水利灌区泵站计算机监控系统设计

边玉国,杨永聪,郭志成

(1.兰州工业学院电气工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省白银市刘川电力提灌工程管理局，甘肃 白银 730900)

0 引言

随着经济发展，水资源的战略地位日益凸显，高效利用和有效管理成为世界各国水资源关注的焦点。作为农业大国，我国的水利建设现代化势在必行。

泵站作为一种重要水能利用工程，对我国地方经济发展起着重要作用。我国农田灌区大多数泵站已运行了几十年，在灌溉、防洪抗灾方面发挥了巨大的作用，但在技术水平，工程质量、管理以及经济效益等方面相对落后。这些运行多年的泵站，已难以满足水利行业信息化建设的要求，急需自动化改造。

1 系统结构

泵站计算机监控系统按照“无人值班(少人值守)”的原则进行设计和配置。系统采用全开放、分布式模块化的冗余结构，以“分层控制、集中管理”为原则，采用“遥测、遥信、遥控、遥调”的“四遥”功能配置，结合先进计算机技术，实现自动化控制。

系统结构如图1所示[1-3]。

图1 系统结构框图

系统采用集散式的系统结构，分为主控级、就地级。主控级和就地级采用快速10 MB/100 MB工业以太网，每个泵站监控系统除能独立运行外，还同时与灌区远程管理级的梯级泵站联网调度管理中心连接。

主控级设于泵站控制室内，设计采用1台主控计算机和1台数据服务器，以双机热备用冗余方式运行，设置1套不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)电源，供主控计算机、数据服务器等使用，同时配置辅助和外围设备。主控级完成对泵站的就地监测、控制，是整个泵站的集成管理核心，也是未来联网调度系统集成功能实现的核心。

根据灌区泵站特点，每个泵站就地级采用现地控制单元(local control unit,LCU)，由高性能可编程控制器及触摸屏等组成，直接面向生产过程，负责对现场设备进行监视和控制。就地级接收生产现场各种设备和传感器的输入信息，并上传实时信息给主控级；同时，接收上级控制主机的控制命令，驱动现场执行机构进行逻辑控制[4]。

为了确保监控系统安全、可靠、稳定，泵站设计为独立运行的计算机监控系统。主控级和就地级采用以太网实现数据通信，就地级与就地传感层设备组成MODBUS现场工业总线网络。微机保护装置和直流电源系统通过RS-485串行通信方式与就地级进行通信；信号传感器通过RS-485串行通信接口或4～20 mA输出与就地级连接。

主控级系统设于泵站厂房中控室内，通过工作站监控系统人机界面，显示现场设备的运行参数与状态；同时，下发控制和调节命令，监视就地控制单元对命令的执行。主控级、就地级连接图和计算机监控系统结构图分别如图2、图3所示[5]。

图2 主控级、就地级连接图

图3 计算机监控系统结构图

信号采集是控制系统的“眼睛”。科学合理地设计信号采集，是实现整个泵站计算机监控系统的关键。泵站监控系统的信号采集设计如下[6]。

①电气量信号(电压、电流、有功、无功、功率因数和频率)测量，通过微机综合保护装置进行测量、采集；输出采用MODBUS RS-485协议，利用PLC串行通信模块进行集中监控。

②出水管道流量采用管道式电磁流量计进行测量，输出采用4～20 mA模拟量和MODBUS RS-485协议，通过PLC模拟量输入模块进行瞬时流量的采集；通过PLC串行通信模块进行累计流量的采集。

③出水管道压力采用压力变送器进行测量，输出采用4～20 mA模拟量，通过PLC模拟量输入模块进行采集。

④LCU主要完成对整个泵站机组及其辅机的数据采集及监控功能。其设计必须保证当它与管理级上位机系统脱离后，仍能实现对有关设备的监视和控制功能。

⑤各泵站主控级配置5 kV在线式UPS，为主控计算机、网络交换机、全球定位系统(global position system,GPS)校时装置、打印机提供可靠不间断电源。

⑥泵站采用防雷击、抗干扰能力强的防雷系统。除了泵站自身建筑物采用避雷针避防直击雷外，还从设计上配置了电源和信号避雷设备，以防感应雷对核心设备的破坏。

2 设计内容

2.1 数据采集与处理

为了实时了解泵站就地设备和参数的运行状态，必须对其采集和处理[7]，具体包括以下几方面内容。

①模拟量的采集与处理；

②SOE开关量的采集与处理；

③状态开关量的采集与处理；

④脉冲量的累计与处理。

2.2 运行监视和事故报警

泵站实时采集设备、参数状态的数据将会在人机界面中显示、记录。当出现不合理状况时，泵站发出相应声光信号，可提醒工作人员注意并作出相关决策，具体包括以下几方面内容[8]。

①运行实时状态监视；

②参数越限报警记录；

③故障状态显示记录。

2.3 控制与调节

当泵站实时采集的数据出现不正常或越限时，监控人员将会作出相应决策，下发控制和调节命令，改变就地设备的运行状态。相应控制和调节对象主要有变压器、电容器、水泵机组、辅机、进出水电动闸阀等。其中，辅助电器主要为真空泵、排污泵、通风机、行车等。

出水压力的调节通过电动闸阀开度控制水泵机组的转速来实现，并根据出水流量的大小进行出水压力调节。

2.4 人机界面

泵站计算机监控系统的监控操作采用最新图形图像技术，动态模拟现场运行工况的画面进行人机交互。监控软件操作画面主要包括泵站工况模拟图、泵站电气主接线图、泵站辅机工况图、泵站直流系统图、泵站主要工艺参数趋势图、系统报警图、操作日志、系统管理、打印设置等人机界面[9-10]。

泵站工况模拟图为泵站计算机系统的主运行画面。该画面实时显示各机组开关、运行状态、机组温度、前后池水位、出水管道流量、出水管道压力、电动阀门开关位置及运行状态、站扬程、统计泵站抽水流量、日抽水流量和站效率等参数。

泵站电气主接线图画面实时反映了泵站高压进线、站变、低压出线、母联、电容器的工作状态和各种电气参数。泵站各台机组的电气参数包括电压、电流、有功、无功、频率、功率因数、站日用电量等。

泵站辅机工况图实时监视泵站各个排污泵、真空泵和通风机组的开关和运行状态；同时，实现对各个辅机的远程控制。

泵站直流系统图实时监视直流系统的合闸母线电压、控制母线电压、蓄电池巡检参数、绝缘监测参数、各馈路输出电流、交直流输入/输出状态及故障等参数，并以图形直观地实时显示。

泵站主要工艺参数趋势图主要是对泵站的机组温度、出水管道压力、出水管道流量等参数进行时间趋势曲线的跟踪。

3 结束语

为了促进泵站管理工作的现代化，本文设计了一套灌区泵站计算机监控系统。系统通过两级设置、工业以太网、简单易懂的人机交互界面，实现了对灌区泵站设备和运行状态的自动监控，改变了过去落后的人工监测方式，为运行人员及时、准确、全面地掌握设备状况和参数变化、及时处理故障提供了保障。