基于PLC控制的双机热备控制系统在水利设施中的运用

黄桂林

深圳市茅洲河流域管理中心 广东 深圳 518000

1 前言

为了解决流域面积约32km2的某片区内涝问题，在某河口建设了 170m3/s 的大流量排涝泵站（单泵流量 34m3/s 的竖井贯流泵，总共 5 台机组），装机容量为 5×1600kW=8000kW，属大（2）型，工程等别为Ⅱ级，于是保障整个排涝泵站的稳定运行是一个需要解决的问题。泵站建立时，我们已经建立了一套泵闸综合自动化监控信息系统，所以数据的重要性热备份尤其重要。我们预想建立冗余系统，在正常情况下双机热备系统[1]中两套设备都处于热机状态，一旦一套系统出现故障，另一套设备将立即接管所有运行任务。完成主、备机之间进行的切换，切换时间主要由所使用的控制器来决定。运行的切换时间为1秒，采用PLC控制器可以将系统的切换时间控制在10毫秒以内。

通过双机热备系统，不仅保障了防洪排涝工程在下年度汛期内能安全可靠运行，而且更全面发挥工程的经济和社会效益。对水利行业的发展前景有着深远的意义。

本文结合深圳市某泵站的双机热备控制系统的运用，论述该设计的要求及标准、冗余系统的设计思路、系统运行成果效益分析等。

2 设计的要求及标准

设计要求：1.在进行主备切换时，热备用在系统正常运行时，为了防止系统突然故障引起的数据丢失，热备份使用公共存储器来保存现场数据。2.冗余计算机监控系统需实时采集控制设备和运行数据，存入数据库。特殊及故障情况下能随时召唤各设施的计算机监控系统，直接采集数据；3.根据采集的数据信息，记录每个事件发生的时间和性质，并进行各类有关参量的综合计算，生成各种监控管理、分析指导数据（水位、流量、电压、电流油温、报警记录日志），每分钟更新实时数据库，并存入历史数据库。4.功能有安全运行监视、事件报警状态监视和计算机监控系统设备故障监视。5.设计要求操作简单，后期易维护。

设计标准：本次设计参考标准主要依据电力系统设计、《水利发电厂计算机监控系统设计规定》、水利发电厂计算机监控系统基本技术条件、水利发电厂计算机监控系统运行及维护规程、电气设备用图形符号国家标准汇编、《泵站施工规范》相关标准进行。

3 双机热备系统（也称冗余系统）设计思路

设计思路：通过 PLC 的各类型输入输出端口，对水利工作现场进行实时数据采集，对就地控制单元层各 LCU 的电气和非电气量，有关过程参数（包括温度、模拟、报警等）和来自调度中心的数据、命令，一并存入上位机数据库，方便管理层随时掌握防洪工程运行工况。以数据库为存取节点，通过 1000M 以太网将调度中心、调度层各工作站服务器与各设施相连接，并将系统运行的关键数据同时在两个互为备用 PLC 系统之间呈镜像存在并实时更新,形成了双机冗余热备份， 实现两套 PLC 控制系统无扰动相互切换及自动控制。

根据泵站自动化系统现状，分别采用处理器 PLC 冗余、IO 冗余、通信冗余、上位机双机热备的方式实现整个系统的可靠运行，配置如图1所示。

图1 系统配置图

冗余系统配置：根据泵站自动化系统现状，分别采用处理器 PLC 冗余、IO 冗余、通信冗余、上位机双机热备的方式实现整个系统的可靠运行。双机热备系统构成：系统之间都是双套的硬件设备，双 CPU 之间有光纤连接，双 IO 模块，双电源，双通讯，相当于一个工作指令有一个正在工作而另一个正在等着工作。

冗余系统内部软件 CPU 执行过程如图2所示。

图2 CPU内部执行流程

根据配置，程序开始运行后，在初始化里将一套系统默认为主机，另一套默认为备机，根据硬件通道的设置在主机的对应端口输出主备信号，备机同时开始接收信号并反向输出给主机，同时采集数据，同时输出信号，主备监测切换框图如图3所示。整个系统在 PLC 的基础上，采用 Standby 工作方式，利用双光纤通信冗余来保证两个系统之间能够安全有效同步运行，系统在两个系统之间传递，刷新10ms，出现故障后，能及时进行自动切换实现自动控制水利设施。

图3 主备监测切换

数据传输分析：PLC 通过 IO 模块采集现场传感器数据，如水位，电流，电压等，上位机通过光纤以太网访问 PLC，读取 PLC 采集上来的数据，进行逻辑控制并将数据保存在实时数据库里如图4所示。主 CPU、热备 CPU 之间通过光纤连接，机组的输入输出扩展板采用双份相同配置进行热备，通过专用的二合一模块连接至每个外部传感器和输出设备，同时采集数据，同时输出数据，实现无间隙自动切换到另外一个系统工作。

图4 数据保存

PLC选用：近年来，随着 PLC 技术正飞速发展，特别是近年来应用越来越广泛，成功应用在水利设施控制及网络等方面，诸如：西门子、三菱、ABB 等几大家，施耐德[2]系列 PLC 在中国市场深耕多年，特别在水利行业占据了半壁江山。经过几十年的应用，其可靠性、易用性已经得到了很好的证明。其在能源与基础设施、工业过程控制、楼宇自动化和数据中心与网络等市场处于世界领先地位，在住宅应用领域也拥有强大的市场能力。其中，施耐德电气 Modicon M580[3]控制器在通讯采集方面独具优势，具有很强的通讯组网能力，并且操作较为方便，在其他方面使用起来比较容易使用，如运动过程、网络等均广泛用在军用控制系统（军标一次加固大、中、小型 PLC）、机械装备控制系统、自动化工程项目。施耐德电气 ModiconM580 系统控制器是一款基于以太网的多通信接口，数字量、模拟量混合型 PLC， 在装备控制、楼宇控制、物联网等数字量、模拟量混合应用中可以最大程度的节约控制器成本，给项目效益提供更好的保障。

4 系统运行效果分析

效果分析如下：（1）数据采集和处理功能：冗余监控系统中控室层自动周期性地实时了采集现地控制单元层各 LCU 的电气和非电气量及有关过程参数数据，包括温度量、模拟量、状态量、报警量和脉冲量等和来自调度中心的交换数据和命令，并存入数据库；接收 LCU 送来的开关量变位、模拟量测值越限和部分温度量变化趋势越限等信号。（2）人机联系功能：冗余系统人机联系界面友好、实用，当设施发生一连串事故动作，中控室出现众多报警信息，让值守人员易于识别、直接查到事故的原因。全站所有设备的操作事件、报警事件及报表，都存于数据库并可记录下来,并能在LCD 上显示和打印出来。（3）运行记录信息：冗余计算机监控系统能实时控制设备和采集运行数据（水位、压力、温度等），运行数据每分钟更新一次，并导出EXCEL表格，存入数据库。（4）报警事件信息：满足了根据采集的数据信息，记录了每个事件发生的时间和性质，并进行了各类有关参量的综合计算，生成各种监控管理、分析指导数据、并每时每刻记录报警事件信息。（5）效益分析：1.经过多轮龙舟水，服务片区也多次遭受暴雨和强对流天气影响，比如2020年度深圳市气象局在含泵站服务范围区域共发布暴雨黄色预警24次、暴雨橙色预警1次，遭受强降雨或暴雨天气41天，由冗余系统控制机组试运行后， 运行数据均正常，保障了整个系统的可靠运行。从改造到现如今长达两年的连续运行也无任何系统故障造成停机现象。满足设计要求标准，后期维护也简易。2.排涝泵站的工程效益主要表现为排涝效益和防洪效益。排涝效益为工程实施后所减免的涝灾损失，在泵站未进行自动化系统冗余系统设计前，曾发生了数次因系统故障造成泵组停机的现象，其中典型的是2018年山竹台风致电缆进水重大事件，造成某些数据的丢失等。泵站自动化冗余系统设计至今已经正常运行了两年多，经历了两次的汛期开机运行检验，没有出现自动化系统宕机的情况。其可靠性得到了实际验证，水位、供水温度、压力、电机电流、电压等数据均正常，且每分钟更新数据。鉴于排涝泵站在防洪片区减负的特殊防洪责任，保证了防洪排涝的正常运行，创造了社会效益数据分析如表 1 所示。

表1 社会效益

5 结语

在此次项目中，学会了用PLC控制的机电设备系统在水利行业中的更多应用，也增强了自己的项目统筹管理经验，在本次设计中涉及很多方面的专业知识，比如监控系统的结构及设备选型及运用、系统运行程序的编辑、冗余软硬件的配置及对采集系统图的理解等等。在整个数据采集过程中态度决定一切，耐心也是决定成功的关键。目前深圳市水利行业自动监控的冗余控制设施部分还有更大的空间发展，本文中的设计理念及应用的工程到后期两年的机组运行就是一个不错的尝试，可以能够为类似项目做个借鉴参考。