澡港水利枢纽自动化控制系统组成原理及实际应用

潘雯玺 钱立君 陈飞 常州市长江堤防工程管理处

1.自动化系统改造概述

澡港枢纽泵站安装2 台套2500ZLB20-2型立式半调节轴流泵，叶轮直径2.5m,单泵设计流量20m3/s，设计扬程2米，配用TL1000-40/2600型功率1000kW，额定电压10kV，转速150r/min的同步电机。泵站采用堤身式，快速闸门双向X型流道，采用X型流道目的就是可以实现引、排水功能。节制闸为开敞式水闸，全闸一孔，闸总宽22m，孔净宽16m。底板顺水流长217m，设计流量100m3/s。澡港水利枢纽2019年实施了自动化系统改造，对泵站、节制闸自动化系统进行了全部更新，改造完成后实现了全站微机监测、微机监控、微机保护，具备数据库管理、系统咨询等功能。本次改造采用自动化控制模式的同时，保留了现场手动操作模式，为工程能够可靠运行提供了有力保障。

2.自动化系统的主要组成及技术分析

新的自动化系统采用两级控制的方式，第一级为现场LCU柜控制模式，第二级为上位机控制模式，网络拓扑结构采用环网模式。

2.1 自动化系统现场主要设备

自动化网络结构图

共有5个LCU控制柜，分别是公用LCU控制柜、两台机组LCU控制柜、闸门LCU控制柜以及节制闸LCU控制柜。每台LCU控制柜都配置了以太网交换机、可编程序控制器（PLC）、触摸控制屏等设备，五台LCU柜和网络柜通过环网连接，即使中间某两组之间的通讯出现问题，依然能和上位机保持良好通讯，大大提高了自动化系统的运行可靠性。5个LCU控制柜通过两条通讯来路连接至网络柜，整个通讯连接采用的通讯协议为Modbus Tcp协议，LCU柜与网络柜组成的环网采用光纤通信，最高运行速度可达千兆。网络柜通过网线分别与上位机、卫星时钟主机、二级平台保持通讯，快捷的数据传输速度让整个系统运行更加流畅。

2.2 控制模式及组成原理

第一级为就地控制级，现场LCU柜控制模式控制权限较高，可完成对各自设备的数据采集、记录存档、处理分析及信息反馈之后的自动控制，每台LCU柜配置独立的PLC，这种现场分散式控制系统的优点就是对每台套主辅机系统进行独立的控制和保护及数据采集，互不干扰。也为单台机组的停机检修提供便利。现场智能采样单元、温度巡检仪、水位计、开度仪、微机励磁控制装置、综合继电保护装置及直流测量仪表等均采用RS485通讯线与通讯工作站连接，并通过主监控交换机与上位机通信，将采集到的数据传送到上位机。现场设备除了触摸屏控制模式之外，还设立了电气控制面板和手动机械操作按钮，通过多渠道的控制方式，为设备的应急管理提供保障。

第二级为中央控制级。中央控制级权限较现场控制级低，该级由两台控制服务器、一台通信工作站、一台主监控交换机及GPS时钟组成。控制服务器负责从PLC采集回来的数据进行处理、建立实时及历史数据库、报警、事件记录并执行控制操作。而监控交换机就如一座桥梁，把现场设备和上位机紧密联系起来，进行数据交换和传输，通过与控制服务器的相互配合，对整个系统进行监测、监控，确保系统运行状态安全。通信工作站作为现场的数据中枢，它负责实现协议转换，同时肩负着向当地数据服务器和调度数据中心传递信息的功能。通信工作站采用32位RISC CPU架构，可实现高速处理通信数据，并通过专用总线与站控层通信。卫星同步主机采用CPU单片机控制，同时跟踪卫星，并按照相应的格式经串行分别输出日期、时间、周波钟、工频量等信息，具有精度高，稳定性好等特点。中央控制级就是一个资源整合的系统，通过对各个设备的监测、联动控制形成一系列自动化操作流程，向操作人员提供优化运行方案，自动进行控制和调节，以提高设备运行的安全系数和利用率。

二级平台属于泵站管理级，属于泵站管理单位的计算机网络，与自动化系统数据中枢连接。与上位机不同的是，它只能接收自动化系统的实时数据和历史数据，而不能发出控制信号。各层管理人员可以随时观察泵站的运行状态进行管理，提供泵站运行调度方案。

3.自动化系统的主要功能

3.1 设备的操作保护

在对设备进行控制操作之前，上位机会根据各LCU柜采集回来的信息进行逻辑分析，确定该设备是否具备操作条件，防止人为误操作。对不满足运行条件的设备，值班员可根据上位机快速找出原因，通过处理补充条件后，启动相应设备。

3.2 设备的运行控制

包括对35kV、10kV系统供电线路的倒闸切换，主辅机系统、节制闸液压系统以及泵站液压系统的单机控制和联动控制。

3.3 事故的应急处理

中央和就地控制均设置紧急停机功能，这相当于自动化系统对闸门LCU柜及主机组LCU柜的联动控制，当主机泵发生故障时，启动紧急停机功能，在紧急停泵的同时关闭相应出水门截流，防止因内外河水位差过大时主机泵出现逆转逆流现象。

3.4 监测功能

对泵站、节制闸各设备的运行状态、运行参数、开关量、模拟量等进行实时数据采集、数据处理，并在中央控制室显示和打印。

3.5 事故报警功能

若设备出现不正常运行状态时，自动化系统会通过上位机屏显报警和声光报警提醒值班员。在上位机上显示设备的故障现象、原因以及时间，同时在打印机上打印，并登陆在数据库事故清单内，可以按要求查阅和调用。

3.6 设备的协调控制及优化运行

上位机可根据机组的运行工况，如最大流量、最高效率、最低能耗等，再结合枢纽内外侧水位差，将采集的数据进行分析，通过对泵站、节制闸的测控完成联动运行。在运行过程中，对设备进行跟踪、动态控制，以达到优化运行的目的。

3.7 数据库管理

主要是历史信息的管理和归档，分为事件和数据。事件是运行事件和系统操作，如全部的控制命令和结果、报警记录、设备保护记录、操作票的清单、操作记录、值班巡视记录等。数据则主要为采集的模拟量，如电气、水位、温度等参数，会生成各种报表、曲线图、统计表格和记录等。

3.8 系统和设备结构的直观显示

在中央控制计算机界面上，值班员可以看到自动化网络和视频监控网络的拓扑结构，配电线路、主、辅机等各种设备的运行状态和系统结构。使操作人员能够形象直观地了解到全站设备和自动化的运行状态和原理。

3.9 双机互为主备支持系统运行

为了整个系统的可靠运行，防止数据丢失，中央控制级计算机采用双机热备用，一旦其中一台主机发生异常，另一台依然能够对整个系统实时监测、监控，并保存历史数据。

3.10 视频监控功能

视频监控系统采用16个枪机、3个球机通过视频主干交换机与上位机保持通信，并通过硬盘录像机存档。在中央控制计算机界面上可以看到所有站点的设备运行情况，且可以调取历史记录。

4.结语

自动化系统投运以来，对全站的管理更加科学化、高效化，但在实际运行过程中仍存在问题需进一步完善，如操作流程的设计优化。自动化系统设定了泵站有四种运行工况，除了引水和排涝外，还有自引、自排两种工况，这两种工况不需要开启主机泵，只提闸门进行引排水。笔者认为可以优化为分阶段提闸门的自动控制流程。当内外河水位差过大时，设定闸门开启到较低开度，当水位压力逐渐减小时分阶段提升闸门，直到水位平闸门到全开开度，此方案能够防止水流流速太快对两侧水面船只造成走锚、失控等情况，杜绝安全隐患。随着新设备、新技术的发展，未来的自动化控制系统将日趋完善，合理科学利用自动化系统，对城市防洪抗旱、区域水环境治理有着深远影响。