引水工程自动化监督设计

引言

引水工程计量站与泵站一般都分布在城市郊区的各个角落，站点多而散。为了科学合理、系统地调度各个泵站及计量站，实时监控各个泵站与计量站的运行状态，许多先进的自动化控制技术越来越多地运用到泵站的自动监控系统中。本文以深圳市北线引水工程为例，介绍远程、分布式自动化监控系统在工程中的运用。深圳市北线引水工程计算机监控系统有关的工程设施包括北线调度中心、上埔取水泵站及北线引水工程沿线的多处分水口，另外还包括已建成的龙茜供水工程沿线分水口。北线引水工程及龙茜供水工程沿线分水口分别设有节制闸、放水阀、流量计等设备，为实现对工程沿线闸、阀及流量计设备的监控，共设有13个计量控制站。在上埔取水泵站设立机组在线监测分析系统。负责对机组的状态信号进行数据采集、处理、分析并完成机组故障的预警和报警。全线调度通讯系统采用先进的VOIP技术。通过设置设备实现调度中心与各子站VOIP端口之间的双向热线功能。设立视频会商系统包括主会场（调度中心会议室）和分会场（上埔泵站中控室），分别配置多点控制器（MCU）、系统管理终端等设备。本工程实现了系统状态数据采集、数据整合及分析、设备运行状态分析、优化运行计算机模拟分析、专家决策支持、用户界面以及其他辅助功能等功能模块，并在此基础上实现供水系统的优化调度及调度管理自动化。此外，还包含流量平衡与控制子系统、事故处理与子控制系统、供水安全分析子系统。

1系统结构设计

计算机自动控制系统为分层分布、开放式结构，采用环形冗余光纤快速以太网拓扑结构。控制方式和设备配置分为调度中心层、泵站中控层、现地控制单元层（LCU）和设备就地控制（箱／柜），可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。主要包括调度层计算机监控系统、泵站层中控层计算机监控系统和计量控制站监控。（1）调度中心层监控系统结构配置。调度中心监控系统采用冗余结构配置，系统主要设备如：操作员工作站、数据库服务器采用双机热备，能实现自动无扰动相互切换；系统配置数据服务器，通过内部网络以Web浏览器方式向管理层提供系统运行的实时数据和信息，便于管理层随时掌握供水工程运行工况；系统配置语音报警装置，通过标准普通话向运行维护人员报告事故和故障发生时间、设备、类型等情况；系统配置工程师工作站用以完成对系统的维护、对数据库数据进行分析、编制、打印报表等工作；系统配置大屏幕显示器、视频图像服务器、调度电话交换机等设备；系统配置GPS时钟同步设备、打印机等；配置11kVA的在线式UPS。UPS投入时间应具有在常额定负荷情况持续2h供电能力。系统所有机构（调度中心、上埔泵站、各计量控制站）局域网均采用交换式以太网结构，TCP／IP协议；调度中心各工作站、服务器采用100M以太网，调度中心与上埔泵站、计量控制站间采用1000M以太网。各系统之间通过光缆连接，光缆沿输水管线敷设。（2）泵站层监控系统结构配置。根据泵站运行特点，泵站按单元划分：电动机抽水泵机组单元，每台水泵组为一个单元，设一个现地控制屏，布置在机旁；泵站供电、变电及公用设备各设一单元，设三公用控制屏，布置在中控室。泵站计算机监控系统按分层分布的原则，系统分层结构自下而上，设泵站级计算机监控层和分布的设备单元监控层：———现地单元监控层———泵站监控层泵站监控层设置两台工控主机／操作员站，泵站监控计算机与现地监控单元通过100M工业以太网交换机连接，实现对各种设备的运行数据信息采集和实时控制。（3）计量控制站监控系统设备配置。本工程的各个计量控制站沿供水线路分散布置。由于各计量控制站兼有控制及测量的功能，因此考虑在现地配置一套小型PLC，实现对电动蝶阀和流量计等设备的运行监视、信息采集和控制。该PLC配置以太网接口，经以太网交换机通过光缆与调度中心及上埔通讯。（4）监控系统软件配置。监控系统软件包括计算机系统软件、基本软件、应用软件及工具软件等。计算机监控系统（SCADA）的采用Wonderware公司的SQL数据库管理系统（500点），用于数据库管理。监控软件采用在工业控制界最为流行、功能强大的Wonderware公司的Intouch10．0中文版。此外，系统还应配置了数据软件、语音报警软件、数据库自动查询软件以及用以生成报表和报告的MicrosoftWord、Excel软件。（5）系统网络结构。本工程全线数据传输网络以单模光缆（24芯）为介质，按满足长距离和抗干扰要求进行设计，连接调度中心、上埔泵站和各个计量控制站的光缆采用冗余环网。计算机监控系统采用主干为1000M的工业以太网结构。自动控制系统、工业电视监视系统、调度通讯系统等建立在该网络系统的基础上。本系统在调度中心预留与市水务局的通信接口。北线引水工程计算机网络结构见图1。网络系统分为骨干层和汇聚层，骨干层由调度中心的网络交换机构成。汇聚层由泵站、计量控制站点的工业交换机构成。网管系统实现网络系统的集中管理。调度中心至沿线各泵站、计量控制站采用千兆光纤环网。PLC、视频设备、IP电话设备采用工业以太网（TCP／IP）协议，其应用层采用标准、开放的通讯协议，采用100Mbps速率接入网络交换机。业务数据以基于工业以太网交换机组建的100M和1000M相结合的网络系统进行传输。对于视频数据通过转换成IP信号后接到相应的交换机上，通过网络系统传输到控制中心。沿线泵站、计量控制站的音频数据采用IP通信方式，具备了实现VOIP业务的重要承载条件。

2系统功能设计及软件组成

2．1计算机监控系统基本功能的设计

2．1．1数据采集和处理监控系统数据采集分为调度层和站级层数据采集。采集机电设备的电气量、非电气量并进行计算、按照数据就地处理的原则完成数据预处理并与设定值比较、趋势分析、形成统计报表，向中控室层传送其运行、控制和监视所必需的数据。完成下列数据采集与处理功能，及工程值变换：电气模拟量采集：定时采集泵组电压量、电流量、频率、有功功率及无功功率等参量，上送中控室层并在现地监控盘上显示。非电气模拟量采集。定时采集泵组定子线圈、泵组轴瓦轴承及其冷却器温度，以及泵组振动、压力和有关流量。过程控制状态量采集。其中包括在机组启动、停机时采集泵组各个操作顺序步的状态量，并进行记录，同时向中控室层发送控制过程中的数据等等。保护报警量采集。记录报警事件发生的时间、地点和事件性质等参数，及时向中控室层上报有关信息并在现地给出报警显示和音响。泵组机械保护量采集：随机采集泵组机械保护动作信息及时将保护动作信号送往中控室层并在现地监控盘上显示报警和音响。泵组及附属设备状态量、报警量采集：监视各泵组及其附属设备的运行状态，发现异常情况及时向中控室层传送信息，并在现地控制盘上声光报警。累加有功电度和无功电度脉冲量，将累加电度量进行工程量变换，定时或召唤传送到中控室层。抽水运行状态下的有功、无功电度具有按电网峰、平、谷时段累计功能。泵组现地控制单元除能自动定时或随机自动采集各种模拟量、开关量和脉冲量外，还能根据中控室层的指令随时采集所要求的参量。控制单元采集到的数据可根据中控室层的要求上送全部采集数据或部分数据。事故和故障情况下能自动采集事故或故障发生时刻的各种数据，并将其发生的顺序按时记录下来。控制单元各种测点的设计排列遵循一定的规律，以方便操作人员的工作。

2．1．2引水运行监视运行监视主要包括状态监视、过程监视、越限监视和报警监视。现地控制单元配置带12″以上的显示面板。显示面板能显示主要电气量、主要非电气量以及附属设备的状态、参数及有关画面，显示具有循环和定点两种方式。显示面板带有年、月、日、时、分、秒和必要的文字说明。对于相关机电设备显示顺序操作的全过程，对于程序停滞、故障点给出报警说明。对于故障和事故信号报警方式为：音响报警、控制盘上信号灯点亮以及显示面板推出相报警画面的设备部位闪烁、变色和报警信号表中相应项变色等。故障和事故信号报警能根据不同性质，给予区别。对重要机电设备温度、压力等非电气量进行越限检查，发现异常时，向中控室层传递信息并在现地发出报警显示和音响。对各类顺序操作和事故下的动作情况实现事件顺序记录，记录事件的时间、地点和性质，事件顺序记录的分辨率满足本规范的有关要求。

2．1．3自动控制与调节接受调度中心或中控室或盘面按钮、按键的控制命令，与泵组及公用LCU协调配合，自动对系统主要机电设备进行闭环操作和自动调节。包括：泵组启动、正常停机自动程序控制；事故情况下泵组紧急停机控制；切投电容补偿装置，使无功就地平衡。泵组LCU脱离中控室层、调度层时，仍能具有完整的控制功能，保证泵组的安全运行。

2．1．4现场操作要求泵组LCU设有上位机／泵组LCU控制权切换和自动操作／分步操作的开关，以及启动泵、停止泵和紧急停泵按钮和调节开关等，实现就地控制泵组及其附属设备安全开停，对断路器和各种隔离开关（不包括检修接地隔离开关）的分／合控制等。现场操作有严格的防误操作措施、安全闭锁和操作权限制。

2．1．5通信功能泵组LCU通过10／100M以太网与中控室层计算机通信，进行数据交换，接受上位机发来的控制命令，并将执行情况和结果回送至上位机，接收系统同步时钟信息以保持时钟同步。泵组LCU具有与公用LCU的通信功能（或采用硬布线方式），交换有关信息和命令，协调完成控制和调节功能。具有与继电保护系统的接口，能提供2条独立的接口通道。1条通道为LCU输入／输出继电器空接点经I／O光隔硬布线连接，另1条为串行数据通信通道。两条通道均能独立工作，且对设备和计算机监控系统无造成干扰。与机组附属及相关设备的通信采用modbus现场总线技术，总线介质为光纤或双绞线。

2．1．6自诊断功能可在线或离线自检本单元设备故障，给出故障信号，指示故障部位。能自诊断出下列硬件故障并定位：PLC基板故障CPU模块故障I／O各模块故障控制模块故障通信模块故障电源模块故障在线UPS故障多功能电表故障当诊断出故障时能自动切换到备用单元或闭锁控制出口，并将故障信息报警显示和上送。对各组态软件能自诊断出故障软件功能模块及故障性质，能防范病毒入侵和非法修改，并给予报警。软件具有良好的容错功能。

2．2图像监视功能设计系统设备配置。视频监视系统由前端设备、传输设备、控制设备、显示4大部分组成。前端设备由安装在被监控点附近的高分辨率的一体化球形彩色摄像机和固定彩色摄像机组成，负责图像和数据的采集及信号处理；传输设备根据传输距离和图像质量的要求可选用各种不同的线缆、接口设备：通过数字硬盘录像机、矩阵及图像控制器，可以将视频信号（模拟量）转换成可以传送的图像信号，负责完成前端设备和图像切换的控制、云台和镜头的控制、系统可分区控制和分组同步控制以及图像检索与处理等诸多功能：显示设备根据不同的图像显示要求，选择在不同的显示设备上进行图像显示及微机监控内容显示，使值班人员能够在控制中心实时直观的看到来自前端监控点的任意图像及监控系统运行控制参数。在前端现场对图像采集控制部分，选择带雨刷、自动调节等功能的全天候室外型防护罩，功能强大的全方位云台，高清晰度、600线以上彩色摄像机，云台镜头控制器（解码器）以及相关的传输设备，视频信号和数据信号，选择合适线路进行传输。

2．3系统软件组成为适应远程分析和诊断，采用基于Intranet／Internet的技术，创建完全采用B／S开发模式体系结构的数据传输模式，使得在网络所达到的范围内（包括站内MIS网和广域网），都可对泵组进行有效地监测分析和故障诊断。为用户提供快捷、方便的网络服务。基于B／S结构网络测控系统由测控网络、处于监控现场的测控机、远程监控和管理用的WEB服务器、数据库服务器SQLSERVER和远程工作站5部分组成。各部分作用如下：（1）处于运行过程现场的测控机。它接受远程工作站的命令和参数，并对这些命令进行解释和执行，然后将远程工作站所需的数据或者命令的执行结果反馈给远程工作站。若现场工作任务较轻或者工作量小，则远程测控软件可以运行在现场监控操作站的机器上。（2）远程测控和管理的WEB服务器。它是一个Intranet站点，有若干张能对运行过程或者设备进行远程操作的WEB页面，页面内插入了可以进行远程测控操作的AcitveX空间。当用户需要进行远程操作时，先登录到此网站，再下载相应的页面，就可以进行远程操作了。（3）数据库服务器SQLSERVER。它是独立设置的用于存放运行过程监控和测控设备管理的数据库服务器，运行过程中的历史数据、现场智能测控设备实时管理数据、远程用户的操作权限数据、远程操作日志等都存于这一数据库中。必要时它可以提供实时数据服务。（4）远程工作站。它是普通的具有WEB浏览器的个人计算机，无需安装任何专业软件。

3结论

引水工程规模大，线路长，构成复杂。北线引水工程计算机监控系统建成后，可对本工程的安全运行调度进行有效监控，可以在调度管理中心和引水泵站实现对泵站和各个计量站的监控，泵站及各个计量站可实现无人值守（少人值守），系统地建设为更好地调配水源，配置水量，保证工程安全运行，提高工程安全运行管理水平奠定了基础。