计算机监控系统在太浦河泵站的应用

朱玉兵，张小兵

(江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200)

太浦河泵站工程是太湖流域综合治理的重点工程，位于江苏省吴江市境内，距东太湖约2 km、苏州市约51 km，是太湖流域综合治理工程中规模最大的单体项目，工程静态总投资2.766亿元［1］。泵站计算机监控系统充分利用计算机领域的先进技术，结合泵站自动化程度要求高的特点，使泵站运行管理智能化、远程化，并能方便地完成与其它管理信息计算机系统的连接，具有高度的可靠性、安全性、实时性、实用性、灵活性并便于扩充。

1 系统结构和功能

太浦河泵站监控系统采用以计算机为基础的开放式分层分布结构，分监控管理级(主控级)、设备控制级(单元控制器)、现场仪器仪表级(现场过程设备)3个层面。系统网络结构及配置见图1。

1.1 主控级

主控级设备包括2台主计算机兼操作员工作站、1台网络服务器、1套投影仪、2台通讯计算机及外围设备等。其主要功能分述如下。

1.1.1 控制功能

主计算机通过以太网通讯方式，向下位发出各种控制指令，主要包括:泵站控制方式选择;泵组启动/停机;经济运行功能的投入/切出，闭环/开环控制方式的选择;断路器、隔离开关的合/分及闭锁;闸门的开启/关闭操作;公用设备的操作。

图1 系统网络结构配置图Fig.1 Configuration of the system

1.1.2 参数设定功能

通过LCD、键盘、鼠标设置等，设置和修改工艺流程控制中必要的参数设定值包括:上游水位高限值、下游水位高限值、上游水位低限值、下游水位低限值和其他重要参数的越限值。

1.1.3 显示功能

在显示屏上直观显示受控设备实际工况、工艺流程动态变化以及系统设备主要参数的实时值等。显示内容主要包括动态工艺流程图，动态显示以数字、文字、图形、表格、曲线、色彩变化及信号闪烁等形式进行。所有画面同时可在投影仪上显示。

1.1.4 故障处理功能

故障处理功能主要包括以下几个方面。

(1)报警显示:以变色、闪烁等适当的形式显示越限值、故障信号、事故状态，必要时并可自动推出相关提示画面。

(2)报警记录:记录各种报警事件的时间、顺序、内容及恢复时间，生成报警事件数据库。

(3)事故分析:根据报警事件数据库，生成历史趋势曲线图和其它表格，以便进行事故原因分析。

(4)报警打印:根据事件记录的历史数据，进行即时打印或定时打印。

1.1.5 数据分析和运行管理

主计算机通过以太网通讯总线接受下位PLC站发出的各种数据信息，并进行必要的分析处理。主要包括:温度值的趋势分析;泵组流量、上下游水位、闸门开度等运行曲线的生成和显示;根据给定的抽水总流量及设备的实际情况，自动计算出当前水头下泵站的最优泵组组合，以便在满足给定总流量的条件下使电动机用电量最低，避免频繁启停和频繁调整的操作，按泵站进出水池的最佳流态选择运行水泵;根据运行工况计算全站消耗总功率、用电量总和、抽水量和每台泵抽水效率;累计泵组开、停次数、本次开机运行时数;累计开机运行时数、泵组停机小时数、泵组检修退出时数，累计主变压器、35 kV及6 kV断路器等主设备运行时间、动作次数、检修次数和时间;累计油泵、供排水泵等间歇运行的辅助设备动作次数、检修次数和检修时间;统计各类主设备和辅助设备所发生的事故和故障次数及正常切除次数［2］。

1.1.6 通讯功能

通讯功能包括:通过光纤及微波通道，与吴江市供电局通讯，同时还预留与泵站水情测报等系统的计算机通讯接口;通过以太网通讯方式与各现场单元控制器通讯;向各单元控制器发送指令并接受各单元控制器上送的信息;与GPS时钟终端连接进行时钟同步。

1.1.7 系统诊断功能

系统诊断功能包括:模板级硬件故障诊断、在线软件故障诊断。

1.1.8 软件开发功能

软件开发功能包括:在线或离线进行应用软件的编程和修改;在线或离线进行显示画面的组态和调整;在线或离线进行报表库等的编辑、装载和卸除［2－3］。

1.1.9 其它管理功能

其它功能主要包括:分别按时、日、月时间段要求，打印运行记录报表;按操作顺序自动记录所有操作，包括操作对象、操作指令、操作起止时间、执行过程，执行结果、操作完成时间、操作员姓名等;打印运行人员所需的资料和数据;继电保护整定值记录;具有关于运行操作和事故处理的指导性画面。

1.2 单元控制器

单元控制器主要包括6套泵组现场单元控制器(1LCU—6LCU)、1套公用设备现场单元控制器(7LCU)和1套变电站现场单元控制器(8LCU)。每套单元控制器主要包括1个PLC站、1台触摸屏人机界面、1组手动开机及急停按钮。

1.2.1 泵组单元控制器功能

泵组单元控制器设在泵房主机旁，监控对象为水泵及其辅助设备，异步电动机及其辅助设备、电动机6kV断路器等。其主要功能如下。

(1)现场数据采集:包括反映泵组及辅助设备、异步电动机及其辅助设备运行状态的开关量信号;反映6 kV断路器及其他检测设备位置信息的开关量信号;反映系统各类故障信息的开关量信号;反映系统工艺过程参数信息(如水位、温度等)的模拟量信号。

(2)设备过程控制:包括泵组开机控制;泵组停机控制;泵组辅助设备启动/停止控制;电动机回路断路器合闸/跳闸控制、设备在自动/手动;就地/远程等多种控制方式下运行时的连锁及状态转换控制;设备在故障条件下的紧急停机控制。

(3)人机界面操作:每套泵组单元控制器均配置1台彩色液晶屏幕显示器。通过该装置，可完成一系列现场操作、监视任务。包括:泵组顺序操作时的工艺流程显示;泵组及辅助设备运行状态显示;6 kV断路器及其他检测设备位置信息显示;系统各类故障信息的报警显示;系统工艺过程参数(如水位、温度等)的实时值显示;单元控制器状态显示;其他需要的信息显示;现场操作及显示;各种工艺过程参数极限值的设定和修改;打印记录操作。

1.2.2 公用设备单元控制器功能

公用设备单元控制器设在继电保护室内，主要控制电气设备及其它公用设备，其主要功能如下。

(1)现场数据采集:包括反映公用设备运行状态及其他检测设备位置信息的开关量信号;反映系统各类故障信息的开关量信号;反映系统工艺过程参数信息(如水位、温度等)的模拟量信号;反映电量累计信息的脉冲量信号;对采集的数据进行必要的数值变换、运算、比较和逻辑处理，作为设备及过程控制的基本依据。

(2)设备过程控制:包括35 kV断路器的控制操作;6 kV断路器及站用变断路器的控制操作;主变有载调压档位的控制操作;全站公用设备(技术供水泵、渗漏排水泵、检修排水泵、清污机等)的控制操作，0.4 kV站用电设备的控制操作;设备在自动/手动、就地/远程等多种控制方式下运行时的连锁及状态转换控制;设备在故障条件下的紧急停机控制。

(3)人机界面操作功能:公用设备单元控制器配置1台彩色液晶屏幕显示器。通过该装置，可完成一系列现场操作、监视任务。包括公用设备操作时的工艺流程显示;公用设备运行状态显示;检测设备位置信息显示;系统各类故障信息的报警显示及音响提示;系统工艺过程参数的实时值显示;单元控制器状态显示;其他需要的信息显示;现场操作及显示和各种工艺过程参数极限值的设定和修改。

1.2.3 泵组单元和公用设备单元控制器的共同功能

泵组单元控制器和公用设备单元控制器还具有如下相同的功能。

(1)通讯功能:单元控制器具有与主控级通讯的功能，定时向主控级传送所需要的过程信息，也可根据主控级指令随时上送要求的信息，还可根据故障或事故情况下，及时向主控级传送故障及事故信息。

(2)单元控制器接入GPS的时钟同步信号以保证SoE采集时标。单元控制器以串行口或现场总线的方式与微机保护测控装置、稀油站PLC、220V直流系统、智能电度表及全站公用设备PLC进行通讯。

自诊断功能:单元控制器具有模件级故障自诊断能力，包括:CPU故障、I/O故障、通信控制模件故障、电源模件故障。当诊断出模件故障时，自动闭锁控制出口直到切换到备用系统上，并将故障信息上送到主控级，同时在单元控制器上有显示和报警。

1.3 现场过程设备

现场过程设备主要包括微机机组保护装置、稀油站PLC、220V直流系统，智能电度表等，其主要功能是提供对35kV主变、电动机等主辅设备的测量、监视和控制。

1.4 系统连接和电源

监控管理级与设备控制级之间，通过100Mbps以太网的光纤网络结构实现连接，并进行信息交换;设备控制级与现场仪器仪表级之间通过现场总线实现连接。系统通过通讯计算机、Modem及其它通道，与其它计算机系统实现通信。系统所有设备均由UPS电源供电，2组UPS冗余并联互为备用。

2 系统软件技术

系统软件配置包括操作系统Windows Server 2003、工业监控软件 InTouch 10.1和编程软件Concept。系统核心监控软件采用了InTouch 10.1组态软件，并在此基础上设计开发了一套完整的应用系统，从而为泵站提供了实时可靠、直观生动的监控平台。所有操作指令通过点击组态画面上相应功能键由PLC执行完成。系统采用基于Windows界面的调试编程软件Concept，该软件可提供5种编程手段，既可用梯形图又可用高级语言编写应用程序，并且提供大量功能块，使编程更加灵活方便。

3 系统硬件技术

系统硬件的选择主要是基于先进性、可靠性和经济性3个方面。主控级计算机兼操作员工作站均采用IPC－810B工业控制机，配置可扩展容量的硬盘，2台通信计算机也采用IPC－810B工业控制机，系统硬件选择满足系统功能和性能指标。

设备控制级采用施耐德电气公司Modicon的Quantum系列可编程控制器。核心部件Quantum CPU使用可擦写存储技术，支持控制器的执行存储和指令集，这种非易失存储技术能够在维护更新时通过下载文件的方法执行现场修改，简化现场维护，降低维护成本。采用型号为XBTF024310的10.4 LCD键盘式屏幕(带触摸屏)，具有良好的人机界面操作功能，通过此装置可以显示各种信息及参数整定和修改。系统在中央控制室内配置了操作方便、美观舒适的操作控制台，使用型号Barco SLMR6投影机，屏幕SAS 150NWA背投，配置了刻录机和语音报警系统。系统主干网采用4台 RS2系列499NOS07100施耐德工业交换机，每台交换机有5个端口。

其中2台交换机设置在现场(泵组单元控制器旁)，与控制室内管理计算机相连接，1—6LCU和公用设备7LCU通过PLC以太网模块、RJ45端口电缆直接与其联接;另外2台交换机设置在计算机室，与上级计算机相连接，主控级的各计算机和变电站8LCU通过RJ45端口电缆与其联接。

4 系统组态监控画面的使用

系统监控画面主要包括:封面、泵站系统配置图画面，泵组总控制画面，泵组流程控制画面，辅机各设备监控画面，变电站控制画面，继保画面及其参数小画面等。以1#泵组自动操作界面为例，点击图1中1#泵组高亮度矩形区域，出现图2。

图2 泵组自动操作界面图Fig.2 Interface of the automatic operation of pump unit

(1)每幅画面的格局是:最上面是一排菜单，利用这些菜单以及菜单弹出的下拉式菜单可以进入相应的控制画面。在画面的右上角还有一个报警灯，无报警情况下灯的颜色为“绿”，一旦有报警出现，则灯转变为“红黄闪烁”。中间部分是设备的状态显示(状态一般由文字条及文字条前的灯组成，满足文字内容，灯为“红”，不满足为“绿”)和设备的动态效果、设备的操作按键。其中按钮分3种类型:设备操作按钮，弹出参数设定画面按钮和弹出参数显示的按钮。在画面的最下方还有一排与别的按钮样子及颜色不一样的按钮，这排按钮用于切换、调用画面。

(2)图2画面最上方的一排菜单由6个小图标组成，这6个小图标分别代表设备监控、电气原理图、公用设备、历史曲线、报警控制以及操作说明，见图3。

图3 系统菜单图标Fig.3 Icons of the menus

点击图3中的图标将分别弹出一个下拉式菜单(见图4)，点击文字条进入相应的画面。

(3)当有报警出现，点击红黄闪烁的报警灯会出现一个下拉式菜单，出现带报警灯的文字条。文字条前面的灯为“红黄闪烁”，表示这个设备出现故障，点击这个文字条可以看到具体的报警信息。

图4 下拉式菜单Fig.4 Pull-down menus

(4)功能键使用鼠标点击方式激活。当鼠标移到相关的功能键区域内时，如当时条件允许执行该功能键定义的内容，则整个功能键外有高亮度矩形方框显示;如该功能键外无高亮度矩形方框显示，即使按下该键，系统也认为无效，拒绝执行。

(5)功能键面板上的字符，作为系统状态的描述。功能键有凹凸状态的变化，凹为开，凸为关。某些功能键还具有颜色显示，“红色”背景为开，“绿色”背景为关。

(6)当某个功能键被点击后，相关功能由PLC执行，显示屏则不断刷新屏幕显示状态，屏幕刷新的时间与系统传输的大量数字信息有关，一般会间隔数秒。所有功能键以鼠标“单击”方式执行。

5 系统自动化开停机分析

实现泵站自动化开停机是计算机监控系统最重要的目的和功能。泵站采用了计算机自动化全步方式启、停(当计算机自动化出现故障时，可采用手动分步启、停)。系统的控制功能完全满足泵站机组启、停操作规范规定的要求。开启监控系统，系统能够自动检测机组启、停条件，满足条件时，执行操作，不满足条件则系统一直处于等待状态，直至故障排除后按顺序执行。当泵组处于上位机操作状态、泵组总开机条件满足、泵组处于自动控制这3个条件都满足的情况下，自动开机和自动停机这2个按钮变为有效(不满足情况下，按钮为暗色，鼠标点击也不会出现高亮度方框)，这时就可以启动或停止泵组。当泵组启动成功后，图2中泵组的转页也会随之转动。系统在中央控制室和6台泵组单元控制器(1—6LCU)均设置了紧急停机按钮，当遇到紧急情况时，可以随时启动该按钮，实现紧急停机。泵站自动化全步开机流程如图5。停机流程图和开机流程图类似，不作赘述。

图5 泵组自动化全步开机流程图Fig.5 Procedures of the automatic full-step starting-up of the pump unit

6 系统维护要点

为确保系统可靠运行，必须定期检查控制柜接线端子情况［4］，定期检查系统有关元件，如执行元件、信号器、传感器等工作是否正常;定期检查电气限位安全联锁与各种保护装置是否准确，固定是否牢靠，安全保护装置是否可靠、有效;定期检查计算机操作台是否整洁，有无杂物堆放现象;定期检查主控级计算机是否设置安全等级操作权限，有无擅自安装、使用系统外软件或计算机挪作他用等现象;监控屏幕显示是否清晰，色度亮度与对比度是否正常，切换与调节装置是否操作有效;定期检查计算机监控系统、就地控制系统、通讯网络系统是否运行正常，各级控制是否正常、可靠;监视系统是否正常，调节控制是否可靠，图像是否清晰;显示、音响报警信号系统是否正常、可靠;定期检查UPS电源供电是否正常，仪表、信道及电源的过电压保护是否可靠、有效;定期检查系统网络安全管理，定时杀毒，及时更新杀毒软件。每半年一次检查设备的手动、自动与遥控的控制功能以及控制级的优先权;每半年一次测试系统的故障、声光报警点、保护、自启动及通信等功能;每年至少一次检查系统接地、防雷与过电压保护设施;每半年一次检查系统供电装置，每年至少一次检查控制室的防静电设施;每半年一次对PLC、通信设施、通信接口进行检查与维护及工况、性能校验;每半年一次对就地(现场)控制系统各检测点的模拟量及数字量校验［5］。

7 结语

计算机监控是一个系统工程，它需要将系统中各个部分如硬件、软件、网络结构、自动化执行元件等有机组合、综合考虑，需要充分利用计算机技术、网络技术、通讯技术、冗余技术、抗干扰技术等等。采用基于PLC控制器的开放式分层分布结构的计算机监控系统，实现了对泵站主辅设备自动化控制。运行结果表明，本系统简洁直观、操作方便、维护简单，运行可靠稳定，较好地满足了泵站运行管理智能化、远程化的需求，为今后类似泵站的设计提供了很好的借鉴。

［1］朱玉兵.浅谈斜式轴流泵叶片间隙测量［J］.人民黄河，2011，33(增刊 2):149.(ZHU Yu-bing.Discussion on the Inclined Axial Flow Pump Blade Clearance Measurement［J］.Yellow River，2011，33(Sup.2):149.(in Chinese))

［2］武祥飞，刘力金，孙 凌.浅议聊城万丰渠泵站自动化改造［J］.山东水利，2007，(3):28 －29.(WU Xiangfei，LIU Li-jin，SUN Ling.Discussion on the Automation of Liaocheng Wanfeng Drainage Pump Station［J］.Shandong Water Resources，2007，(3):28 － 29.(in Chinese))

［3］唐虹儒，陈 虹，刘丽君，等.泵站计算机综合自动化系统设计要求研究［J］.中国农村水利水电，1999，(11):29 － 31.(TANG Hong-ru，CHEN Hong，LIU Lijun，et al.Design of the Computer Integrated Automation System of Pump Station［J］.China Rural Water and Hydropower，1999，(11):29 －31.(in Chinese))

［4］粟 恺.老龙口水电厂启闭机和闸门自动监控系统应用［J］.水电能源科学，2011，29(3):145 －146.(SU Kai.Application of Hoist and Gate Automatic Monitoring System for Laolongkou Hydropower Plant［J］.Water Resources and Power，2011，29(3):145 － 146.(in Chinese))

［5］上海市堤防(泵闸)设施管理处.泵闸设施设备检查养护管理规定(试行)［S］.上海:上海市堤防(泵闸)设施管理处，2008.(Shanghai Administrative Office of Dike Facilities.Regulations on the Inspection，Maintenance and Management of Pump and Sluice Facilities(Trial)［S］.Shanghai:Shanghai Administrative Office of Dike Facilities，2008.(in Chinese))