浅谈泵站自动化技术改造

王 浩，于振山，范顺芳

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 江都 225009)

无锡某枢纽由总净宽24m 的节制闸、设计流量70m3/s 的泵站，16(20)* 135m 的船闸组成。泵站共安装5 台立式轴流泵，单泵设计流量12m3/s，其中2 台套机组具备双向抽排功能。节制闸为2 孔，闸门为升卧门，船闸内外闸首工作门均为升卧门。工程具有防洪、排涝、航运和改善城市水环境等综合功能。

2005 年建成自动化系统。经过多年运行，系统出现运行速度慢、误动作和控制失灵，自动化元器件老化严重，系统不稳定性，经常无法运行，检修频繁等问题。目前，发生故障的频次也在逐年增加，给泵站安全运行带来隐患。2012 年底，针对这些问题实施枢纽自动化技术改造。本文将针对枢纽的泵站部分自动化技术改造作详细论述。

1 原系统拓扑结构及存在的问题

原自动化系统中每台机组LCU 单独配置一套施耐德Quantum 系列PLC，每台机组闸门LCU单独配置一套Premium 系列PLC，高低压开关柜、清污机、皮带机、渗漏泵、检修泵等公用设备配置一套公用PLC，技术供水泵(含冷却供水泵)配置一套PLC，消防供水泵配置小型PLC，均通过以太网与监控主计算机通信。机组闸门LCU 是电气部分与PLC 共用一个控制柜。机组LCU 与机组闸门LCU 之间的通讯是通过PLC 内部网络通讯完成的，由于机组闸门电气控制柜放置在室外，长期日晒雨淋，电气元件损坏严重，故障频发，造成机组开停机时闸门不能正常联动。原机组闸门开度传感器也出现各种问题，因厂家停产而不能提供备件，且该厂家提供的改造方案造价高，于是我们选用WDC-31 闸门开度仪作为替代产品。主机组的温度采集巡检仪使用的是南瑞公司的温度采集装置，通讯速度慢，还经常死机，造成通讯失败。负责高低压开关柜、清污机、皮带机、渗漏泵、检修泵监控功能的公用PLC 中通讯模块长期运行，经常死机，造成通讯失败。原系统中的监控软件采用的是WEBACCESS4.5 版本。目前泵站已不能实现设备自动化控制操作，这些都成为泵站安全运行的巨大隐患。我们本次主要介绍泵站部分的软硬件改造，针对泵站情况首先考虑将拆除闸门电气柜的PLC 控制部分，将闸门测控信号合并至室内的机组LCU 柜内，其次机组温度采集使用PLC 的温度RTD 模拟量模块来替代温度采集装置，最后在硬件重新配置的基础上对现地控制单元触摸屏软件、PLC 软件以及站控级上位机软件进行升级优化。

2 技术改造方案的提出及实施

2.1 原自动化系统拓扑结构

1-5 号机组LCU、公用LCU 采用140CPU 65150 型CPU，1 -5 号机组闸门LCU、其它辅机LCU 采用TSX573623A 型CPU，监控主从机也是配置较低的研华工控机，上位机监控软件采用WEBACCESS4.5 版本见图1。虚线框中是本次改造部分。

图1 某泵站原自动化系统拓扑图

2.2 升级改造后系统软硬件配置

图1 中虚线框中替换成图2，每台机组LCU在增加了机组闸门部分的信号后，原系统中的开关量输入输出模块、通讯模块、模拟量模块数量都需要扩展，各机组LCU 中增加2 块16 点开关量输入140DDI 84100 模块、1 块16 点开关量输出140DDO84300 模块、1 块TSXETG100 网关模块、3块8 路140ACI03000 温度模拟量模块。TSXETG100 用于将泵组闸门输入输出信号接入到泵组LCU 中，并通过TSXETG100 与闸门开度仪WDC31 通讯，温度模拟量模块用于将机组温度采集至相应机组的LCU 中。

图2 改造部分拓扑图

公用LCU 中增加2 块TSXETG100 网关替代原通讯模块与各类保护装置、仪表通讯。

TSXETG100 网关实现了MODBUS 串口协议与MODBUS TCP 以及网协议的转换。简单经济的将系统中闸门开度仪、保护、仪表装置的RS485信号集成到泵站的以太网架构中，分别经公用PLC、机组PLC 与监控主机通信。

监控主从机选用上架式施耐德HMIRHA PP00H 型产品，主要配置为Pentium Duo 2.6G、4G 内存、可抽取式250G* 2 双硬盘冗余、双以太网。

上位机监控软件采用WEBACCESS7.0 版本对系统进行升级改造。

改造后的系统控制方式分为三级，按优先级由高至低依次为:

(1)现地手动控制:操作员在设备现场通过按钮或者开关直接启动、停止设备;

(2)现地控制单元控制:操作员通过设置在现地控制单元内的人机接口(触摸屏)启动、停止设备，监视设备启动或者停止的过程;

(3)站控级控制:操作员在控制室内通过监控主机发布启动/停止设备的命令至现地控制单元，由现地控制单元完成相关控制操作。操作员也可通过监控画面监视设备的启动或者停止过程。

进行硬件改造后的机组现地控制单元LCU单元负责对主机组、辅机、变配电、主机组闸门等设备进行就地测量、监视，并向监控主机发送各种测量数据，同时接受监控主机发来的控制命令和参数，完成控制逻辑的实施;站控级计算机实现全站的运行监视、事件报警、数据统计和记录、与上级系统通信等功能，并向各现地控制单元发出控制、调节命令。

2.3 机组开停机时闸门联动的触发条件

该泵站机组开机/停机时工作门需联动上升/下降，直至闸门上限/下限。在PLC 程序中采用机组合闸输入信号的上升沿或下降沿来触发这一动作可靠稳定［1］。

机组开机时工作门需联动上升，此时需要判断闸门上一级控制电源是否处于合闸状态，如未合闸，首先发闸门控制电源合闸命令，然后再发闸门上升命令(见图3)。

图3 机组合闸工作门联动上升程序

机组停机时工作门需联动下降，其中需要判断闸门控制电源是否处于合闸状态，如未合闸，首先发闸门控制电源合闸命令，其次判断闸门是否有上升回信，如有上升回信(闸门处于上升过程中)，则先要发闸门停止命令，延时后再发下降命令，这种情况是机组在开机时遇故障紧急停机时发生，机组合闸后，闸门联动上升还未至全开位置，此时又遇故障停机闸门联动下降(见图4)。

图4 机组分闸工作门联动下降程序

在调试过程中偶遇机组高压真空断路器在合闸、分闸时发生抖动干扰，造成利用机组合闸信号上升沿/下降沿触发的闸门联运流程失控，闸门不能正确执行联动操作。为避免这一抖动现象，利用定时器判断机组合/分闸信号稳定存在500ms即置Hz-flag 标志为1/0，软件滤波［2］去除合分闸过程中的抖动干扰(见图5)。当机组合闸信号一直持续为状态1，不再抖动时，Hz-flag 标志常为1表示机组合闸，当机组合闸信号一直持续为状态0，不再抖动时，Hz-flag 标志常为0 表示机组分闸。

图5 机组合闸/分闸抖动干扰软件滤波程序

PLC 程序中涉及变量定义见表1。

表1 PLC 程序中涉及变量定义表

2.4 双向X 型流道机组PLC 和上位机流程的实现

4、5 号机组流道为双向X 型流道，具有双向抽排水功能，可实现从内河到外河、外河到内河两种方式的抽排水功能。

2.4.1 PLC 程序的实现

在PLC 中设置变量Kz-fs 作为开机工况标志，判断0 为内向外、1 为外向内，该变量可以在上位机或触摸屏直接设定，默认值为0，该泵站主要运行工况为从内向外抽水方式即默认值为0 的情况(图6)。PLC 程序在执行程序扫描时，根据Kz-fs 的值自动调用相应的子程序。

图6 根据开机工况标志分别调用不同子程序

2.4.2 上位机流程的实现

开/停机控制流程图及需满足的条件，在上位机使用机组开/停机电子操作票，按如下机组开/停机控制流程图来完成对机组的开/停机控制(见图7、图8)［3］

流程启动后首先判断开/停机条件是否满足，任何一个开/停机条件不满足，控制流程会报警并退出。特殊情况下，经运行人员检查并确认该条件不影响机组的安全运行后，允许跳过对该条件的检测。

主要的开机条件包括:

机组当前处于停机态(机组断路器分闸、出口工作闸门全关等条件全部满足);控制权限满足;控制电源正常、机组手车工作位;机组保护装置、励磁系统正常;机组上、下油缸油位正常;快速闸门工作正常;供水或冷却系统开启并运行正常;母线电压正常;主机组断路器已储能。

主要的停机条件包括:机组当前处于运行态(机组断路器合闸、机组功率大于低限值、出口工作闸门全开、出口事故闸门全开等条件全部满足);控制权限满足;控制电源正常。

3 结语

通过对该泵站自动化系统软硬件部分的改造，硬件部分包括将机组闸门测控信号合并至机组LCU 柜中，改造完善公用PLC 保护及仪表通讯功能;软件部分实现触摸屏软件、PLC 软件以及站控级软件的升级优化。

图7 开机控制流程图

图8 停机控制流程图

实现了对泵站主机组、辅机、变配电、闸门等设备的自动化监控。经近一年的投运，系统运行稳定、可靠。目前无锡多个泵站也借鉴了该泵站自动化技术改造的经验，陆续进行了自动化改造，均实现了泵站的自动化控制功能，减少了管理人员，节约了管理成本，实现“无人值班，少人值守”的泵站现代化运行管理模式。为进一步搭建水利信息化平台奠定了良好的基础。

［1］ 杨公源.可编程控制器(PLC)原理与应用［M］. 北京:电子工业出版社，2005.

［2］ 金沙，耿惊涛. PLC 应用技术［M］. 北京:中国电力出版社，2010.

［3］ 邓东升.南水北调东线工程江苏段泵站自动化系统技术要求JSSY/ZDH-2010［M］.南京:南水北调东线江苏水源有限责任公司，2010.