浅谈樊口泵站自动化控制系统改造

钟 山

(湖北省樊口电排站管理处，湖北 鄂州 436001)

1 泵站自动化的发展及应用

泵站自动化系统于20世纪70年代应用于水利行业，从初期到现阶段广泛应用经历了巨大发展：最早期自动化控制采用数据卡采集系统和上下位机的分布式系统，在完善阶段主要采用STD总线或者PC总线为基础的工业控制计算机，现阶段主要采用计算机自动监控系统，经济性强，管理方便[1]。20世纪80年代到90年代，江苏淮阴泵站、西北地区的部分泵站和湖北的部分泵站相继引入自动监控系统，实现了泵站监控自动化；20世纪90年代后期，泵站自动化系统经历了较大改善，实现了现地控制级、泵站控制级和远程控制级的三层分层分布式结构。

目前自动化技术主要包括：数据采集和处理技术、运行控制和调度技术、运行信息管理技术和安全运行及监控技术。但是在当前发展过程中，自动化控制技术更新快，早期引入的自动化监控系统已无法满足当前需求，采用先进的工业控制计算机、可编程控制器等设计实现泵站自动监控并提高自动应急处理能力、完善智能控制等，对实现可持续发展有实际意义。以下以樊口泵站为例，介绍自动化监控系统改造情况。

2 工程概况

2.1 工程现状

樊口泵站位于湖北省鄂州市樊口，湖北省第二大湖泊——梁子湖水系的长江入口处，是综合治理梁子湖水系的大型电力排涝工程[2]。泵站装机4×6 000 kW，装设2台40CJ-95型和2台40CJ-66型轴流泵配TDL535/60-56型同步电动机，设计提排流量214 m3/s, 为Ⅰ等大⑴型泵站。承担着梁子湖流域3 265 km2的排涝任务，区域涉及鄂州、武汉、黄石和咸宁4个地市。

樊口泵站自动化控制系统于1999年11月进行了第一次更新改造，自动化控制系统基本实现了对所有设备进行保护、监控和自动控制[3]。

2.2 存在的问题

樊口泵站自动化监控系统已运行近20年，随着计算机网络技术、PLC控制技术及电力电子技术的发展，现有的自动化控制系统已不能满足泵站运行管理的要求，已不能全面、实时、准确地采集泵站运行中的各种信息[4]，不能保障泵站安全运行。主要表现在：①PLC之间通信数据交换受现场环境等因素影响，系统稳定性差；与上位机通信采用RS485串口通信，通信速率低，实时性弱；②采用多串口设备联网服务器NPORT SERVER PRO连接微机保护系统、微机励磁系统、测温系统、直流电源系统，数据上传形式采用以太网，速度慢，通信质量差；③计算机监控系统网络拓扑采用总线型网络，不具备设备冗余和链路冗余功能，其数据传输效率和网络可靠性不高，具有系统网络通信瓶颈。④计算机监控系统软件功能单一，无法实现数据采集的冗余。⑤微机励磁系统未采用双通道励磁调节器，在采样部分或脉冲部分发生故障时引起励磁系统的故障。

因此，樊口泵站于2016年3月对泵站自动化监控系统进行二次更新改造，改造内容包括PLC控制系统、计算机监控系统，励磁系统及自动化元件等[5]。

3 自动化监控系统改造

3.1 改造前的PLC控制系统

原PLC控制系统采用日本三菱FX2N系列PLC, 每套PLC加装RS485BD通信模块1个，采用令牌总线，PLC之间通过N:N链接通信协议自动数据交换，PLC之间数据共享，1-4#机组PLC、公用PLC、辅机PLC、启闭机PLC 7个站点分别通过编程口经多串口通信服务器与上位机通信。系统结构图如图1所示。

图1 原PLC控制系统结构图

该控制系统存在如下问题：①依赖于总线的通信系统，采用集中式管理，节点多；②节点之间相互制约，总线节点通信中断，易造成多个PLC之间数据通信中断，影响通信系统的运行；③与上位机通信采用串口通信的，速度慢，可靠性差。

为减少上述问题的发生，提高通讯速度和可靠性，增强系统运行稳定性，提出了自动监控系统改造控制目标是实现独立管理，保证数据的实时性和稳定性。

3.2 改造后的PLC控制系统

采用以GE PAC3I冗余热备PLC为控制核心的自动控制系统，GE Fanuc PAC Rx3i冗余热备系统是一种基于GE Fanuc最新高端控制器PAC以及独有的工业现场总线Genius网的先进热备系统，系统采用了两套独立机架，保证了电源、CPU、背板、通讯等所有系统关键器件的全冗余，并实现系统和上位机的以太网通讯冗余[6]。系统采用独立的通讯模块进行数据同步，并有相应的控制机保证两套PLC系统切换的及时和稳定。系统共设置有4台机组LCU柜、1台公用LCU柜、1台辅机LCU柜及1台启闭机LCU柜，另外每套LCU柜配置15℃以太网的触摸屏。

Rx3i冗余热备系统结构示意如图2所示。

图2 Rx3i冗余热备系统结构示意图

改造后PLC控制系统具有如下特点：①各现地控制单元为独立的单元，该结构采用冗余配置的热备系统，可实现两套CPU之间的无延时自动切换，降低了故障对系统造成的影响；②PLC配置的串行通信模块与现地智能设备直接连接，实现通信的实时性，通信效率高，PLC可对数据进行采集、处理和控制，保证了数据传输的稳定性和可靠性，响应速度快；③现地控制单元配置的人机交互界面，可实现脱离监控系统独立运行；④该PLC控制系统可通过自身的以太网接口直接与上位机通讯，通讯速度快，可靠性强。

4 计算机机监控系统改造

4.1 原有计算机监控系统网络结构

原有的计算机监控系统配置有多串口通讯服务器[7]，经RS485/RS232与现地PLC、微机保护、微机励磁、温巡仪、电子电度表等通讯，通过其以太网接口与上位机通信，系统结构如图3所示。

这种方式本质上是采用集中式监控系统，是基于现场总线的实时通信系统，计算机部分出现故障会造成整个监控系统控制、监视的瘫痪。其次，在该监控系统中，数据采集、处理、存储、分析、统计等都由监控主机完成，监控系统主机负担重。

4.2 改造后的计算机监控系统网络结构

图3 原有计算机监控系统网络结构

改造后的计算机监控系统采用全开放、分层分布式、双星形网络结构，同一个网络系统中设置完全独立的2套单星形结构,所有PLC设备均同时接在2台交换机上,双星形网络具备了完整的冗余配置(设备冗余和链路冗余),可靠性和传输效率高，改造后计算机监控系统结构如图4所示。

如图4所示，该系统呈分层管理模式，以集中控制为原则组建主控级和现地级。主控级设置可实现数据服务器、操作员工作站和通信工作站功能。具体功能如下：①数据服务器是泵站上位机系统的核心，包括实时数据服务器和历史数据服务器，实时数据服务器负责泵站实时数据采集、实时数据管理、综合计算、机组优化运行、全流域实时水位监测、事故故障信号的处理和分析,以及SCADA系统的管理，历史数据服务器主要负责泵站的信息管理，历史数据以及历史事件的显示、存储和归档[8]；②操作员工作站负责泵站生产、运行的实时监视和控制；③通信工作站负责将数据上传至泵站调度室和省水利厅调度中心。

上述软件提供了梁子湖水系所有闸站的动态信息管理系统，可以在樊口泵站实时监视全梁子湖水系其他闸站的水位、 流量、水文等资料，为梁子湖流域防汛决策提供了第一手准确、实时、快捷的资料。

图4 改造后的计算机监控系统网络结构

5 励磁系统改造

励磁系统是同步电动机中最核心的组成部分，其中励磁调节器又是励磁系统最主要的组成部分[9]。为确保同步电机励磁系统稳定可靠，同步电动机励磁装置采用双调节器通道，励磁系统由二个独立的LH-WTH02励磁装置组成，相对于单调节器通道，系统稳定性高，可靠性强。双调节器通道采用冗余调节器通道，两个调节器互为热备用，一个工作，另一个可实现在线跟踪监视，若有通道发生故障，该调节器可实现无延时自动切换，保证系统正常运行。

6 结 语

樊口泵站自动化控制系统于2015年11月开始改造，于2016年4月改造完成。恰逢2016年汛期来临早，4台机组经过2016年4月13日至2016年9月13日，连续5个月的运行检验，运行稳定、安全可靠。通过樊口泵站自动化监控系统改造得出如下结论：

(1)基于GE PAC3I冗余热备系统和双星型以太网的计算机监控系统改造，系统的可靠性、稳定性高；

(2)PLC配置的串行通信模块与现地智能设备直接连接，提高 了通信的实时性，通信效率高，PLC可对数据进行采集、处理和控制，保证了数据传输的稳定性和可靠性，响应速度快；

(3)双星形网络具备完整的冗余配置(设备冗余和链路冗余),可靠性和传输效率高。

泵站自动化监控系统技术水平的提高，还减轻了运行人员的劳动强度，大大改善了泵站运行环境。

樊口自动化监控系统改造，大大提高了泵站运行的安全可靠性和提排水的实时性，确保了梁子湖流域工农业生产、交通运输的稳定发展和人民生命财产的安全，创造了巨大的社会效益和经济价值。该系统改造对大中型泵站自动化监控系统的改造具有很好参考价值和借鉴意义。

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[1] 周小庆.泵站自动化技术研究[J].水利水文自动化，2003,(4)：35-38.

[2] 姜乃昌. 泵与泵站[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[3] 王学明. 泵站自动化的发展趋势[J].科技信息，2011,(23).

[4] 谭健华. 机电自动化控制技术在排涝泵站中的应用[J].自动化应用，2016,(5).

[5] 梁梦颖. 浅议泵站自动化系统的设计与应用[J].科技与创新，2015,(10).

[6] 杨庆九. 泵站自动化技术的发展趋势分析[J].中国高新技术企业，2015,(12).

[7] 令狐金卿,李泽滔. 泵站自动化技术的探讨[J].现代计算机(专业版)，2011,(6).

[8] 高春宝. 玉田县泵站存在问题及对策[J].水科学与工程技术，2010,(5).

[9] 周 元. 自动化控制技术在泵站中的应用[J].科技资讯，2009,(31).