马家吉泵站自动化控制系统应用与研究

李朝严

（常德市城区水利泵站管理处，湖南 常德 415100）

前 言

常德市马家吉泵站总装机容量为11 000 kW，排水总量为86.6 m3/s，属二等大（Ⅱ）型泵站，主要承担着城市的防汛排涝作用，在汛期必须确保泵站机组的安全可靠运行。排涝标准为20年一遇7日暴雨7日末排至内湖控制水位，内河水位不能超过33 m（吴淞高程），洪水位34.5 m。随着城镇化快速发展，城市人口的增加，城市防洪排涝的任务越来越重，受城区河道水位和周围河水水位的影响，泵站机组和水闸的开启/关闭日益频繁，增加了泵站运行管理的难度，因此，将自动化控制系统应用在马家吉泵站中，可优化泵站的管理模式，将人工操作转变为自动化运行，实时监测城市水位、水情，并根据实际情况，采取有效的应对措施，提升泵站反应速度，减少操作人员数量，降低防洪排涝运行成本，确保城市安全。

马家吉泵站自动化控制系统主要由计算机监控系统、调度监控中心、通信系统、远程控制系统、照明控制系统、视频监控系统、安全防护系统以及指挥系统构成，可以实现防洪排涝泵站的实时水位监测、远程控制、闸门运行数据监测以及安全防盗等功能，实现马家吉泵站的自动化控制[1]。见图1。

图1 马家吉泵站自动化控制系统图

1 计算机监控系统

泵站监控系统实时对泵站机组、电动机软起动设备、10 kV线路断路器、厂用电系统及全厂公用系统设备的运行参数进行检测并处理。控制室监控主机是泵站计算机自动控制系统的上位机，主机利用以太网开展通信活动。系统软件能够检测主机的运行状态，并跟踪判别其通信状态以及软硬件的使用状态。以下介绍系统的主要功能：

1）联网功能。该自动化控制系统可与管理所局域网相连，通过密码保护模式保障信息传输的安全，系统能够向局域网传递调度与控制指令，同时局域网也能获取系统的实时运行状态信息。通过光纤与上级变电所联网，通过网络接收带密码的上级调度、控制指令，在线传输各种电气数据。

2）数据采集与处理功能。自动化控制系统具备数据信息采集与处理功能，收集泵站、节制闸等各个关键设备的实时工作数据及其对应的状态信号，并分别建立数据库进行整合、处理与存储。

3）统计与计算功能。统计与计算是系统的基本功能，包括对电量、水量、故障、构建参数、运行时间等各种内容的统计处理。

4）参数在线修改。系统中按特定程序开展工作，能够准确判别各系统运行状态，并对其出现偏离的参数及公式进行在线修改。

5）控制与调节功能。系统设人工操作自动控制和优化调度自动运行方式选择功能。

①人工操作自动控制和调节。该自动化控制系统受技术人员的操作控制，技术人员能够利用相连外设输入或者修改系统运行状态以及控制命令，实现对机组运行状态的控制。系统人工与自动控制的内容有开关操作（设备开关、闸门开关等）。技术人员只需通过设备使用界面触碰控制键就能实现以上操作。当技术人员触碰界面后会自动弹出控制模拟键和操作流程图，技术人员可根据实际工作需求选择不同的功能，实现人工操作与自动调节控制并行的工作。

②优化调度自动运行。该自动化控制系统能够在保证机组运行安全、避免机组运行在气蚀和振动区域的前提下，检测自身调水量、上下游水位及泵组的运行效率曲线，并根据以上参数优化调度运行程序，构建最佳运行模型，再根据最佳模型调整泵站机组开机台数与水泵叶片角度，这样就能够让泵站机组达到最佳运行工况，在满足排水应用的基础上降低机组能耗，保障整个控制系统的经济性。系统的自动运行程序能够控制每台参与经济运行的机组，并对其发出相应的控制指令。此外，技术人员也可以通过工作屏幕进行人工操作，发出相应的调节指令。此外，参与经济运行的机组也可提前由技术人员进行设定，系统在运行控制的过程中将会对不同的机组进行功能识别，并做出对应的控制处理。

自动控制系统的程序还能够在保证安全运行的情况下调整调度下达的过闸流量，并且不断优化调度运行程序的编制，根据实际情况确定闸门开启孔数，使其达到最佳的运行以及开度状态。此外，自动化控制系统还具有恒定流量自动闸门控制功能，该功能能够根据上下游水位的变化定时自动调节闸门开启高度，保持流量恒定。

6）设备运行统计记录及生产管理。自动化控制系统可对系统内部各设备的运行情况进行监督与记录，并将相应的设备信息提交给生产管理人员。该系统功能统计的内容包括设备运行状态信息、运行时间信息、状态变位信息等，并且能够对设备状态信息进行判定，及时发出警报。此外，系统还将对参数越限及定值变更等情况作出统计记录，自动生成各类报表、日志，进行打印操作。

7）画面显示。系统具有丰富的画面显示功能，技术人员可以使用人工召唤方式获得系统画面。此外，系统还允许自动调用，比如当系统出现故障时，就会自动退出故障相关的画面，供技术人员进行分析和处理。同时技术人员也能够根据自己的功能操作需求召唤出相应的画面，其画面类型较为丰富，包括各单线图、曲线、报警画面、运行指导、表格等。

8）语音报警功能。当需要对重要操作进行提示以及监控数据、机组控制异常时，本功能可以准确、清晰地用汉语向运行人员发出报警。

9）人机联系。运行人员通过屏幕、键盘、鼠标等实现对泵站、节制闸运行的监视、控制、调节、在线修改定值、画面调度、报表显示和打印等功能。利用交互式人机接口软件可以通过人机对话方式实现各种监视和控制功能，使应用简单、方便、灵活。

10）系统自检、自动重启动、系统诊断和仿真培训。自动化控制系统具有智能化的特征，具备自检功能，能够感应软件任务超时或过程通道故障问题。当软件超时时就会启动系统故障自检功能。通道检测包括对I/O过程通道在线自动检测，检测的内容有通道数据有效性合理性判断、故障点自动查找及故障自动报警等功能。

2 调度监控中心

调度监控中心主要由电视墙、大屏幕、工业计算机、通信设备、监控摄像头、UPS电源以及存储设备等构成，调度监控中心将安装在马家吉泵站各个位置的高清摄像头采集的数据信息实时传输到调度室的大屏幕和电视墙上，调度人员可以通过大屏幕实时了解到监控区域水闸设备的运行状态、城市外河水位高低、降雨量等数据信息，并根据监控系统采集的数据信息，对未来水位、水量等进行预测，控制计算机进行远程操作，及时进行排水。调度监控中心还可将采集的数据信息保存下来，为后期泵站的维修管理提供参考。

3 通信系统

通信系统是整个马家吉泵站自动化控制系统的技术支撑，负责将马家吉泵站监控系统采集的视频数据、图文信息、数字信息等数据传输到调度监控中心，监控中心根据采集的数据信息，判断出泵站的运行情况，从而实时了解城市河流水位、水量信息，一旦发现水位超警戒线或水量比较大，则立即进行排涝，可以有效防止城市积水。马家吉泵站的自动化控制系统对通信质量要求比较高，一旦通信网络出现问题，则可能导致数据信息无法及时传输或者传输延后，影响到泵站的安全运行。因此，马家吉泵站自动化控制系统采用工业以太网，可实现单台机组的控制以及远端网络中心的连接。工业以太网与外网进行物理隔离，将其作为一个独立的通信网络，确保数据传输的安全性和稳定性[2]。

4 远程控制系统

远程控制系统主要由计算机、PLC控制器、控制屏等构成，根据马家 土口 泵站的实际情况，对外河的水位、水量进行监测，根据监测结果，发布各种控制命令，从而实现计算机远程操作闸门的开启和解锁、闸门止水开关的投入与投切、水泵的停止和运行等。如果在运行过程中，发现泵站的水位比较高、水量比较大，则立即采取相应的措施，以免造成城市积水内涝。

5 照明控制系统

由于马家土 口 泵站白天和夜间的光照条件不同，夜间光线比较暗，为了让摄像头可以实时采集到水位信息，需要在防洪排涝泵站安装照明灯，并合理布置光源和光照角度，让各个位置可以获得比较好的照明条件。马家吉泵站采用智能控制系统，对每一个灯光回路进行控制，根据不同时间段智能控制系统可以自动调节灯光的明暗、数量，在夜间的时候，通过计算机远程控制室外的照明灯，白天将室外的照明灯关闭，从而达到节能的目的[3]。

6 视频监控系统

视频监控系统主要由高清摄像头、光端机、存储器、监控器等构成，主要对泵站的设备、环境以及人员进行监控，及时发现泵站设备异常、水位异常、水力异常情况，从而采取有效措施，确保城市居民的安全。可以让调度监控中心工作人员直观地了解到内外河的水位、水量信息，以及设备的运行情况，一旦设备出现故障，可以调看视频画面信息，为设备故障的诊断提供参考；数据分析是通过采集的画面数据，进行分析，找出异常。

7 安全防护系统

安全防护子系统包括红外线报警器、安防主机、喇叭、安防探头等。利用这些设备，可以实现各个水闸的无人值守，一旦有人或者动物进入到安全防护区域，报警器自动发出警报，监控中心的工作人员可通过视频监控画面了解到防护区域的实际情况，检查闸区的安全。马家吉泵站自动化控制系统设置有多层安全闭锁装置，对控制设备的运行做出严格的控制，在无法满足闭锁要求的前提下，控制室无法进行操作，这样可有效避免人为随意操作，避免闸门过度开启或者关闭，可以延长闸门开关设备的使用寿命[5]。

8 指挥系统

指挥系统主要是在关闭或者开启闸门的时候，及时对河流的船只进行指挥，要求他们尽快撤离，以免发生意外。

9 结 语

该自动化控制系统原理是以传统水力学模型为基础，采用先进的计算机技术，结合三维GIS、智能视频分析等新技术，以河道一张图为展示工具，实现信息采集、泵闸站自动监控、智慧调度决策等多种功能。该项目的建成能为泵站的安全稳定运行保驾护航，对提高常德城区及周边堤垸抗涝能力，确保涝区防洪排涝安全，提供重要保障。