江都二站自动化系统的优化与应用

孙 衍，薛井俊，唐 亮，龚维明

（江苏省江都水利工程管理处，江苏 江都 225200）

0 引言

江都水利枢纽工程位于江苏省扬州市东 17 km 的江都区，淮河入江水道尾闾芒稻河和新通扬运河的汇合处，距淮河入江口门三江营约 12 km，由 4 座大型电力抽水站、5 座大型水闸、7 座中型水闸、3 座船闸、2 个涵洞、2 条鱼道，以及输变电工程和引排河道组成，是一个具有灌溉、排涝、泄洪、通航、发电、改善生态环境等综合功能的大型水利枢纽工程，既是江苏省江水北调的龙头，也是国家南水北调东线工程的源头。江都二站是江都水利枢纽工程的重要组成部分，现装有机械全调节立式轴流泵 8 台套，配套 1000 kW，24 P 型立式同步电机，电压等级为 6 kV，总装机容量 8 000 kW，设计扬程 6.8 m，单机流量 10.2 m3/s[1]。

1 优化缘由

江都二站原自动化系统始建于 20 世纪 90 年代中期，限于当时的技术水平和经济条件，只建立了自动监测系统，仅对泵站运行的电量、温度、水位等数据进行自动采集。1999 年，在自动监测系统的基础上增加了自动控制功能，实现了泵站主、辅机及电气设备的自动控制。

经过 10 多 a 的运行，江都二站自动化系统运行稳定性较差，需要进行优化升级。主要存在以下问题：

1）控制室计算机距离现场控制柜中的可编程序控制器（PLC）大约 50 m，采用 RS-485 通讯，数据通讯速度慢，计算机上显示的实时数据延时较多。

2）泵站采用 10 kV 电机，配电房、电缆沟内存在电磁干扰，数据通讯出错率高。

3）监控计算机、PLC 投运时间长达 12 a，运行速度较慢。

4）水位、叶片角度和温度传感器均采用模拟信号，数据准确率差。

5）监控软件运行时偶尔会出现故障，无法实现数据自动采集和设备自动控制。

6）江都站调度中心、三站、四站、变电所、西闸监控软件均使用美国 InTouch for System Platform 软件，江都二站监控软件使用北京组态王 KingView软件，无法与江都站调度系统联网运行。

2 优化方案

2011 年 12 月，对江都二站自动化系统进行优化升级。采用分层分布开放式结构，分为“远方、站控、现地”3 级，集测量、控制、保护、信号、管理等功能于一体。系统结构如图 1 所示。

图1 江都二站自动化系统拓扑图

现地级由 1 套双 CPU 热备的 PLC、1 只触摸屏、2 只网关（规约转换器）、8 台微机励磁装置、10 只微机保护装置、WDC31 数字水位计、WGC11数字角度计和 PD19 数字智能表等现地设备组成，实现电量、温度、水情等数据的自动采集，主机、辅机、电气等设备的自动控制。

站控级由 2 台互为热备用的监控计算机、1 台环网交换机、1 台打印机等中控设备组成，实现集中显示、控制、分析、处理、存储等功能，满足“无人值班、少人值守”的要求，并通过网络将江都二站机电设备的运行数据和状态，实时地展示在各级管理人员面前。

远方级是江都站调度系统。江都二站自动化系统作为江都站调度系统的子系统，通过千兆环网交换机与江都站调度系统链接，将运行数据和信息送至江都站调度系统，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能[2]。

3 关键技术应用

针对原系统存在的问题，江都二站自动化系统优化升级过程中主要采取以下关键技术：

1）系统内部采用星形网络拓扑结构，监控计算机、PLC、网关、触摸屏、励磁装置、微机保护装置等网络设备均采用 MODBUS TCP/IP 通讯规约、100 Mbps RJ45 端口与交换机连接，大大提高了通讯速率。

2）因系统处于强电磁场环境下运行，在各类通讯线路上安装相应浪涌保护器，提高设备抗干扰能力和数据通讯可靠性。

3）监控计算机采用 HMIRHAPP00S 系列工控机，冗余热备方式配置，2 台监控计算机工作于双机热备份状态，正常工作时一个为主机，另一个是作为热备份的从机。主机无故障时，系统的任务调度与实施由主机实现，完成数据采集和控制输出；主机发生故障时，从机自动切换为主机，完成系统的任务调度与实施，提高了计算机的运行速度和中控设备的可靠性。

4）PLC 采用 Quantum 系列 PLC，CPU 冗余热备方式配置，2 套 PLC 主站配置完全相同，由机架、电源、CPU、通讯模块组成。CPU 内置高速冗余模块，采用冗余热备工作模式，无论哪一台 CPU 故障，另一台自动切换成主机运行，保证系统更加安全、可靠。4 套 PLC 从站，由机架、电源、通讯模块、I/O 模块、温度模块、模拟量模块组成，分别控制 1～2#，3～4#，5～6#，7～8# 主机的相关设备，提高了 PLC 的运行速度和现地控制设备的可靠性[3]。

5）电量、温度、水情、叶片角度采集均采用数字传感器，通过 RS-485 接口与网关链接，实现数据采集，提高数据的准确率。

6）江都二站监控软件采用 InTouch for System Platform 软件，与江都站调度系统监控软件无缝链接，实现数据通讯和信息共享。

4 自动化系统优化应用效果

经过了 1 个汛期开机抽水的考验，江都二站自动化系统已经投运 12 个月。实践证明，江都二站自动化系统运行稳定可靠，主要归结如下：

1）计算机、PLC、网关、触摸屏、励磁装置、微机保护装置等设备均采用 100 Mbps 以太口实现数据通讯，并在通讯线路上安装相应浪涌保护器，大大提高了通讯速度和可靠性。

2）采用先进的数字智能传感器，对特别重要的计算机、PLC 采用冗余设计，提高硬件设备的可靠性，确保系统安全运行。

3）监控软件采用成熟的 InTouch for System Platform 软件，与江都站调度系统联网运行，实现信息共享。若监控软件的程序、画面、报表、定值、功能等需要调整时，工程师可以通过网络对监控软件进行在线编辑、修改、拷贝、存储，实现远程集中开发、部署、诊断、维护等功能，提高了系统的的可靠性和可维护性。

4）系统实现了数据自动采集、设备自动控制、报表自动打印、信息自动发布等功能，减少了泵站运行过程中由于运行管理人员的疏忽而导致误操作的可能，降低了运行管理人员的劳动强度，提高了泵站运行效率。

5 结语

本文以江都二站自动化系统为例，进行了深入地研究和分析，总结了长期运行的自动化系统存在的通讯出错率高、数据准确性差、控制可靠性低等普遍问题，提出了新的优化方案，并详细地介绍了针对存在的问题而采取的关键技术。优化后的自动化系统抗干扰能力强、数据准确性高、操作灵活方便、运行稳定可靠，且性价比极高，为水利工程运行提供了保障，为大型泵站自动化系统改造升级和相关理论研究提供了良好的参考和借鉴。

[1] 汤正军. 江都水利枢纽志[P]. 南京：河海大学，2004:35-45.

[2] 刘丽静，史学军. 微机监控自动化系统在泵站的应用[J].自动化博览，2006 (3): 24-26.

[3] 薛井俊，华骏. 南水北调江都站微机监控系统的设计[J].南水北调与水利科技，2010 (1): 29-32.