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    關鍵詞 ：LK PLC；HollyView；泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)；Modbus；冗余系統(tǒng)
   
    1 概述

    爾王莊泵站管理處是向天津市提供工業(yè)及生活用水的重點水利工程——引灤入津工程七大管理處之一，位于引灤入津工程上游，經過潮白新河泵站一級提升后，灤河水流過34.5km明渠，在爾王莊泵站群根據輸水調度進行分流。一路由暗渠泵站加壓后，經25.6km暗渠直至市自來水公司。一路由明渠泵站經明渠至大張莊泵站后入海河。其他分別經逸仙園泵站將水送入武清開發(fā)區(qū)；經入港小宋莊泵站將水送至天津大港區(qū)和無縫鋼管廠；經入漢泵站和入開發(fā)區(qū)泵站分別擔送至漢沽區(qū)和天津開發(fā)區(qū)。爾王莊管理處負責泵站群、爾王莊水庫及明渠的管理。

    爾王莊調度中心所轄監(jiān)測站11個，由泵站所、一所、二所三個泵站所管理。其中泵站所轄爾王莊暗渠泵站監(jiān)測站、爾王莊明渠泵站監(jiān)測站、泵站所35KV變電站監(jiān)測站；一所轄入港泵站監(jiān)測站、入聚酯泵站監(jiān)測站、入楊泵站監(jiān)測站、一所35KV變電站監(jiān)測站；二所轄二所35KV變電站監(jiān)測站、入塘泵站監(jiān)測站、入開泵站監(jiān)測站、入漢泵站監(jiān)測站。
本系統(tǒng)為引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監(jiān)控系統(tǒng)的一期工程，包含了泵站所明渠泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造和泵站所35KV變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造以及泵站所監(jiān)控分中心和爾王莊調度中心監(jiān)控系統(tǒng)改造。

    2 集中監(jiān)控系統(tǒng)結構

    2.1 系統(tǒng)總體結構

    引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監(jiān)控系統(tǒng)主要由三層構成：調度中心、分中心、現(xiàn)場監(jiān)測站。通過通信及網絡系統(tǒng)將這些零散的信息點鏈接在一個統(tǒng)一的傳輸網絡下。系統(tǒng)信息點組成如下：

    (1) 在爾王莊泵站管理處建設調度中心；
    (2) 在暗渠泵站、一所入港泵站和二所入開泵站設分中心。
    (3) 在11個監(jiān)測站設置信息接點。

                  

    2.2 調度中心結構

    調度中心用于集中監(jiān)視8個泵站，3個變電站，3個分控中心的所有設備，以及所有人員的管理，負責各泵站的運行調度，一般不直接在中控室控制泵站及現(xiàn)場設備。調度中心配置數據庫服務器兩臺，操作員站兩臺，工程師站一臺，通訊處理機一臺，UPS電源一套，WEB發(fā)布服務器一臺。并將數據庫服務器通過以太網與各分控中心服務器相連，實現(xiàn)調度中心對所有運行及管理數據的采集，并可以實現(xiàn)對歷史數據的統(tǒng)計分析。

    2.3 調度分控中心結構

    引灤工程爾王莊泵站輸水調度集中監(jiān)控系統(tǒng)共設置泵站所、一所、二所三個分控中心，分控中心負責對所轄泵站的監(jiān)控功能和操作員的管理功能，并通過光纖網絡將分控中心數據上傳至調度中心，一期工程只完成泵站所分控中心建設。

    泵站所分控中心用于集中監(jiān)控明渠暗渠兩個泵站和泵站所35KV變電站的相關設備。分控中心設監(jiān)控計算機兩臺，工程師站一臺，通訊處理機一臺，UPS電源一套。并將數據庫通過以太網與調度中心服務器相連，以便調度中心實時調度泵站合理運行，監(jiān)視設備運行情況及人員管理情況。為提高工作效率，通常情況下，操作員在分控中心實現(xiàn)對泵站遠程啟停控制，在泵站不設人長期職守，采用巡檢方式。

                 

    2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)構成

    爾王莊管理處共轄8個泵站和3個變電站，其中有一些泵站和變電站已經改造完成，具有計算機監(jiān)控系統(tǒng)，有一些泵站仍舊使用的儀表盤系統(tǒng)，并沒有自動控制設備，需要人員長期職守，耗費了較多的工作經歷，且效率較低。一期工程將泵站所明渠泵站和泵站所35KV變電站的儀表盤設備改造為基于LK PLC的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。本文以明渠泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)為例研究基于LK的泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)構成。

    明渠泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用LK系列大型PLC對全站泵組、電氣系統(tǒng)、公用油、水、氣系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)及直流系統(tǒng)進行有效監(jiān)視和控制，全站共4套泵組，每個機組設置一套現(xiàn)地控制單元（LCU），全站設置一套公用現(xiàn)地控制單元。對系統(tǒng)過程的工藝參數、電氣參數和設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。
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    控制系統(tǒng)的監(jiān)控內容

    泵站的監(jiān)控內容包括主變壓器、所用變壓器、站用變壓器及電機電壓、電流、負荷等的保護；泵站的前后池水位；閘門的閘位、運行狀態(tài)及控制；公用油、氣、水系統(tǒng)及相關閥門、泵的狀態(tài)及控制；機組溫度；勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)的狀態(tài)及控制；機組的運行狀態(tài)及啟停控制[1]。
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    計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置

    在泵站控制室配置兩套監(jiān)控計算機，每套計算機配置一套監(jiān)控組態(tài)軟件，由于泵站不設人值守，在巡檢人員檢查和現(xiàn)場緊急故障情況時使用。

    在現(xiàn)地控制單元，每個機組設置一套單機PLC、一套觸摸屏和檢測儀表，全泵站公用設備單獨設置一套PLC一套觸摸屏和檢測儀表。在泵站公用現(xiàn)地控制單元采用冗余的PLC實現(xiàn)全泵站各公用設備控制，對各機組采用單機系統(tǒng)進行控制[1,2]。控制系統(tǒng)結構如下圖所示：

                 
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    計算機監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構及通訊方式

    整個系統(tǒng)主干傳輸網采用100Mbps環(huán)形光纖工業(yè)以太網，支持IEEE802.3規(guī)約和標準的TCP/IP協(xié)議；也可采用工業(yè)級專用控制局域網，該控制網具備確定性和可重復性及I/O共享，實現(xiàn)數據的高速傳輸和實時控制。

    整個系統(tǒng)由1個中央控制室、5個現(xiàn)地控制單PLC控制站組成。由中央控制室上位機實行集中監(jiān)控管理。中央控制室上位機與現(xiàn)地控制單元之間的數據通訊采用高速的、實時的工業(yè)以太網，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。

                 

    在泵站的現(xiàn)地控制單元的核心PLC，我們選用和利時的LK系列大型PLC。LK通過串口與觸摸屏進行通訊，通過觸摸屏可以實現(xiàn)對機組的現(xiàn)地控制。LK背板上集成了DP通訊接口，并且配備有LK239串口通訊模塊，使得與第三方設備進行通訊非常方便。LK與微機保護裝置、勵磁調節(jié)器通過串口RS485總線實現(xiàn)通信，實現(xiàn)對機組電量參數、勵磁調節(jié)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。通過硬接線的方式采集機組輔助設備、泵站電機運行狀態(tài)、水位、溫度等信號。控制信號主要是對電機的啟停進行控制。

    3 系統(tǒng)功能

    爾王莊泵站監(jiān)控系統(tǒng)由爾王莊泵站管理處調度中心監(jiān)控計算機層、分控制中心監(jiān)控計算機層、泵站監(jiān)控計算機層和現(xiàn)地控制單元層組成。

    3.1 現(xiàn)地控制單元功能

    1、 數據采集和處理

    從各開關柜（包括主變進線柜、母線聯(lián)絡柜、電壓互感器柜、站用變開關柜、電容器開關柜和電動機開關柜）的自動控制裝置獲取該裝置所采集的各種數據；從多功能電表獲取電量相關實時數據；從溫度巡檢儀獲取機組各測點溫度等；自行采集全站的公用實時數據，如泵站前后池水位、泵站流量、泵房溫度、電容室溫度、供排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)等；自行采集各機組主輔設備中未納入開關柜測控系統(tǒng)、電能采集裝置和溫度巡檢裝置等的主輔設備的運行狀態(tài)和運行參數進行實時數據，包括開關與閘門的狀態(tài)、水泵進口水位、水泵出口壓力、水泵機組流量、軸承油位等；對于裝設立式水泵機組的泵站，還可采集機組的振動與擺度數據[3,4]。

    2、 控制與調節(jié)

    現(xiàn)地控制單元可對泵站主輔設備進行控制，包括機組各種工況的轉換，緊急停機和事故停機，斷路器、隔離開關的分、合操作；輔助設備及公用設備的啟、停操作；出口閘門等控制與調節(jié)可手動實現(xiàn)、程序預設實現(xiàn)或根據運行工況自動實現(xiàn)。

    3、 數據通信

    現(xiàn)地控制單元要實現(xiàn)與泵站監(jiān)控計算機和各種智能采集裝置等設備的通信現(xiàn)地控制單元與泵站監(jiān)控計算機之間通過工業(yè)以太網通信考慮到泵站各設備所配套的測控裝置均配有485 通訊串口，且部分設備還配置有以太網通訊接口，本系統(tǒng)中現(xiàn)地控制單元與測控裝置之間選擇485 串口進行通信。

    3.2 分控中心功能

    爾王莊管理處調度中心的監(jiān)控計算機承擔了整個管理處泵站、變電站及閘門等全部設備運行數據管理、系統(tǒng)數據采集、報警、趨勢、數據記錄及中文報表等功能。操作員通過操作終端詳細了解各環(huán)節(jié)運行工況，并可下達操作控制指令。

    1、 圖形與界面

    以示意圖形式，在管理全局畫面實時顯示重點運行數據，如各泵站進出廠水流量、主要設備的運行狀態(tài)；以泵站、變電站工藝仿真圖形式，在局部畫面實時顯示泵站機組、電力控制柜變電設備、閥門、儀表、給排水泵、電力設備等工藝過程的主要工藝監(jiān)控數據；數據表格界面，以表格形式，顯示泵站所有監(jiān)測數據，可以直觀的瀏覽所有采集參數。

    2、 控制模式

    監(jiān)控系統(tǒng)可根據用戶要求實現(xiàn)就地控制、遠程自動控制和遠程自動控制模式，以實現(xiàn)不同工況下泵站監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。三種控制模式的優(yōu)先級為遠程自動控制、遠程手動控制、就地控制，就地控制具有最高優(yōu)先級。

    3、 數據報表

    根據用戶需求定制數據報表，查看實時報表，實時報表中包含全線所有參數的當前值可以隨時打印實時報表，也可以定時打印，分為日、月、季、年多種報表。

    4、 數據趨勢

    數據趨勢分為實時與歷史兩種趨勢，以曲線形式顯示泵站水量、電力等參數的動態(tài)變化，可以直觀的掌握參數變化的規(guī)律。

    5、 事件及報警

    數據報警界面顯示，實現(xiàn)對每個參數的低低報警、低報警、高報警、高高報警的設置。以不同顏色形式，把當前報警、已確認報警和已恢復報警區(qū)分開來，每個報警量可以顯示它的節(jié)點名、位號、描述、報警產生時間、報警消除時間、狀態(tài)、當前值等信息[5]。

    6、 安全管理

    對重要設備的操作、重要參數的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設備進行的操作、時間以及修改前的參數值、修改后的參數等，以利于進行管理及事故分析。

    7、 用戶管理

    系統(tǒng)管理員能夠對用戶的名稱、密碼、訪問權限和優(yōu)先等級等相關內容進行設置；記錄用戶登錄和退出系統(tǒng)的時間及用戶使用過的操作命令，顯示用戶是否在線和工作狀態(tài)等信息；可查看事件記錄，例如：某操作員于什么時間進行登錄，什么時間退出登錄等。

    8、 語音報警系統(tǒng)

    當需要對重要操作進行提示，以及泵站發(fā)生事故或故障時，能用準確、清晰的語言向有關人員發(fā)出報警。

    3.3 調度中心功能

    調度中心用于監(jiān)控爾王莊泵站所轄所有泵站的運行情況，在權限允許范圍內能夠實現(xiàn)分中心的所有功能，并可以實現(xiàn)下列功能：

    1、 數據存儲功能

    在調度中心配置有冗余的工業(yè)級歷史數據庫，能夠對采集的重要數據實現(xiàn)存儲。在存儲監(jiān)測數據時，包括該數據的采集時間、數值，同時存儲該數據的標記、標注信息，且數據存貯時間間隔可以設定。

    2、 數據查詢與檢索

    歷史數據的存儲與檢索對建立生產數據庫、操作信息庫、故障信息庫數據進行在線存儲，數據的存儲時間最長為10年。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。

    3、 數據庫功能

    調度中心配置的工業(yè)級歷史數據可以實現(xiàn)系統(tǒng)參數設置、數據存儲、數據管理、數據修改刪除和更新、數據庫安全管理、數據庫用戶管理、多用戶數據查詢和訪問等功能

    4、 數據統(tǒng)計

    中心計算機對采集的數據進行各種統(tǒng)計分析，形成設定時間、區(qū)域范圍的數據統(tǒng)計報告；

    5、 與信息化平臺的鏈接

    提供與信息化應用程序的控件和接口，其中有數據庫接口、運行畫面接口和外部關系型數據庫接口系統(tǒng)提供豐富的與關系型數據庫通訊的函數和多種組件，包含ODBC、歷史轉儲和事件記錄。

   4 系統(tǒng)特點

   4.1 合理的安全運行配置方案

    在泵站控制系統(tǒng)中，公用現(xiàn)地控制單元用于監(jiān)控全泵站公用系統(tǒng)設備，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)將會癱瘓。因此公用現(xiàn)地控制單元選用冗余系統(tǒng)進行控制。

    機組現(xiàn)地控制單元只負責單個泵組的控制，且系統(tǒng)運行中有備用機組，機組控制系統(tǒng)的安全性相對較低，因此機組
   
    選用單機PLC控制系統(tǒng)。

    采用單機冗余組合系統(tǒng)，控制系統(tǒng)即滿足了系統(tǒng)整體安全性要求，控制成本也相對較低。

    4.2 開放式的系統(tǒng)設計

    由于此工程為改造工程，且在此次系統(tǒng)改造前，已有泵站進行了自動化改造。能夠將已經改造完成的自控設備接入集中監(jiān)控系統(tǒng)，并能夠為系統(tǒng)擴展留有足夠的系統(tǒng)接口方式和系統(tǒng)驅動成為集中監(jiān)控系統(tǒng)改造和擴建最關鍵的問題。
本工程充分考慮了系統(tǒng)改造和擴建的系統(tǒng)集成問題，采用的上位組態(tài)軟件和利時的HollyView具有多家自控設備的驅動程序，能夠與已經改造完成和后續(xù)進行改造的PLC等自控設備進行無縫通訊鏈接，并充分預留系統(tǒng)接入點和系統(tǒng)擴展接口。

    在現(xiàn)地控制單元，控制系統(tǒng)中有大量的數據是PLC通過串口方式實現(xiàn)與現(xiàn)場智能儀表進行通訊。而大多數的觸摸屏也是通過串口與PLC進行通訊的。LK提供了串口通訊模塊，支持modbus主從站協(xié)議，可以方便的實現(xiàn)與現(xiàn)場儀表及觸摸屏的通訊。

    泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中各機組現(xiàn)地控制站間以及與公用機組現(xiàn)地控制單元PLC間實現(xiàn)數據通訊，以實現(xiàn)對全泵站機組的協(xié)調控制。LK提供了站間通訊功能，通過站間引用通訊數據功能塊方便實現(xiàn)各站之間數據的交換。

                 

    5 結束語

    爾王莊泵站輸水調度集中監(jiān)控對安全性要求非常高，通訊量大，通訊結構復雜。作為改造和擴建項目，需要充分考慮系統(tǒng)的通訊接口方式、驅動程序的豐富和數據擴展能力。采用和利時HollyView組態(tài)軟件和LK系列大型PLC系統(tǒng)進行自動控制，大大提高了系統(tǒng)的開放性、安全性和擴展能力。

    參考文獻

    [ 1 ] 唐鴻儒, 陳虹. 泵站計算機綜合自動化系統(tǒng)設計要求研究[J], 中國農村水利水電. 1999: 11, 29-31.
    [ 2 ] 唐鴻儒, 陳虹. 大型泵站綜合自動化系統(tǒng)研制[J], 微計算機信息. 1997: 6(13),44-47.
    [ 3 ] 郭旭芳, 泵站綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用[D], 西南交通大學. 2005.
    [ 4 ] 王定一. 水電廠計算機監(jiān)視與控制[M]. 北京: 中國電力出版社. 2001 
    [ 5 ] 董盛文, 蔣勁, 馮衛(wèi)民. 大型泵站計算機監(jiān)控及網絡辦公自動化的研究[D], 武漢大學. 2005

    第一作者簡介：

    韓紅哲，1975年2月出生，女，工程師，主要從事校園網絡及信息化、自動化建設，天津科技大學信息化辦公室）