北京和利时智能技术有限公司

    关键词 ：LK PLC；HollyView；泵站计算机监控系统；Modbus；冗余系统
   
    1 概述

    尔王庄泵站管理处是向天津市提供工业及生活用水的重点水利工程——引滦入津工程七大管理处之一，位于引滦入津工程上游，经过潮白新河泵站一级提升后，滦河水流过34.5km明渠，在尔王庄泵站群根据输水调度进行分流。一路由暗渠泵站加压后，经25.6km暗渠直至市自来水公司。一路由明渠泵站经明渠至大张庄泵站后入海河。其他分别经逸仙园泵站将水送入武清开发区；经入港小宋庄泵站将水送至天津大港区和无缝钢管厂；经入汉泵站和入开发区泵站分别担送至汉沽区和天津开发区。尔王庄管理处负责泵站群、尔王庄水库及明渠的管理。

    尔王庄调度中心所辖监测站11个，由泵站所、一所、二所三个泵站所管理。其中泵站所辖尔王庄暗渠泵站监测站、尔王庄明渠泵站监测站、泵站所35KV变电站监测站；一所辖入港泵站监测站、入聚酯泵站监测站、入杨泵站监测站、一所35KV变电站监测站；二所辖二所35KV变电站监测站、入塘泵站监测站、入开泵站监测站、入汉泵站监测站。
本系统为引滦工程尔王庄泵站输水调度集中监控系统的一期工程，包含了泵站所明渠泵站计算机监控系统改造和泵站所35KV变电站计算机监控系统改造以及泵站所监控分中心和尔王庄调度中心监控系统改造。

    2 集中监控系统结构

    2.1 系统总体结构

    引滦工程尔王庄泵站输水调度集中监控系统主要由三层构成：调度中心、分中心、现场监测站。通过通信及网络系统将这些零散的信息点链接在一个统一的传输网络下。系统信息点组成如下：

    (1) 在尔王庄泵站管理处建设调度中心；
    (2) 在暗渠泵站、一所入港泵站和二所入开泵站设分中心。
    (3) 在11个监测站设置信息接点。

                  

    2.2 调度中心结构

    调度中心用于集中监视8个泵站，3个变电站，3个分控中心的所有设备，以及所有人员的管理，负责各泵站的运行调度，一般不直接在中控室控制泵站及现场设备。调度中心配置数据库服务器两台，操作员站两台，工程师站一台，通讯处理机一台，UPS电源一套，WEB发布服务器一台。并将数据库服务器通过以太网与各分控中心服务器相连，实现调度中心对所有运行及管理数据的采集，并可以实现对历史数据的统计分析。

    2.3 调度分控中心结构

    引滦工程尔王庄泵站输水调度集中监控系统共设置泵站所、一所、二所三个分控中心，分控中心负责对所辖泵站的监控功能和操作员的管理功能，并通过光纤网络将分控中心数据上传至调度中心，一期工程只完成泵站所分控中心建设。

    泵站所分控中心用于集中监控明渠暗渠两个泵站和泵站所35KV变电站的相关设备。分控中心设监控计算机两台，工程师站一台，通讯处理机一台，UPS电源一套。并将数据库通过以太网与调度中心服务器相连，以便调度中心实时调度泵站合理运行，监视设备运行情况及人员管理情况。为提高工作效率，通常情况下，操作员在分控中心实现对泵站远程启停控制，在泵站不设人长期职守，采用巡检方式。

                 

    2.4 计算机监控系统构成

    尔王庄管理处共辖8个泵站和3个变电站，其中有一些泵站和变电站已经改造完成，具有计算机监控系统，有一些泵站仍旧使用的仪表盘系统，并没有自动控制设备，需要人员长期职守，耗费了较多的工作经历，且效率较低。一期工程将泵站所明渠泵站和泵站所35KV变电站的仪表盘设备改造为基于LK PLC的计算机监控系统。本文以明渠泵站计算机监控系统为例研究基于LK的泵站计算机监控系统构成。

    明渠泵站计算机监控系统采用LK系列大型PLC对全站泵组、电气系统、公用油、水、气系统、闸门控制系统、励磁系统及直流系统进行有效监视和控制，全站共4套泵组，每个机组设置一套现地控制单元（LCU），全站设置一套公用现地控制单元。对系统过程的工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、联锁和报警以及报表打印，通过使用一系列通讯链，完成整个工艺流程所必需的数据采集，数据通讯，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视和管理作用。
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    控制系统的监控内容

    泵站的监控内容包括主变压器、所用变压器、站用变压器及电机电压、电流、负荷等的保护；泵站的前后池水位；闸门的闸位、运行状态及控制；公用油、气、水系统及相关阀门、泵的状态及控制；机组温度；励磁系统、调速系统的状态及控制；机组的运行状态及启停控制[1]。
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    计算机监控系统配置

    在泵站控制室配置两套监控计算机，每套计算机配置一套监控组态软件，由于泵站不设人值守，在巡检人员检查和现场紧急故障情况时使用。

    在现地控制单元，每个机组设置一套单机PLC、一套触摸屏和检测仪表，全泵站公用设备单独设置一套PLC一套触摸屏和检测仪表。在泵站公用现地控制单元采用冗余的PLC实现全泵站各公用设备控制，对各机组采用单机系统进行控制[1,2]。控制系统结构如下图所示：

                 
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    计算机监控系统网络结构及通讯方式

    整个系统主干传输网采用100Mbps环形光纤工业以太网，支持IEEE802.3规约和标准的TCP/IP协议；也可采用工业级专用控制局域网，该控制网具备确定性和可重复性及I/O共享，实现数据的高速传输和实时控制。

    整个系统由1个中央控制室、5个现地控制单PLC控制站组成。由中央控制室上位机实行集中监控管理。中央控制室上位机与现地控制单元之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。

                 

    在泵站的现地控制单元的核心PLC，我们选用和利时的LK系列大型PLC。LK通过串口与触摸屏进行通讯，通过触摸屏可以实现对机组的现地控制。LK背板上集成了DP通讯接口，并且配备有LK239串口通讯模块，使得与第三方设备进行通讯非常方便。LK与微机保护装置、励磁调节器通过串口RS485总线实现通信，实现对机组电量参数、励磁调节系统的监视和控制。通过硬接线的方式采集机组辅助设备、泵站电机运行状态、水位、温度等信号。控制信号主要是对电机的启停进行控制。

    3 系统功能

    尔王庄泵站监控系统由尔王庄泵站管理处调度中心监控计算机层、分控制中心监控计算机层、泵站监控计算机层和现地控制单元层组成。

    3.1 现地控制单元功能

    1、 数据采集和处理

    从各开关柜（包括主变进线柜、母线联络柜、电压互感器柜、站用变开关柜、电容器开关柜和电动机开关柜）的自动控制装置获取该装置所采集的各种数据；从多功能电表获取电量相关实时数据；从温度巡检仪获取机组各测点温度等；自行采集全站的公用实时数据，如泵站前后池水位、泵站流量、泵房温度、电容室温度、供排水系统的运行状态等；自行采集各机组主辅设备中未纳入开关柜测控系统、电能采集装置和温度巡检装置等的主辅设备的运行状态和运行参数进行实时数据，包括开关与闸门的状态、水泵进口水位、水泵出口压力、水泵机组流量、轴承油位等；对于装设立式水泵机组的泵站，还可采集机组的振动与摆度数据[3,4]。

    2、 控制与调节

    现地控制单元可对泵站主辅设备进行控制，包括机组各种工况的转换，紧急停机和事故停机，断路器、隔离开关的分、合操作；辅助设备及公用设备的启、停操作；出口闸门等控制与调节可手动实现、程序预设实现或根据运行工况自动实现。

    3、 数据通信

    现地控制单元要实现与泵站监控计算机和各种智能采集装置等设备的通信现地控制单元与泵站监控计算机之间通过工业以太网通信考虑到泵站各设备所配套的测控装置均配有485 通讯串口，且部分设备还配置有以太网通讯接口，本系统中现地控制单元与测控装置之间选择485 串口进行通信。

    3.2 分控中心功能

    尔王庄管理处调度中心的监控计算机承担了整个管理处泵站、变电站及闸门等全部设备运行数据管理、系统数据采集、报警、趋势、数据记录及中文报表等功能。操作员通过操作终端详细了解各环节运行工况，并可下达操作控制指令。

    1、 图形与界面

    以示意图形式，在管理全局画面实时显示重点运行数据，如各泵站进出厂水流量、主要设备的运行状态；以泵站、变电站工艺仿真图形式，在局部画面实时显示泵站机组、电力控制柜变电设备、阀门、仪表、给排水泵、电力设备等工艺过程的主要工艺监控数据；数据表格界面，以表格形式，显示泵站所有监测数据，可以直观的浏览所有采集参数。

    2、 控制模式

    监控系统可根据用户要求实现就地控制、远程自动控制和远程自动控制模式，以实现不同工况下泵站监控系统的稳定、安全运行。三种控制模式的优先级为远程自动控制、远程手动控制、就地控制，就地控制具有最高优先级。

    3、 数据报表

    根据用户需求定制数据报表，查看实时报表，实时报表中包含全线所有参数的当前值可以随时打印实时报表，也可以定时打印，分为日、月、季、年多种报表。

    4、 数据趋势

    数据趋势分为实时与历史两种趋势，以曲线形式显示泵站水量、电力等参数的动态变化，可以直观的掌握参数变化的规律。

    5、 事件及报警

    数据报警界面显示，实现对每个参数的低低报警、低报警、高报警、高高报警的设置。以不同颜色形式，把当前报警、已确认报警和已恢复报警区分开来，每个报警量可以显示它的节点名、位号、描述、报警产生时间、报警消除时间、状态、当前值等信息[5]。

    6、 安全管理

    对重要设备的操作、重要参数的修改均会自动记录，包括登录的操作员、对设备进行的操作、时间以及修改前的参数值、修改后的参数等，以利于进行管理及事故分析。

    7、 用户管理

    系统管理员能够对用户的名称、密码、访问权限和优先等级等相关内容进行设置；记录用户登录和退出系统的时间及用户使用过的操作命令，显示用户是否在线和工作状态等信息；可查看事件记录，例如：某操作员于什么时间进行登录，什么时间退出登录等。

    8、 语音报警系统

    当需要对重要操作进行提示，以及泵站发生事故或故障时，能用准确、清晰的语言向有关人员发出报警。

    3.3 调度中心功能

    调度中心用于监控尔王庄泵站所辖所有泵站的运行情况，在权限允许范围内能够实现分中心的所有功能，并可以实现下列功能：

    1、 数据存储功能

    在调度中心配置有冗余的工业级历史数据库，能够对采集的重要数据实现存储。在存储监测数据时，包括该数据的采集时间、数值，同时存储该数据的标记、标注信息，且数据存贮时间间隔可以设定。

    2、 数据查询与检索

    历史数据的存储与检索对建立生产数据库、操作信息库、故障信息库数据进行在线存储，数据的存储时间最长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。

    3、 数据库功能

    调度中心配置的工业级历史数据可以实现系统参数设置、数据存储、数据管理、数据修改删除和更新、数据库安全管理、数据库用户管理、多用户数据查询和访问等功能

    4、 数据统计

    中心计算机对采集的数据进行各种统计分析，形成设定时间、区域范围的数据统计报告；

    5、 与信息化平台的链接

    提供与信息化应用程序的控件和接口，其中有数据库接口、运行画面接口和外部关系型数据库接口系统提供丰富的与关系型数据库通讯的函数和多种组件，包含ODBC、历史转储和事件记录。

   4 系统特点

   4.1 合理的安全运行配置方案

    在泵站控制系统中，公用现地控制单元用于监控全泵站公用系统设备，如果系统出现故障，控制系统将会瘫痪。因此公用现地控制单元选用冗余系统进行控制。

    机组现地控制单元只负责单个泵组的控制，且系统运行中有备用机组，机组控制系统的安全性相对较低，因此机组
   
    选用单机PLC控制系统。

    采用单机冗余组合系统，控制系统即满足了系统整体安全性要求，控制成本也相对较低。

    4.2 开放式的系统设计

    由于此工程为改造工程，且在此次系统改造前，已有泵站进行了自动化改造。能够将已经改造完成的自控设备接入集中监控系统，并能够为系统扩展留有足够的系统接口方式和系统驱动成为集中监控系统改造和扩建最关键的问题。
本工程充分考虑了系统改造和扩建的系统集成问题，采用的上位组态软件和利时的HollyView具有多家自控设备的驱动程序，能够与已经改造完成和后续进行改造的PLC等自控设备进行无缝通讯链接，并充分预留系统接入点和系统扩展接口。

    在现地控制单元，控制系统中有大量的数据是PLC通过串口方式实现与现场智能仪表进行通讯。而大多数的触摸屏也是通过串口与PLC进行通讯的。LK提供了串口通讯模块，支持modbus主从站协议，可以方便的实现与现场仪表及触摸屏的通讯。

    泵站计算机监控系统中各机组现地控制站间以及与公用机组现地控制单元PLC间实现数据通讯，以实现对全泵站机组的协调控制。LK提供了站间通讯功能，通过站间引用通讯数据功能块方便实现各站之间数据的交换。

                 

    5 结束语

    尔王庄泵站输水调度集中监控对安全性要求非常高，通讯量大，通讯结构复杂。作为改造和扩建项目，需要充分考虑系统的通讯接口方式、驱动程序的丰富和数据扩展能力。采用和利时HollyView组态软件和LK系列大型PLC系统进行自动控制，大大提高了系统的开放性、安全性和扩展能力。

    参考文献

    [ 1 ] 唐鸿儒, 陈虹. 泵站计算机综合自动化系统设计要求研究[J], 中国农村水利水电. 1999: 11, 29-31.
    [ 2 ] 唐鸿儒, 陈虹. 大型泵站综合自动化系统研制[J], 微计算机信息. 1997: 6(13),44-47.
    [ 3 ] 郭旭芳, 泵站综合监控系统研究与应用[D], 西南交通大学. 2005.
    [ 4 ] 王定一. 水电厂计算机监视与控制[M]. 北京: 中国电力出版社. 2001 
    [ 5 ] 董盛文, 蒋劲, 冯卫民. 大型泵站计算机监控及网络办公自动化的研究[D], 武汉大学. 2005

    第一作者简介：

    韩红哲，1975年2月出生，女，工程师，主要从事校园网络及信息化、自动化建设，天津科技大学信息化办公室）