 自动控制系统的硬件实现

4.3.1 现地控制单元

小砾山排灌泵站的自动化监控由3类现地控制单元(LCU)组成,包括泵组LCU、公用LCU、引水闸LCU。泵组LCU调配技术供水LCU,监视与水泵相关的信号如水泵闸门的状态、电磁阀的状态、上下游水位、水泵电流电压监测、水泵的温度监测以及励磁的状态等,并通过流程进行判断,从而控制水泵闸门、技术供水泵、电磁阀、励磁等设备的开启关闭,实现排涝/引水的远程全自动控制;公用LCU控制泵站内的消防、通风、集水井的自动控制等;引水闸LCU控制泵站两侧的引水大闸运行。

4.3.2 信号采集通讯方式

该工程所有现地控制单元的PLC均选用Schneider公司premium系列,采用自带以太网模块,方便通讯的拓展。

监测信号的通讯有4种方式:①数字量输入(DI);②模拟量的输入(AI);③串口485的通讯;④数字量输出(DO)。

(1)数字量输入(DI)。开关量信号,如闸门的各种状态参数、示流信号,技术供水泵的信号等。

(2)模拟量的输入(AI)。所有水泵闸门的模拟量信号、上下游水位值、技术供水水压、技术供水流量、直流屏的电流电压等。

(3)串口485通讯。PLC通过串口用485协议与泵组的电流电压表及机保通讯,采集水泵运行时的电流电压、有功等参数,水泵定子转子的温度参数等。

(4)数字量输出(DO)。控制型号的输出,经过流程的判断,输出相应的信号。针对闸门升降、水泵开合闸、励磁开关、技术供水泵的开关等。

4.4 程序的设计

根据泵站特点,程序分为5大块:

(1)主程序。包含对主要设备的最终控制逻辑输出,包括闸门、水泵、技术供水泵等。

(2)模拟量的采集处理。所有泵站设备均为4～20 mA模拟量输入,一般4 mA对应低值,20 mA对应高值。利用线性变化的Y=aX+b特点,测2组数值就可以计算特征值a,b(其中,X为实际的值,Y为模拟量模块检测到的值)。

(3)串行通讯仪器的通讯程序模块。编写模块通程序块,首先设置对应端口的通讯方式、通讯参数,与所需要采集的设备对应 (电流电压表、机组保护装置及励磁装置),再根据对应地址、变量的类型读取所需要的数据,最后对数据进行处理。

(4)流程控制。按照4.2章节的工艺流程并结合梯形图逻辑进行编写。

(5)异常处理模块。针对机组运行过程中遇到的紧急情况,迅速停止水泵运行,同时水流出口侧快速工作门快速落闸至全关,进水闸门也紧急关闸至全关,保护机组等设备安全并且输出报警信号。主要紧急停泵条件:①机组温度超限;②电机电流功率超限;③水泵运行时候,出水口闸门关闭;④4台技术供水泵均故障;⑤4个示流信号器均中断。