大型泵站的自动化监控系统

电工技术杂志 2004年第8期

大型泵站的自动化监控系统

欧阳道生 杨小青

(宁波天安集团 315200)

摘 要 大型泵站的自动化监控系统一般包含供电系统自动化、PLC 集散控制及数字视频闭路监视等几部分, 本文以南京市某工程实例介绍大型泵站自动化的综合解决方案。 关键词 泵站 自动化监控 PLC

1 引言

泵站是大型水利、环保、城市供排水及企业水务等工程的重要组成部分, 一般由供电和排水(或供水) 两大系统构成。大型泵站的自动化由供电系统自动化、PLC 集散控制及数字视频闭路监视等几部分组成。随着计算机技术、网络通信技术及PLC 软硬件的快速发展, 工业自动化控制也开始向智能集成、信息整合方向发展。本文以南京市某大型泵站工程(本文简称 泵站工程 ) 的建设为例对大型泵站的自动化监控系统进行探讨。

泵站工程是一个城市污水排放处理和防汛排涝的市政工程。工程供电系统按双电源模式设计, 主备电源各由一台2000kVA 的变压器组成, 高压配电室共有各种电力开关柜12台, 低压配电室共20台低压馈电柜和一套直流电源屏。水处理设施:10台大功率轴流水泵机组(单机容量为280kW) , 10台大型电动阀门、6台大型起闭机、10台格栅和两条皮带输送机等大型设备及水压传感器、超声波液位计、流量计、温度计等检测仪器。工程平面布置如图1

所示。

2 泵站自动化系统方案

2 1 系统结构

泵站自动化系统结构如图2

所示。

图2 自动监控系统示意图

2 2 系统说明

系统采用分层、分布结构体系, 即由现场设备层和远程操作管理层组成。设备层的继电保护装置、测控仪表、智能断路器及PLC 系统组成多个通信总线汇接到多串口服务器Nport Server, 然后经以太网送后台监控管理计算机, 并在这里进行多协议转换。由于规约库提供了多个常用通信规约, 既可接入自己的产品也可将国内外具有标准通信协议的设备包含进来, 这种良好的包容性大大提高系统的适用性。主干采用10/100M 以太网通信结构, 利于增加后台通信的距离和速度, 而且易于接入Internet 。

在视频监视方面, 应用桑塔奇数码的软硬件系

图1 工程平面示意图

统, 由室内室外智能一体化高速球形摄像机对内河

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水情、泵房内外设备现场以及外河水情进行监视, 视频信号通过485总线传到视频监视主机, 主机也是一台八路数字录相机, 能自动进行硬盘录相。供电系统自动化主要实现就地的测量、控制、继电保护和远方的 四遥 (即遥测、遥控、遥信、遥调) 。测量是指各回路电流、电压及频率的测量, 并由此计算得到有功、无功、功率因素等电量数据。保护实际上是指电力系统的继电保护, 包括变压器的差动保护与后备保护、馈线的线路保护、电容器保护以及双电源供电系统的备用电源自动投入等等。保护动作的依据是测量值与整定值的比较结果, 因此要提高保护的准确性, 就要保证测量的精度。在此采用直接交流采样的方式, 通过高精度的AD 转换和数字滤波, 结合科学的继电保护算法, 大大提高了保护的精度。各继电保护装置、测控仪表及具有测控保护功能的智能开关通过通信网络与后台监控计算机进行信息交换, 实现远程监控管理。

PLC 的过程控制, 也是泵站工程自动化监控中的一个重要组成部分。以PLC 主站及其分布式I/O 站作为控制处理核心设备, 以触摸屏作为当地人机交互界面, 对相关供电设备和泵房内的水泵机组、电动阀、起闭机、泵房外的格栅、皮带输送机、起闭机等水处理设备进行监控, 通过A/D 转换模块对超声波液位计、水压计、流量计以及温度计等传感器采集到的模拟量进行转换, 由开关量输入模块检测各设备的开关、按钮状态, 根据设定的程序逻辑控制开关量输出模块输出执行命令, 实现泵站的自动化监控。

DDO 353 00模块。模拟量处理模块选用三块16通道的ACI 040 00模块。PLC 分站与主站之间采用专用电缆, 中间加接Modbus Pluse 分支器

。

图3 PL C 系统配置

3 2 PLC 监控要求

(1) 所有设备的控制均有手动和自动两种方式, 在调试、检修或突发事件时可在设备现场进行手动操作, 正常情况下由PLC 进行自动控制。

(2) 水泵机组的起动由内河水位控制, 水泵起动前要先确保对应的电动阀门处于打开位置, 泵房内1、2号闸门和外河大堤的下部5、6号闸门处于关闭状态, 3、4号起闭机处于打开状态。如以上条件不满足则先控制电动阀或闸门处于正确位置。在非汛期外河水位很低或水泵都没工作时, 内河主要通过自流方式向外排水, 此时所有闸门均处于开起状态。

(3) 格栅要定期将内河的漂浮污物打捞上来由皮带机输送运走。两组格栅和皮带机, 每组5台格栅和一台皮带机, 每天定时控制起停, 时间可以设定。

(4) 为了延长水泵机组的寿命和均衡各机组设备的工作性能, 杜绝部分设备长期闲置或锈蚀而其他设备长期运行导致磨损, 因此要有效分配各机组设备的工作量, 即要求对所有水泵机组进行均衡运行控制。

(5) 要对所有设备的故障信息进行采集并可报警保护。如电动阀、起闭机的电气故障、过力矩, 水泵机组的电气故障、绕组超温、轴承过热、电机漏水、接线腔漏水、油室漏水等等信息均要由PLC 进行采集处理并上报。

(6) 为避免影响电力波动, 所有水泵电机的起动都是逐一起动, 间隔10s, 绝不许有两台或以上的水泵电机同时起动, 停止时也是逐一停止, 间隔2s 。

(7) 对所有设备的状态信息如手动/自动、运行/停止、正常/故障和所有模拟量信息如内外河和

3 PLC 集散控制系统

3 1 PLC 选型配置

本工程选用Schneider Modicon 的Quantum 140系列PLC 。由于外河河堤等地的设备到控制室距离较远, 为节省布线成本、减小干扰, 采用两个分

布I/O 站。PLC 站选用16槽底板, 电源选用两个CPS 124 20模块, 冗余配置。CPU 模块选用CPU 113 03, 带Modbus 和Modbus Pluse 两个通信接口。通信模块选用NOE 771 01, 支持T CP/IP或Modbus TCP/IP 的工业以太网, 带RJ45和光纤两种接口。开关量输入和输出共选用八个32点的DDI 353 00模块和四个32点的

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集水池等处的水位高度、水泵出口压力、水道流量等等信息参数均能在触摸屏和上位机上直观显示。3 3 PLC 程序设计M odicon T SX Quantum PLC 基于Window s 的编程工具 Concept V2 6有着丰富的指令、完善的运算能力, 能满足各种特殊的算法和应用要求, 支持984梯形逻辑图, 支持功能块编程并可自定义功能块, 具有强大的变量管理和在线帮助功能, 自带程序仿

真器, 使PLC 编程更直观、可视化、方便调试。

在程序编写前, 先按一定的规律定义好输入输出及中间寄存器变量, 按控制要求编写逻辑控制框图。为方便程序的读写和调试, 采用梯形图编程, 将整个程序分为电力监控、水泵机组控制、起闭机控制、格栅与皮带输送机控制、工程量转换运算与电机均衡运行算法等多个分段(Section) , 如同单片机编程中的子程序, 每段程序可以独立仿真或关联调试。

水泵机组的控制程序包括:首先将泵房内的水泵分成两组, 每组各五台, 并编号加以识别。将水位从最高值到最低值共分成五档, 作为控制水泵运行数量的依据。然后开辟起动顺序表和运行时间表的内存空间, 通过比较实时水位对应要运行的水泵数与实际投入运行的水泵数, 确定是否增加起动水泵。如增加, 则按起动顺序表的顺序从第一位开始起动, 水泵运行到设定时间后就替换空闲泵, 待水位下降到最低时所有水泵逐一停止。每次开泵或停泵都要动态刷新起动顺序表。程序逻辑框图如图4所示。

3 4 触摸屏组态

以Mag elis XBTF03451010 4 触摸屏作为车间层监控人机交互界面, 实时监测各工程量和相关设备的状态, 并可通过触摸键对关联设备进行控制。触摸屏的组态是通过软件XBT L1000进行的, 为了丰富显示信息, 通常要考虑系统帮助说明、工程结构布局、工程实时数据、设备运行状态、触摸控制、故障报警信息以及系统参数设置等等界面的设计, 在参数设置和触摸控制等方面还要考虑操作权限, 防止非法操作造成事故。

3 5 通信

MODICON PLC 不仅提供对标准的TCP/IP 以太网和事实上工业标准Modbus 和Modbus Plus 的支持, 而且提供了对Interbus S 、Lonw orks 、Profibus 、Hart 、FF H 1和H SE 等众多流行网络的支持。有的10/100M 自适应以太网通信模块内置Web 服务器, 可以使用标准的PC Web 浏览器浏览PLC 内的配置信息、用户程序、系统状态、远程I/O 站的状态以及用户自定义网页等。PLC 的程序下载上传和仿真调试可以方便地通过对等网络进行, 大大提高通信速度。工业以太网通信已成为PLC 及其他工控产品的发展趋势。3 6 上位机监控管理

上位机是整个泵站工程的SCADA 平台, 也是一个监控管理总站。拥有美观方便、实用性强、专业完善的人机界面开发及表达工具, 提供全面的电力及水工业专业图库, 自动化系统建模工具, 自动

(下转第99页)

现代新型传感器技术及应用(下) 电工技术杂志 2004年第8期

ITU 单元与DBC 数字式断路器控制器一起完成选相合、分闸操作。

化波纹管的参数, 将末端波纹管硬度提高到比中央波纹管的硬度高, 来消除由电弧运动作用施加到末端波纹管上的作用力。这些新技术也是值得注意的。

参考文献

1 M asao T akahashi, Hideki N ode et al. IEEE T ransact ion

on Pow er Delivery, 1997, 12(10)

7 结束语

(1) 随着现代电力系统的发展, 传统的电磁式电流互感器、电压互感器暴露出越来越多的问题。而新型的电流传感器、电压传感器的出现可以解决这些问题。

(2) 微处理机技术、传感技术、光纤技术与网络通信技术蓬勃发展, 这些技术日臻成熟, 为实现强电与弱电结合、开发智能化高压电器产品、变电站自动化提供了可靠技术基础, 并且提高了高压电器可靠性及输配电可靠性。

(3) 计算技术、传感技术与新工艺等的应用又促使应用新原理的新型断路器的诞生。例如配永磁操动机构的智能型真空断路器, 其操动机构为永磁方形(或圆形) 双线圈, 利用永磁特性保持合、分闸状态, 不到10个器件; 采用电磁推斥机构的大容量快速真空断路器, 它是依靠电磁推斥线圈的电磁驱动力来改变合、分状态, 而保持状态采用碟形弹簧。多功能真空灭弧室的开发, 这种真空灭弧室采用新型的最适合电弧运动的桶形波纹管, 通过优

Technique of Modern Novel Sensor and its Application

Chen Zhensheng

(X ian high voltage Apparatus Research I nstitute) Abstract T he principle of modern no vel sensor i s introduced, its dimension is small, its performance is not effected by mag -netic saturation and electr o -mag netic field, its fr equency band -width is bounteous. T his paper presents its application for med-i um voltage switchg ear, for gas and air isolated hig h voltage sw itchgear, and for substation.

Keywords subst atio n optical current sensor optical voltage sensor Rogowsi current sensor R divider voltage senso r 收稿日期:20040512

(上接第84页)

生成实时和历史数据库、完善的报表系统、完美的实时、历史和负荷曲线/棒图, 支持统计分析和事件语音报警、记录、在线打印等功能。

4 郭宗仁等 可编程序控制器及其通信网络技术:(第一版) 北京:人民邮电出版社, 1999

4 结束语

大型泵站的自动化实质是电与水的综合自动化, 是对供电自动化系统与PLC 集散控制系统的有机集成, 其关键是多系统多规约的汇接与转换。

参考文献

1 蒋继申等 给水行业自动控制系统 南京:河海大学出

版社, 1999

2 刘恒文, 王斌, 金自力 排污泵站变频智能监控系统的

设计 给水排水, 2002(8)

3 刘家春 泵站经济运行方案的确立 水泵技术, 1998

(2)

The Automatic S upervisory C ontrol System for Large Pu mping Station

Ouyang Daosheng

(N ingbo T ianan g roup)

Abstract T he automatic supervisor y co ntrol system for large pumping station usually contains po wer system automation, PL C Distr ibuted Control system and dig ital v ideo monitor T he automatization of the large pumping station w ith a pr actice of Nanjin is discussed.

Keywords pumping station automatic superviso ry control PL C

收稿日期:20040604