自动化控制系统在泵站中的设计与应用

陆 明

（上海高诚智能科技有限公司，上海 201101）

0 引言

南汇北泵站位于上海市浦东新区，属于青草沙水源地原水工程的一个支线工程。该项目主要内容包括输水管道和南汇北泵站。管线自五号沟泵站围墙起，沿A30、金海路、华东路至金海泵站，线路长度约9.0 km，采用DN2800 双管。绝大部分采用顶管施工，管材为钢管。金海泵站进站控制压力14.0 m，原水到达金海泵站后，一部分水量转输至金海水厂，一部分水量提升后分别向川沙水厂及南汇北泵站方向输水。转输和提升的流量规模分别为80 万m3/d、20 万m3/d 和108 万m3/d。南汇北泵站输水规模为108 万m3/d，安装5 台卧式离心泵，采用变频控制，主要向南汇惠南水厂、航头水厂、南汇北水厂提供原水。泵站工程自动化系统包括：工艺过程的自动控制和自动调节，运行控制系统；各种检测仪表；泵站的集中控制、信息管理系统；具体包括泵站内计算机监控系统、网络系统、现地控制系统、35 kV/6 kV 及0.4 kV 监测系统等。

1 系统功能特点

（1）南汇北泵站自动化控制系统采用分散控制、集中管理的方式，设置泵站集控室，控制、管理泵站的运行过程，实现泵站运行自动化，集控室采用C/S 架构形式的计算机局域网络。

（2）泵站监控系统可以接受集控中心的调度命令，上级集控中心仅对泵站上传的信息进行监视，不做远程控制，下级控制的优先权高于上级；泵站监控系统与集中控制中心计算机系统之间的通信，通信方式和通信协议满足集中控制中心计算机系统的要求。为确保泵站监控系统与集控中心计算机系统之间及时、安全和稳定通信，泵站监控系统能与集控中心计算机监控系统实现无缝连接。

（3）每套泵组设置一套现场PLC 控制站，独立控制泵组系统启停。对泵组系统中的轴承温度、电机温度、6 kV 变频器等电气参数进行实时监控。在泵房控制室设置PLC 柜，完成泵站工艺和35 kV/6 kV 及0.4 kV 变配电系统的监测。

（4）每套机组设置振动监测系统，对泵站机组进行实时振动监测及运行状态监视，确保每台泵组工作在最佳工作状态，延长设备使用时间，有利于机组节能运行。

（5）主要机械设备配备现场手动控制按钮和现场手动控制界面。人机界面功能强大、操作简便，全中文界面，具有语音报警功能。

（6）对泵站上游管网及下游受水厂的流量、压力的监测，分析受水厂的进水水质，通过无线通信专线的方式接入泵站集控室。系统设有统一的GPS 时钟系统以进行对时和时钟校正。系统配备统一的GPS 时钟服务器，用于时间同步和时钟校正。

2 网络结构

泵站自动化控制系统由中心集控系统和现场控制层组成。由泵站工艺和35 kV/6 kV 及0.4 kV 变配电监控系统、主泵机组PLC 以及各PLC 至监控对象设备的现场总线和I/O 设备，构成现场控制层。

（1）中控室监控装置之间连接采用100 M 以太网，通信传输介质为网线。

（2）现场就地控制单元层主干网络采用环型结构100 Mbps工业以太网，传输介质为光缆。

（3）中控室与所辖管线及水厂监测点之间通信信道采用GPRS/CDMA。

（4）PLC 控制柜与变频器、软启动器、低压柜智能开关、电力网络仪表、变压器、温控器、UPS 之间通信，传输介质为屏蔽双绞线、通信协议为MODBUS RTU。

3 泵组工艺流程

（1）根据上级下达的水量需求指令进行输水泵组控制。

（2）主机组水泵和阀门开停一步化操作顺序：机组投入运行时，先开泵，待出水管道压力达到设定值时，再开出水阀门；机组退出运行时，先关出水阀门，再关水泵。变频水泵控制根据出水总管压力或流量反馈，控制变频电机转速。

（3）自动增减运行泵数量时，根据泵运行时间选择泵，实现泵的均衡工作。运行时间相同时，按泵的顺序启停。

4 计算机监控系统

（1）操作员站。作为监视和操作的主要手段，操作员与操作员站之间的交互是通过操作员使用的计算机、打印机、键盘或鼠标来实现的。操作员站仅允许进行系统设备的监视，控制调整和参数设置之类操作，不允许修改或测试各种应用程序软件。操作员通过键盘或鼠标选择菜单，完成操作控制任务。操作之前，首先输入密码，调用相关的控制对象屏幕，然后选择对象。屏幕上的被控制对象应有“显示反应和选择无误”的提示，操作者确定目标后才可进行相关操作。操作员在操作员站上输入密码后，能够方便、准确地设置或修改操作模式，设置操作参数，巡查时间，优先权等。

（2）工程师站。完成系统生成和启动；系统管理维护和监控设备的软硬件/通信故障诊断；应用软件的图形开发和修改，以及工业数据库的修改、各种报表的生成。

（3）SCADA 及I/O 服务器。主要完成各类实时数据的采集、生成与存储。系统中的两台SCADA 及I/O 服务器必须支持双机冗余，并且须保证冗余切换时间低于1 s。冗余切换过程中应保证实时数据、历史数据、报警数据的完整。故障恢复后，故障期间的历史数据、报警数据应能够自动同步，不会丢失。系统能够提供与分布于现场的设备（如RTU、PLC 和DCS）通信服务的能力，与主流PLC、DCS 通信，支持串口或者现场控制网络。

（4）运行监视。集中控制室通过液晶显示屏和操作终端等显示设备监视泵站的生产过程。液晶显示屏动态显示各主要设备的状态、主要现场数据。例如，各台泵组运行状况、出水流量、进出水压力、下游水厂水质数据、工艺参数、电力参数、电量数据和事故报警等，用于全盘掌握泵站的生产运行过程。

（5）运行控制。集控室的运行控制由操作终端实现，主要是对泵站的生产工艺过程进行调节，以及对生产工艺进行控制。集控室原则上不直接参与现场设施的具体控制，主要用于操作监控和调度、参数设置和信息管理。集中控制室将单体或节点的操作控制目标分配给每个过程单体控制系统，并命令一组特定的过程设备投入运行或停止运行。对于允许在集中控制室投入运行的设备或设备组，特定的控制过程由单个控制系统管理；对于禁止在集中控制室内投入运行的设备或设备组，单个控制系统将控制它们退出运行，并且该设备被标记为不可用，将不再被激活。

（6）数据管理。集控室是泵站运行进程的数据中心。集中控制室数据库记录每个单独控制系统报告的现场数据。通过处理这些数据，可以形成历史数据库，生产报告和统计报告等。

（7）报警处理。当泵站工艺过程或设施运行出现异常时，监控系统立即响应，发出声光报警提示信号。①声报警。由安装于操作客户端的音箱发声，声报警在确认后消除；②光报警。操作客户端闪烁显示报警内容，光报警在故障消除后，系统恢复正常后自动解除。

（8）事件处理。事件是指运行事件和重要的人工和系统操作，各事件按发生时间倒序排列。主要事件都要记入不可修改的历史数据库中。

（9）报表及打印功能。监控系统自动生成客户定制化的报表，如日报、月报、年报和效率报表等。报表中有实时数据和统计数据，可以插入说明文字。各种报表、曲线、报警信息等均可打印。

5 现地控制系统

本泵站自动控制系统所有设备采用PLC 控制实现，整个系统采用集散控制方式，根据工程运行管理机构的设置，整个系统运行调度方式分为三级。

5.1 远程调度级操作（第一级）

青草沙水源地集控调度中心控制人员可以通过调度计算机系统，经租用的电信、联通、移动通道与泵站的计算机监控系统通信，远程监视泵站的主要数据，暂不做远程控制。

5.2 泵站控制中心计算机/触摸屏（第二级）

（1）泵站自动控制。泵站计算机监控系统根据泵站工艺预先给定的流量压力及其他条件，自动控制泵站各泵组的启停以及附属设备。

（2）泵站手动控制。在操作员站上，操作人员通过显示器、键盘、鼠标等设备进行操作。可实现一键启动或一键停机，或者按照提示分步操作。

泵房控制室上位机与就地触摸屏具有相同级别权限，上位机操作权限与触摸屏操作权限，可通过操作软件实现相互切换和闭锁。

5.3 现地手动级（第三级）

（1）通过设备的机旁箱上按钮，实现就地设备的手动运行操作。

（2）现地控制权限为最高级别权限，通过现场设置的硬件转换节点与上级操作权限进行切换，能完全独立于上级工作，实现应急情况下的手动操作。该方式主要用于调试、试验以及紧急情况。

5.4 运行方式的切换

现场PLC 站级、水厂中控室监控系统均设有“手动/自动”两种模式，现地控制级设有“就地/远程”两种方式，均可根据需要自行切换。

当上位监控设备或数据通信网络发生故障，不影响机组运行，控制级可降级行使对所在单体的控制功能，维持泵站正常运行。操作人员也可通过各现场PLC 控制站的触摸屏，按照预先设置的运行模式，监控水泵等设备运行。

当主控制器出现故障退出运行或者触摸屏出现故障时，运行人员可以通过现地控制箱上的操作按钮控制设备。当主控制器运行正常而根据调试需要，运行人员可以通过现地操作箱上的按钮控制设备。

6 结束语

综上所述，随着社会经济发展，以及大量自动化系统的广泛应用，自动化系统已成为各种大型公共基础设施的必然选择。本文介绍的自动化控制系统在泵站中的设计与应用，可以实现对整个南汇北泵站的自动化控制，可以和上级调度中心通信，以及采集下游3 个水厂的各种参数。整个系统实现对现场设备的控制，采集数据的分析处理，并生成各种所需报表、趋势曲线和报警界面等，便于分析研究各种设备运行工况。该自动化系统运行以来，始终安全、可靠和稳定，为上海南汇地区提供了优质的长江原水，为供水调度提供决策依据，取得了较好的社会经济效益。