竖井式贯流泵站的计算机监控系统初探

王玉明刘 骏

（1.常州市城市防洪工程管理处，江苏常州 213000；2.常州市长江堤防工程管理处，江苏常州 213000）

0 引言

常州城市防洪节点工程采菱港枢纽主要功能为防洪、排涝、改善城市水环境。工程包括20 m3/s排涝泵站1座、8 m节制闸1座。枢纽工程共装设1820ZGB10-1.5型竖井贯流泵2台，单机流量10 m3/s，配套10 kV异步电动机，单机功率355 kW。枢纽负荷等级为二级，采用2路10 kV线路引接，由高压电缆直埋分别引入室内10 kV高压开关柜，不设主变压器，采用10 kV电源直供电动机。泵站设1台200 kVA干式变压器供动力、照明以及生活办公用电。变电所采用户内布置方式，选用户内型配电装置。

采菱港枢纽主要监控对象包括：2台主机泵、泵站4孔工作闸门、1孔节制闸、2台回转式清污机、1台皮带输送机、技术供水泵、2台渗漏排水泵、主机通风、高低压开关柜设备等。

1 系统总体结构

采菱港泵站计算机监控系统采用分层分布结构［1］，监控系统结构详见图1。

由图1可知，本系统是由上位机监控和各现地控制单元组成，上位机与现地控制单元之间通过光纤以太环网通信。

其中，上位机系统由操作员站1、操作员站2、历史服务器组成，上位机监控软件采用施耐德Citect组态软件。下位机系统包括：UPS配电柜及电池组，1#、2# 保护屏，1#、2# 主泵机组现地PLC控制柜，节制闸PLC控制柜，机组PLC控制柜，公用系统PLC控制柜，技术供水现地控制柜，技术供水PLC控制柜，辅机控制柜和清污机控制柜。控制柜配备施耐德PLC模件和触摸屏。

图1 监控系统结构图

2 系统各模块功能

2.1 下位机系统功能

下位机系统具备数据采集及处理、显示监控、控制与调节、通信、自诊断、GPS 对时、对外供电等功能［2］。

2.1.1 数据采集及处理

系统自动接收来自主控层的命令和数据，采集被控设备各模拟量、温度量、开关量和脉冲量并存入LCU数据库中，记录泵组的启停次数和运行时间，对于固定周期采集的数据，采集周期可调；对采集到的模拟量数据进行滤波、数据合理性检查、工程单位变换、模拟数据变化（死区检查）及越限检查等，根据规定产生报警并上送主控级；将采集到的状态量、电气保护报警量按即时召唤或变位等方式上送主控级；进行自动事件顺序记录；对采集到的非电量（如温度量、压力等）进行越限检查，并及时将越限情况和数据送往主控级；根据采集到的脉冲量，计算用电量、抽水量，并上报主控级；按主控级的要求上送数据。

2.1.2 显示监控

各LCU中配备一个彩色液晶触摸显示屏，以显示设备的运行状态及运行参数，运行人员登录后，可通过触摸屏进行规定的相关操作；在显示屏上还能显示有关设备操作和监视画面、各种事故及故障报警信息等。

2.1.3 控制与调节

按被控对象工艺流程进行自动控制和调节，对点设备（ON/OFF操作设备）按安全闭锁要求进行控制操作。

2.1.4 通信功能

LCU与主控级的通信中，将LCU采集到的数据及时准确地传送到主控级计算机，同时接收主控级发来的控制和调节命令，并将执行结果回送主控级；LCU接收主控级的同步时钟信号，以保持与主控级同步；LCU通过现场总线与被控对象的智能设备进行通讯；LCU设置与便携式计算机通信的接口（以太网及串口），用于LCU的调试。

2.1.5 自诊断功能

（1）LCU至少能在线和离线诊断下列硬件故障：CPU模件故障；输入/输出模件故障；接口模件故障；通信控制模件故障；存储器模块故障；电源故障。

（2）LCU的软件自诊断能在线和离线诊断定位到软件功能模块并判明故障性质。

（3）当诊断出故障时能自动闭锁控制输出，并在LCU上显示和报警，同时将故障信息及时准确地上送主控级。

（4）进行在线自诊断时不会影响LCU的正常监控功能。

2.1.6 GPS对时

LCU现地控制单元，除能完成本身的GPS对时外，能满足提供与其距离较近的保护、录波等装置的对时接口要求。

2.1.7 供外部使用的电源

每套LCU提供独立的DC 24V电源供自动化元件使用，每回路电源带有相应的保险功能。

2.2 上位机系统功能

上位机系统可以实现画面监视、画面控制、报表查询打印、报警信息查询等功能。下位机采集到的各项数据，通过以太网传输到上位机并在相应画面中显示，用户通过上位机发送的指令，也通过以太网下发到PLC控制柜实现对设备的远程控制。对于用户感兴趣的信息，可以保存到历史数据库中，用户可随时通过报表查询指定日期的数据并能打印出来。历史数据库中还保存了监控系统的各项报警信息，经过GPS对时的历史报警信息对于事后查找事故原因很有帮助。

3 系统设计与实现

整个采菱港枢纽计算机监控系统采用分层设计，其具体功能是通过各LCU实现的。整个系统的工作流程是：上位机发出控制指令，通过以太网完成信号的传递，各功能模块根据接受到的指令执行相应的PLC程序，最终实现数据采集与监控，达到管控一体化。

3.1 上位机部分

当用户登录系统后，可以通过监控画面对泵站设备按指定功能进行控制。

3.1.1 电气系统监控

电气系统的主要控制对象是高压开关柜、低压开关柜和电容柜的各断路器和馈线开关。每一个可控对象旁有分、合闸两个按钮，点击按钮，弹出确认分、合闸命令。要通过上位机画面操作对象的分、合闸，首先需要保证该控制对象的控制权限在远方，然后确认手车处于工作位置，最后需要弹簧操作机构已储能。当命令发出并执行成功后，画面上相应状态将发生改变。电气系统控制见图2。

图2 电气系统控制图

图3 技术供水监控图

3.1.2 技术供水监控

技术供水控制对象为2台循环供水泵和2台冷却供水泵，监控信息包括：循环水管压力与温度、冷却水管压力与温度以及循环水池水位。循环供水泵从循环水池抽水，对电机、齿轮箱和水泵进行冷却；冷却水泵取用河水，经过热交换器对循环水进行冷却。当满足循环供水、冷却供水控制权限为远方、控制方式为自动、LCU在线、电源正常等条件时，技术供水系统可以根据上位机画面进行控制，点击画面中水泵图案旁的启、停按钮，便可控制水泵运行。技术供水监控见图3。

3.1.3 清污机监控

清污机监控对象为2台清污机和1台皮带输送机，主要监视信息为设备运行状态。

3.1.4 主泵组开停机监控

当开机所需所有条件都满足时才能够启动水泵，否则系统将发出警报信息。泵组监控见图4。

启、停水泵命令发出后，可以点击“开停机流程监视图”（图5）对开停机流程进行监视，流程图中直观地显示出开停机命令的执行情况，如果开停机失败，从流程图中也很容易发现导致开停机失败的原因。

3.2 PLC部分

PLC程序是各功能控制柜的核心部分。各控制柜不但功能独立，而且共同构成了系统的下位机，彼此可通过以太网进行通信。计算机监控系统采用SIXNET-SLX系列交换机（2光8电，2光16电），传输速率100/1000 Mbps。其中，配置在公用LCU机柜中的主交换机采用SIXNET-SLX系列交换机（2光16电），1#主泵组现地柜、技术供水PLC柜和节制闸PLC柜中采用SIXNET-SLX系列交换机（2光8电）。

下面对各功能模块PLC程序的设计进行详细的介绍［3，4］。

3.2.1 机组控制部分

该部分的PLC程序是根据图6来设计的。

图6中所有判断环节的箭头流向均适用于条件满足时，若条件不满足则结束流程。开始的初始化工作是对一些条件进行判断，包括：机组启动技术供水冷却、循环水是否满足“DUMMY_DI［25］=1；10kV”；进线开关满足开机条件“DUMMY_DI［27］=1”；主泵组温度是否正常；液压系统是否达到开机条件“DUMMY_DI［30］=1”；节制闸闸门是否全关，即是否满足“DUMMY_DI［31］=1”；主泵组微机保护装置是否正常；电容总进线开关是否满足开机条件“DUMMY_DI［34］=1”。如果有一个条件不能满足，立即退出流程。

图4 泵组监控图

图5 开停机流程监视

图6 机组开机流程图

图7 机组停机流程图

在机组停机时，也需要对一些条件进行判断：机组停止技术供水冷却、循环水条件是否满足“DUMMY_DI［26］=1”；机组 LCU与液压 LCU通讯是否正常，即是否满足“DUMMY_DI［24］=0”。当满足条件时，便可按图7所示流程进行运作。

在系统运行中碰到问题或者发生故障时，需要启动急停功能。在急停时，需保证电机断路器处于分闸位置，出水侧、进水侧的工作闸门全部关闭，没有其他机组在运行，同时停止技术供水循环和冷却水泵。系统只有及时完成上述工作，才能启用急停功能，否则会因为超时而无法正常完成急停。

3.2.2 公共控制部分

公共控制部分包括：10 kV进线断路器、电容进线开关柜断路器、电容器开关柜断路器、10 kV站用变开关柜断路器、400 V进线柜断路器。

该部分中，每种断路器合闸、分闸的工作流程均相同，显示进行初始条件的判断，若满足，便对断路器合闸、分闸的位置进行判断，位置满足要求则流程结束。断路器工作的最大区别是对前提条件的判断，各种断路器判断的条件并不相同，下面将依次进行介绍：

（1）10 kV进线断路器、电容进线开关柜断路器、10 kV站用变开关柜断路器

需判断断路器是否在远方控制位置，若在则符合条件；断路器手车是否在工作位置；开关柜控制电源有无故障；该断路器的弹簧是否已储能。

图8 进线断路器合闸

图9 进线断路器分闸

（2）电容器开关柜断路器

与第一种断路器的判断条件相同，该断路器也需判断断路器是否在远方控制位置，若在则符合条件；开关柜控制电源是否无故障；断路器弹簧是否已储能；功率因素是否满足条件等。

（3）400V进线柜断路器

该断路器仅有一个判断条件，即断路器是否在远方控制位置，若在则符合条件。

3.2.3 辅机部分

辅机需完成的辅助功能主要包括风机和渗漏排水泵的启动与停止。其辅助功能的工作原理如下：

（1）风机的启动与停止

启动或者停止风机需要满足一些条件，只有在辅机柜进线断路器电源正常、风机处于自动控制方式、不处于热保护状态且无故障时，才能启动风机。而要停止风机，仅需使风机处于自动控制方式即可。

（2）渗漏排水泵的启动与停止与风机的不同之处在于，渗漏排水泵能够自动实现启动或停止。

当渗漏排水泵无法自启动、停止时，也可以按风机的模式来启动或停止。当辅机柜进线断路器电源正常、渗漏排水泵处于手动控制方式，无热保护、无故障时，即可启动，若泵启动时间超过3 s，则启动失败。在泵运行时，若想要停止，则只需使排水泵处于自动控制方式，随后在3 s内使泵停止即可。

3.2.4 清污机部分

该部分需要控制两部分内容，包括：清污机和皮带传送机。其工作流程和上述渗漏排水泵相同，即满足条件并在规定的时间内启动即可。

首先分析清污机，当转换开关处于远程控制状态且无热保护状态，即可启动停止的清污机，启动的时间限制同样是3 s，若要停止运转的清污机，则只需使转换开关处于远程控制状态，并在3 s内停止即可。

皮带传动机的启动条件和清污机相同，即转换开关处于远程控制状态且无热保护状态，关闭条件即转换开关处于远控状态，目的是为了使清污机和皮带传动机处于同步工作状态，能够正常完成清污工作。

3.2.5 技术供水部分

技术供水包括三方面：循环水泵的启停、冷却水泵的启停、进线断路器的合闸与分闸。

（1）循环水泵、冷却水泵的启停

循环水泵和冷却水泵需要配合工作，因此，其启动和停止条件是相同的。若要让停止的泵启动，需要满足条件：进线断路器电源正常、泵处于自动控制方式、泵无故障且电源正常，要求在3 s内启动，否则会启动失败。若要让运转的泵停止，只需使泵处于自动控制方式即可，但也要求在3 s内停止。

（2）进线断路器的合闸与分闸

对于该部分的进线断路器，无论是合闸还是分闸，都不需要进行前提条件的判断。其运作的流程如图8和图9所示。

4 总结

笔者详细介绍了采菱港枢纽泵站计算机监控系统的设计与运用，PLC的运用使整个系统的运行更加稳定、可靠、安全，使泵站的可控性得到保障。

经实践验证，计算机监控系统动作准确，整体运行连续性好，满足泵站实际运行的要求。本系统的成功设计、调试及运行，不但保证了采菱港枢纽泵站的安全可靠运行，而且为竖井式贯流泵站计算机监控系统的设计和运行积累了一定的经验。

［1］石晓松，易春辉，黄建平.基于分层控制的闸门群自动控制设计［J］.水电自动化与大坝监测，2007（4）.

［2］刘雪芹，刘新泉，姚怀柱.三河船闸计算机监控系统设计应用［J］.江苏水利，2012（8）.

［3］曾繁玲.施耐德PLC、变频器入门与应用实训［M］.北京：中国电力出版社，2011:125-176.

［4］岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术［M］.机械工业出版社，2006：299-338.