高潭口泵站自动化改造

1、. . -. . . 资料.高潭口泵站自动化技术更新改造1冯 靖1陈 坚2马宜灵1 水资源与水电工程科学国家重点实验室，xx 大学， xxxx ，430072；2xx 创丰科技 xx ，xxxx ，430070摘要高潭口泵站是xx 省装机容量较大的排涝骨干泵站，建站至今在防洪排涝抗旱取得了良好的社会效益和经济效益。由于建站时间已达30多年，设备老化严重，自动化水平很低，为了更好的发挥该泵站的排涝作用，提高泵站的管理水平，对该泵站进展了自动化的更新和改造。通过这次技术上的更新和改造，提升了泵站的装备水平和科学技术含量，使泵站运行更加平安、经济和可靠。关键词 泵站plc 自动控制应用高潭口泵站位于

2、xx 省洪湖市黄家口镇东荆河右线堤岸上，是荆江北岸防洪排涝工程工程的第一期重点工程，是解决四湖流域涝灾问题的流域性骨干泵站。高潭口泵站装机101600kw，在设计工况下流量为190m3/s ，灌溉流量40 m3/s ，工程集提排、提灌、自灌于一体。建站至今在防洪排涝抗旱取得了良好的社会效益与经济效益。然而由于泵站运行时间长达三十多年， 泵房出现多处裂缝，设备老化， 自动化程度低等问题影响了泵站的平安和经济运行。 通过这次技术上的设备更新改造，可以更好地满足泵站的运行要求，大大提升了泵站的自动化水平； 能使泵站管理水平上一新台阶，逐步到达“无人值班、 少人值守的管理新体制要求。高潭口泵站自动化更

3、新改造采用计算机监控保护系统，该监控系统主要是实现生产过程的操作、控制、监视及管理。系统采用ifix 工控软件作为根本scada 软件和人机接口、图形显示软件 ,实现数据采集、通信、机组及辅助设备控制、电能计量等功能,通过人机对话对泵站机组等设备进展监控保护,并实现越限及设备异常报警、记录、打印制表、事件顺序记录、统计计算、事故追忆等功能。1泵站控制系统构造可编程序控制器(plc) 是一个很好自动控制平台，在工业生产领域中被广泛应用。其根本功能是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态,按用户程序解控制逻辑,然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。plc 内部具有丰富的输出继电器、保持继电器、计

4、数器、计时器、特殊继电器、a/ d(d/ a)转换器及输入输出信号显示,它可代替常规的电流、电压信号、中间继电器等实现自锁、互锁、顺序、延时等控制。它的工作稳定性、动作的正确及时的响应、易维护等，得到了广阔用户的一致肯定。整个系统分为主控制层和现地控制层，系统内所有计算机构成100 m 高速以太局域网,现场控制设备构成modbus 工业控制网络，两者在网络拓扑上是独立的，可独立运行。另外，双网络又相互联系，以太局域网相应级别的上位计算机可直接与modbus 网中的 plc 等现地控制单元通讯。双网络构造使得系统更可靠,即使局部计算机有故障,也不会影响现地控制单元的操作。该系统由10 套机组就地

5、控制单元：1 套辅机屏、 1 套公用屏、 2 台工业控制机、xx 台. . -. . . 资料.摄像机、距阵切换器、大彩色背投屏组成。其系统配置如图1所示。高潭口泵站每台泵配备一台plc，公用屏和辅机屏亦各自配备一台plc，温度巡检仪和转子接地保护柜没有安装plc。十二台可编程控制器均选用三菱的fx2n 系列的 plc(除公用屏采用的是fx2n32mr, 其余是 fx2n80mr) 。plc 通过对开关量的输入逻辑判断、采集的模拟量数据进展处理后，输出相应的命令，从而到达对泵站的上下压油泵、顶轴油泵、 真空泵、冷却泵等电机泵的启停控制，以及拍门、电动阀门的开关。在启动、运行过程中,任何一个环节

6、故障均可自动报警。该系统采用的三种控制方式：由后台监控机控制；由现地单元控制；由运行人员控制每一步操纵。2系统软硬件2.1 上位机软件系统采用 ifix3.5 作为根本scada 软件。 ifix 工业控制软件是美国intellution 公司的产品,是一种分布式生产自动化软件和控制软件,提供监控和数据采集功能。基于windows 平台具有很好的兼容性,可提供与多种数据库的接口。ifix 提供应用户一个图形界面,使监控操作更高效 ,把传统操作控制台变成了计算机和一个图形屏幕,执行监视、报警、控制等功能;同时具有生成报表和文件的能力,将许多需要的实时数据作成报表并保存,供以后分析。2.2 下位机

7、软件下位机采用的是三菱的gx developer version 7 操作系统。gx developer 具有以下功能：（1）制作程序；图 1 系统配置图. . -. . . 资料.（2）对可编程控制器cpu 的写入 /读出；（3）监视功能，包括回路监视，软元件同时监视，软元件登录监视；（4）调试， 把制作好的可编程控制器程序写入可编程控制器的cpu 内，测试此程序能否正常运转；（5）pc 诊断， 可将现在的错误状态或是故障履历表示出来，以便在短时间内恢复作业。我们可以通过编程电缆将编写好的程序下载到plc 的程序存储器里，还可以通过plc编程口在线监视plc 运行状态。2.3 硬件配置考虑到

8、 fx2n 网络的组成构造和高潭口泵站的实际情况，我们有两种组网的方式，分别见图 2 与图 3。n:n 网络模式是通过fx 系列的通讯模块fx1n485bd 或 fx2n 485bd 传输数据，但是传输的数据内容受限制，根据通讯参数的设置，每个plc 最大传输8 个 8 字节的数据存放器d,64 个辅助存放器m 的位存放器；而且组网的plc 个数最大为8 个。其中有1台设为主站，其余7 台为从站。主从站之间可以进展数据交换。电脑连接方式亦通过fx 系列的通讯模块fx1n485bd 或 fx2n485bd 传输数据，可以实现多台plc 的数据通讯。工控机为主站，plc 均为从站，主站与从站可以通

9、信，而从站之间不能进展通讯。根据高潭口泵站的实际情况，如果采用n:n 网络势必增加投资，最主要的是交换的数据太少不能满足实际需要。如果采用后面的接线方式，每台泵之间是不需要通讯，每台泵单独给辅机设备的下达启停命令就能满足要求，而且泵的启动允许条件完全可以通过辅机屏的plc 处理后直接通过硬接线接到每台泵的一个输入节点上或是让工控机采集这些信号处理后传给每台泵的plc。最重要的是从站的数量可以到达16 台即可挂16台 plc。因此给后面图 2 n:n 网络图 3 电脑连接网络. . -. . . 资料.的进一步升级改造留下了空间。现地控制单元是一台完整的单元控制装置，可脱离主控级计算机独立运行。

10、plc 直接完成生产过程的实时数据采集及预处理，本单元设备状态监视、调整和控制， 以及与全站控制层的通讯联络等功能。现地控制层按被控对象共设14 套现地控制单元 lcu ， 10 台机组每台机组各1 套 lcu控制单元、 公用设备和辅机设备各1 套 lcu 控制单元、 温度巡检仪和转子接地保护各一套。各现地控制单元与主控层相对独立，可直接完成生产过程的实时数据采集和预处理，以及本单元设备状态的监视、调整和控制等功能。通过网络实现各现地控制单元与全站控制层连接交换信息，实现现地设备的监视、控制及数据共享。微机保护装置、 温度测量等设备通过总线方式连接，实现相应参数的监视和控制。局部没有通讯接口的

11、设备那么通过现地控制单元的io 模块实现设备的控制和状态检测。就地控制柜由差动保护装置、后备保护装置、可编程控制器plc 、a/d 模拟 /数字转换模块、多功能电度表、转换开关和指示灯等组成，用于实现机组正常启、停、叶片角度及励磁调节器控制及机械保护功能。公用控制屏由2 台线路保护装置、2 台站变保护装置、1 台母联保护装置、4 块多功能电度表、 plc 可编程控制器和转换开关等组成，用于实现2 面高压进线柜、2 面高压站变柜和 1 面母联柜正常分、合闸及机械保护功能。辅机控制屏由触摸屏、压力仪表、 指示灯、 plc 可编程控制器和转换开关等组成，用于实现辅机分、合闸及机械保护功能。系统 i/

12、o 测点有 335 个开关量输入，212个开关量输出，76 个模拟量输入。温度巡检仪柜由10 台温度巡检仪组成，采集每台泵的转子和轴承温度，通过rs485送给工控机。转子接地保护柜由10 台转子接地保护装置构成，对泵电机提供可靠的接地保护。3系统功能高潭口泵站自动控制系统实现以下功能：1数据采集与处理功能。对模拟量输入、开关量输入、温度量、保护事件、电气量进展数据采集和处理。具体功能包括：a) 具有硬件和软件滤波功能；b) 数据有效性、合理性判别； c) 报警及事件的登录；d) 事故时，有语音报警、多媒体工业电视联动、自动录像。2运行过程的自动保护功能。运行过程中的自动保护功能包括：a) 电动

13、机机组的启、停操作； b) 快速闸门的启闭及开度监视；c) 主变和站变合、分、切换的操作；d) 全站油、水系统的运行和记录；e) 紧急情况下可手动按紧急按钮停泵。3统计、报表与查询功能。具体功能包括：a) 显示实时参数表，含全站各机组的电气参数及压力、温度、流量等动态数值；b) 累计全站日、月、年的有功、无功电度，机组开停次数、运行时间、总排水量；c) 利用 excel 电子表格方式组织和显示；d) 支持日、月、年的运行日志，并可通过年月日的选择，检索历史报表；e) 支持各种保护事件、趋势记录的查询。4人机界面。上位机的显示画面是整个泵站监控系统的重要组成局部，它通过各种动态的图形来表示整个泵

14、站各种设备的实时状态，给人以生动、 直观的操作效果。泵站计算机监控的主要画面包括：电气主接线图，枢纽布置图，泵站剖面图，站用电接线图，油、水系统图，开停机流程，监控系统配置、调试窗口、通信状态等画面。在各画面上除了动态显示各对象状态外，还显示对应的功率、流量、水位、温度等实时参数，对于每个操作对象都. . -. . . 资料.有对应的弹出操作面板，有口令和确定方能进展操作，防止误操作。5工程管理。以实测数据为根底，按照泵站、水闸等水工建筑物管理规程要求，自动计算并列出年度运行统计数据，并适时归档。6通讯。各泵站，水闸与工程管理中心，通过工业以太网交换机和光缆构成环网通道，实现遥信、遥测、遥控、

15、遥调、遥视等“五遥功能。7多媒体视频联动。通过多媒体系统的控制机与监控系统的主机在网上交换信息，实现在被控对象操作或泵站发生事故时，自动切换摄像镜头到相关对象或启动硬盘录像的联动功能， 使运行人员在中控室内，通过多媒体工业电视系统及时直观地观察现场设备的运行情况，以及事后故障的分析处理。4系统软件应用自动控制系统的程序根据泵站流程图，设计采用梯形图语言编程,使用编程器向控制器输入程序时 ,采用语句表形式。 系统运行时 ,plc 依次读取程序存储器中的程序语句,解释内容并执行。在高潭口泵站工程中，由于采用多种控制方式，如遥控与就地控制。如果采用遥控指令方式启机，必须有启动允许信号传递给控制每台泵

16、的plc。启动允许逻辑框图见图4。在工控机中的ifix 中操作遥控开机指令，通过通讯电缆把该指令的数据传输给辅机屏，如果供水泵、上下压气机、油压装置、顶转子油泵、真空泵在遥控位，plc 马上发指令让这些设备启动，通过反应信号如管道水压、气压、油压正常信号反应给辅机屏的plc，尤其做出逻辑判断，如果条件满足赋值给该柜中plc 的一个辅助继电器m，并输出一个开关量q(启动允许标志 )给 10 台就地控制柜的plc。这样在每台泵的就有了一个外部允许条件，当要启动的泵的状态满足条件，可以在上位机即工控机发要开特定泵的开机指令。辅机屏局部i/o分配表见表 1。图 4 启动允许逻辑框图. . -. . .

17、 资料.图 5 中的 m5 的值为工控机赋值的，表示为遥控标志。当它为“1时，触发开关量输出 y000y005 为“1，启动对应的泵与气机。当供水泵启动后过一段时间供水母管的水压力高于系统设定的值压力开关动作，其常闭点闭合，此时开关量输入x000 为接通状“ 1。其余设备类似，当x000、x010、x012、 x015、x020 和 x022 均为“ 1，此时开关量输出y010 为“ 1 、辅助继电器m10 为“ 1。启单台泵的程序需经过一系列的逻辑判断和运算，调整到启动准备状态后在工控机上发开机指令，流程图见图6。表 1 辅机屏 i/o 输入 / 输出节点表局部输入输出序号节点号名称序号节点

18、号名称1 x000 供水母管压力正常1 y000 启动供水泵2 x010 低压气压力正常2 y001 启动低压气机3 x012 高压气压力正常3 y002 启动高压气机4 x015 油压母管正常4 y003 启动油压装置5 x020 顶转子油泵在运行状态5 y004 启动顶转子油泵6 x022 真空泵在运行状态6 y005 启动真空泵7 y010 遥控启动允许8 m10 遥控启动允许标志. . -. . . 资料.以上仅为单台泵的启动流程，供水泵和其它泵、风机的流程虽各有异同，但都可以通过plc 的编程来实现其对应的各项功能。限于篇幅,上述内容此处不再详述。对于温度巡检仪而言，它只负责将采集到的数据通过rs485口传输给工控机，在上位机显示。 而报警动作直接通过硬接线送至对应的就地控制柜的plc 输入节点， 参与泵的启停、故障控制判断。5结语以 plc 为核心的泵站自动控制系统,实现了对泵、 阀等设备启动或停机的自动控制,到达了运行的高度自动化。具有编程容易,程序改变灵活,操作简单 ,工作可靠 ,控制精度高 ,抗干扰能力强等特点。而且系统构造紧凑,节省能耗