N500PLC在南水北调洪泽泵站智能监控系统中的应用

王从友

(南水北调东线江苏水源有限责任公司,江苏 南京 210019)

洪泽泵站是南水北调东线第3级抽水泵站,紧邻洪泽湖,兼具调水、排涝与发电功能,工程包括泵站、挡洪闸、进水闸及上下游引河等,2011年2月开工建设,2013年投运。泵站设计流量150m3/s,安装5台立式液压全调节混流泵,单泵设计流量37.5m3/s,净扬程为6.0m,叶轮直径3.15m;配套3550kW立式同步电机(具备反向发电功能),总装机容量17750kW;在泵站北侧岸墙安装2台500kW水轮发电机组。目前国内大多数泵站监控系统的控制器芯片、操作系统、数据库等严重依赖进口,自主可控水平低,设备安全稳定运行风险大。洪泽泵站国产化监控系统改造项目深入贯彻国家智慧水利、智能泵站发展战略,紧扣工业自动化系统自主可控研究热点。

洪泽泵站自动化系统运行近10年,设备性能及可靠性、稳定性逐年下降。陈建平等[1]提出基于PLC乳化液泵站自动监控系统,PLC能够自动控制,但稳定性差。丁稳房等[2]提出PLC在小型泵站监控系统中的应用,PLC可以代替继电器系统,并且能够实现运算、通信等功能,但很难实现不同业务之间的互动。叶沛洪[3]提出PLC控制技术在泵站自动化控制系统的应用,将PLC和监控系统结合起来运用,提高了监控系统的有效性,但整个系统维护比较难。针对传统PLC自动化系统开放性、交互性不足及故障分析能力弱、系统维护难等问题,本文通过关键技术研究、产品改进完善、示范工程应用等手段,研制了具备边缘计算能力的自主可控PLC,并实现了基于IEC 61850的标准化集成模式,研发了基于一体化管控平台的泵站监控系统,且实现了不同业务之间的友好互动。

1 N500PLC智能监控系统功能特性及选型

1.1 N500PLC主要功能特性

国产化N500PLC研究内容主要包括:基于高性能处理器的PLC功能模件研制、嵌入式实时Linux技术研究、基于工业实时以太网技术的分层通信体系架构研究、工艺结构研究及各种类型I/O模件研制、系统冗余及模件热插拔技术研究、集成编程组态软件研制。

国产化N500PLC的主要功能特性如下:

a.高性能CPU模件:采用双核处理器,主频800MHz,采用实时多任务的嵌入式操作系统,具有强大的数据处理能力、运算能力以及通信处理能力。

b.全智能化的I/O模件:能够对采集的数据进行处理,更好地消除干扰信号影响,同时具有自诊断功能,保证在工业现场恶劣环境下能稳定运行,I/O模件采用前端出线方式。

c.开放标准的通信网络:提供5个以太网接口,支持ModBus/TCP/IEC 61850规约,多套PLC与监控软件、上位机系统可组成厂级局域网。

1.2 一体化管控平台

1.2.1 操作系统选型

考虑到大型泵站监控系统实时性、安全性、稳定性、兼容性要求高等特点,全面调研了目前较为成熟的凝思、麒麟、统信等主流国产化操作系统,围绕发布时间、应用领域、安全等级等要素开展对比,见表1。统信系统在企业应用方面起步较晚,且应用案例较少,因此选型中不考虑统信系统。由于大型泵站监控系统与电力调度控制系统应用场景十分相近,而凝思操作系统在电力调度控制系统中得到广泛应用,其实时性、安全性、稳定性已被证明能够很好地满足电力调度控制系统应用,因此,选用凝思操作系统应用于泵站国产化监控系统。

柯文《在中国发现历史》一书出版后，在学界引起了巨大的反响。对本书中的核心理论“中国中心观”的评价，学者们也褒贬不一，肯定支持者有之，批评驳斥者亦有之。

1.2.2 数据库选型

在扩展性方面,各国产化数据库在支持协议及容器化部署方面较一致;在安全审计方面,各国产数据库产品均支持权限与审计功能;在软件功能方面,除GaussDB相对较弱外,其余国产化数据库产品功能均具备替代国外数据库的能力,其中达梦数据库软件实现了实时应用集群(Real Application Clusters,RAC)功能。

考虑到大型泵站监控系统与电力调度控制系统应用场景最为接近,而达梦与金仓数据库软件在电力调度系统中广泛应用,因此重点对上述两个国产化数据库系统进行了对比分析。达梦数据库软件采用类似ORACLE数据库软件的架构,其JDBC/OCI接口可以与ORACLE数据库接口无缝替换,可快速替换现有应用,并且达梦数据库软件非阻塞I/O性能比金仓略高,因此选择达梦数据库软件作为大型泵站国产化监控系统的数据库软件。表2为国内四种数据库软件对比。

表2 国内四种数据库软件对比

1.2.3 应用软件开发

南瑞一体化管控平台(IMC)由南瑞水电自主研发,是水情水调、水电监控、泵站监控、状态监测等领域的主要支撑平台,已成功应用于国内多个重点水电工程集控。

针对南水北调东线洪泽泵站国产化监控系统建设项目需求,在已有一体化平台基础上优化国产化凝思操作系统、达梦数据库环境,开展相应的适配开发工作。此外,针对大型泵站操作票与顺控流程结合、泵站及设备运行特征实时统计、抽水泵组实时运行效率曲线展示、大屏系统交互演示联动等大型泵站监控系统特殊功能需求开展二次开发工作。通过上述适配开发和二次开发工作,成功研制了基于国产化服务器、操作系统、数据库的大型泵站自主可控计算机监控软件。

1.3 智能化功能开发

针对大型泵站传统计算机监控系统存在的上下位机对点调试工作量大、人工易出错、无法实现语义理解的问题,在国内首次开展了大型泵站信息建模技术研究和应用实践。主要参考了水电行业IEC 61850国际标准[4],研究并提出了适用于大型泵站的标准化信息模型,研制并优化了IEC 61850 MMS通信程序,开发了现地PLC模型离线导入、在线读取等模型管理功能,对装置自身及系统整体性能开展了全面的测试,在确保监控系统稳定性与可靠性的前提下,建立了大型泵站智能化网络通信架构,使得国产化PLC具备监测信息自描述和即插即用的智能化特性,显著提高了系统集成效率,降低了自动化系统的集成费用。

洪泽泵站IEC 61850建模主要完成两部分信息建模:ⓐ对原有数据的建模,包括温湿度、电气量、压力、流量、开关状态、开关控制方式、闸门状态以及对设备的控制等;ⓑ对设备状态的报警信息建模,包括数据的越限报警设值、单个数据报警投退等。N500PLC智能现地单元采用简洁的短地址编码规则,将IEC 61850的模型数据与装置实时数据关联,统一SCL配置方式,简化数据访问过程,减少访问周期,扩展了数据映射时的保证精度,实现了取代相关功能[5]。一体化管控平台针对IEC 61850的功能应用,对应进行了新增数据组态、测点索引和选点对话框支持IEC 61850模型信息树的功能开发。建模工具进行了短地址相关功能开发,增加了人机交互的便捷性。

参照IEC 61850通信功能测试项目,在洪泽泵站机组、变电站、水轮机、公用等多个LCU中部署了IEC 61850 MMS通信上、下行功能延时测试环境;通过多次测试,各个LCU信息模型的MMS通信点数未达到模拟测试的理论上限,通信延时基本不大于500ms,未发现通信数据丢包问题,各项功能均正常。

1.3.2 边缘计算

大型泵站传统监控系统故障预测、数据统计等均依赖于上位机计算,部分泵站上位机只配置单台计算机,一旦该计算机发生故障,会导致所有计算数据丢失。此外,大型泵站存在现场值班人员配备、设备投资预算等客观限制性因素,难以确保计算机在全生命周期内始终连续运行,一旦中断就会导致统计数据不准确、故障不能及时预警等问题,在影响泵站安全稳定运行的同时,也加大了运维成本。为此,在国产化监控系统研制过程中,采用边缘计算技术[6],将原来由上位机承担的数据统计和故障预测等功能下移至现地N500PLC中,使得全系统数据更加准确、一致性更高,故障预测预警实时性有效提升,降低了上位机硬件消耗、部署的时间成本,使多站标准化部署更易实现,提高了整个系统的集成效率,以及灵活适应不同应用场景的能力。

洪泽泵站通过在PLC侧的边缘计算,实现了瞬时流量的计算,抽水量、发电量统计(日、月、年、累计),机组运行台时统计(日、月、年、累计),瓦温温升趋势判断及预警,油泵、水泵启停时间统计等功能,主要的参数与定值也由上位机设置到现地保存,增强了PLC边缘侧的数据统计分析功能和设备故障诊断的能力,并可以将边缘计算结果直接发送给泵站和集控中心上位机。

2 N500PLC智能监控系统设计

智能监控系统由数据监测、控制保护、故障诊断等部分组成。

2.1 N500PLC数据监测界面设计

数据监测主界面展示与泵站机组运行状态相关的重要数据,包括各类开关(断电器、阀门)状态、电气参数、流量及液位、振动与摆度、水泵效率、机组运行台时、上下游水位、扬程、配套涵闸闸门开度等。机组数据监视界面见图1。

图1 机组数据监视界面

2.2 N500PLC控制保护界面设计

a.保护参数配置:泵站电气设备的继电保护已相当稳定可靠,而非电量保护目前尚无成熟产品,为此在查阅相关规程规范、产品说明书和运行经验的基础上,对温度、液位、振摆、压力等参数的阈值进行整定,并输入到PLC的程序中,为机组安全运行提供决策依据。主机非电量保护参数配置界面见图2。

b.一键开机:将配套闸门开启、主电机绝缘监测、油气水等辅机投运、主机组断路器合闸等环节全部纳入自动控制,在整个操作流程中,PLC可自动对各刀闸状态进行判断,对不满足操作条件的给出告警信息,系统与运行管理进行联动。

c.主、辅设备联动运行:PLC持续扫描主机定转子、轴瓦等温度数值,并根据实时数据,程序自动控制配套的冷却风机和技术供水系统,如:主电机定子温度超过80℃冷却风机自动开启,低于60℃自动关停,保证了设备稳定运行。

d.预警与跳闸:PLC自动监控相关数据,当运行数值越限时,系统自动与关联数据比对,进行综合评判,避免因个别数据出错而造成误判,确认异常后系统自动报警或跳闸动作。预警摘要页面提供了完整的历史报警,为系统中所有的报警提供了综合信息。当处于维修、测试的状态时,可以对报警进行禁止、静音等操作,在系统正常运行时,也可以单独对某个设备、某个报警进行报警抑制、消音、禁止等操作,避免在某个设备维护时产生大量不必要的报警。

2.3 故障诊断

调查收集泵站各系统常见的典型故障,建立故障树模型和故障分析系统,准确清楚地了解影响泵站可靠性的最主要因素,从而有针对性地对关键设备进行检修和维护,提高泵站的安全可靠性。

3 N500PLC智能监控系统成果分析

通过对比国外PLC产品,可以看出洪泽泵站监控系统在配置及服务上存在优势。表3为国外产品与洪泽泵站监控系统的对比。

表3 国外产品与洪泽泵站监控系统对比

4 结 语

N500PLC监控系统通过边缘计算、信息建模等技术,解决了自动化系统交互性不足及故障分析能力弱、系统维护难等问题,并且能够准确监测及控制洪泽泵站,完成运行设备的数据监测、本地控制、报警监测等功能。国产化N500PLC智能监控系统为智能泵站建设奠定了良好基础。