浅谈供水泵站自控系统的方案设计

《湖南水利水电）２０１３年第４期　欧金潘　（福建省莆田市水利水电勘测设计院　莆田市　３５１１００）　【摘要】　文章以莆田差别化化学纤维项目配套供水工程加压供水泵站自控系统方案设计为例，　介绍供水泵站自控系统各个单元的功能、特点、性能指标以及实现方式，用以阐明计算机综合自动　化控制系统在提高供水泵站的安全、可靠运行程度和经济管理水平方面存在着不可估量的重要性。　【关键词】供水泵站　自控系统设计　１工程概况　莆田差别化化学纤维项目配套供水工程供水　测量、管理等多功能为一体的自动化控制系统，系统　融人多种媒体视频监视技术，以推动供水泵站实现　“无人值班”（少人值守）、远程监控和优化调度、安全　对象为莆田差别化化学纤维项目，设计供水规模１３　经济运行。　万ｔ／日（约１．５　Ｉｌｌ　／ｓ），供水任务以工业供水为主。供　水线路方案选择考虑各供水线路长度和水头损失　２自控系统设计　系统内容主要包括：自控系统概述，自控系统原　则及特点，自控系统功能以及自控系统性能指标等。　情况，结合线路沿线的规划综合选择最优化供水线　路方案。工程最终所选方案为改造后郑山加压供水　泵站。该供水泵站为管道中途加压泵站，把水泵直　２．１　自控系统概述　接接人湄洲湾北岸供水工程一期主管道，同时作为　事故应急泵站，设有独立的进水建筑物，可另从东　圳渠道提水。当湄洲湾北岸供水工程一期管道下游　流量较小时，泵站不需运行，进出管之问利用原湄　根据供水泵站工艺流程和总平面布置，结合电　动机控制中心柜的位置和供配电范围，按照控制对　象的区域、设备量，以就近采集和单元控制为划分区　域的原则，供水泵站变配电设置一中央控制室，由可　洲湾北岸供水工程一期主管道作为旁通管过流，旁　编程控制器（ＰＬＣ）及自动化仪表组成的检测控制系　通管上设置逆止阀和电动蝶阀；当需要水泵启动加　压时，旁通管上的逆止阀和电动蝶阀自动关闭，以　防产生倒流。　统——现场控制站（ＬＣＳ），对泵站各过程进行分散　控制；再由通讯系统、监控计算机组成的控制系　统——控制室，对泵站实行集中管理。作为分控站与　上级调度的中心控制室之间由工业以太网进行数据　泵站改造后装机容量为３１５　ｋＷｘ４（三用一备），　泵站５层框架结构管理房一座；为了提高供水泵站　为方便后郑山加压供水泵站的运行管理，设计新建　通信。系统网络示意如附图。　监控层配备２台电脑作为操作员／工程师站，配　及管道运行时的管理效率，实时监测水质和管道压　置１台３　ｋＶＡ的在线式ＵＰＳ，确保系统的不间断供　力等，确保用水安全，设计建立一套集保护、控制、　电，配置１台激光打印机，以满足日常工作需要。　欧金潘，，浅谈供水泵站自控系统的方案设计　附图　系统网络不惹图　２．２　自控系统原则及特点　中央控制系统位于管理房中控室，由２台操作　员／工程师站、ｌ台激光打印机、１套ＵＰＳ及电池柜等　组成。监控计算机作为中控室人机交互界面，其上位　机监控软件采用冗余技术，实现对全站设备运行状　态观测并根据工艺运行要求下达控制指令。　（１）系统原则。系统具备先进性原则、可靠性原　则、开放性原则、安全性原则、经济性原则及可扩展　性原则。　（２）系统特点。系统采用分层分布开放式网络　结构，系统的软、硬件均采用模块化、结构化的设计。　第一级为管理控制站，设管理计算机、对主要工艺设　备进行集中控制和对生产过程中的工艺参数进行数　据采集。第二级为ＰＬＣ控制站，第三级为通过就地　箱手动控制完成。　监控软件采用面向对象、全模块化、结构化编　程，采用关系型数据库结构，采用堆叠式模块组成，　各模块独立完成相应功能，编程扩展方便，易组态、　全开放。　操作系统采用运行经验成熟，运行稳定可靠，抗　病毒功能强的实时多任务开放式操作系统。用户接　口支持多窗口操作，具有友善的用户界面。　控制设备采用可编程控制器（ＰＬＣ），监控界面　采用菜单形式，并具有强大的实时图形界面显示，可　方便进行机组控制和参数设置。　不同监控层的设备相互独立，局部故障不影响　整个监控系统的运行，现地控制层在监控系统退出　后仍能对机组进行正常控制操作。　主机与站内的保护设备均相对独立，仅通过通　信网络互联，整体可靠性不受局部影响，具备高度的　灵活性和扩展性，便于系统维护。　可实现故障报警显示，并进行统计分析、打印存　储等报警处理。可建立历史数据库，对个数据库进行　建档分析、处理，输出个种所需要的生产报表。　系统采用以太网的组网方式，通讯线有一处断　线不影响其他设备的通讯，通讯快速可靠。　可动态显示整个工艺流程的中貌图和分貌图、　设备的状态和各种参数值。　３自控系统功能　３．１　主控级系统功能　生产管理层设置于厂区管理房，中心控制室内　监控设备有操作员站／＿ｑ２程师站、工业交换机、网络　激光打印机及ＵＰＳ等。　监控计算机和管理计算机采用相同的软、硬件　配置，在正常情况下各自分担不同的工作。监控计算　机负责生产工艺过程的实时监控，管理计算机负责　数据处理和编辑输出生产报表。当其中一台机故障　时，可由另一台机替代。　用户界面以立体，动态图形式为主，局部反映一　些剖面，与相应画面有关的功能（手动自动、运行状　态设定、时间设定、参数设定、上下限、报警等）。报警　信息、自动运行条件能否满足的信息及解析方案可　以即时弹出，并有语音提示。　运行状态表中反映主要设备的开关状态、水泵　电流电压、现场仪表的参数、累计值（电量、水量等）、　综合运行参数（单位提水电耗等）。　计算机监控系统控制权分远方、中控室、现地三　级，可以进行切换。远方控制指上一级站调度的操　作，中控室控制指在监控系统的操作员工作站上的　操作，现地控制指在现地控制柜上的操作。控制权由　泵站端设置，优先顺序为“现地——中控室——远方”。　系统具有安全级别管理功能，提供全面支持冗　余的能力，系统在运行过程中自动检查主系统运行　状态，一旦发生错误备份系统自动投入运行，而不需　要人为干预。　在不同权限的授权下，操作员站、工程师站和网　络数据服务器均可作为监控主机，对系统进行操作，　优先级别由高到低依次为工程师站、操作员站。一般　情况下监控在操作员站上实现。控制层控制网络，要　６７　欧金潘，，浅谈供水泵站自控系统的方案设计　求为以太网，采用光纤环网，通讯速度≥１００　Ｍｂｐｓ。　工业控制网通过工业交换机连接到厂级局域网。　（２）就地控制。就地控制的优先级高于中央控　制，利用ＰＬＣ的逻辑控制功能，提供设备的自动、远　中控室与现场ＰＬＣ站通过以太网进行数据交　动控制及关联设备的联动、连锁控制。对于泵站工艺　　换。每个ＰＬＣ分站均由可编程序控制器（ＰＬＣ）、人机　设施，以远动和自动控制为主。界面（ＨＭＩ）等组成。中控操作站计算机作为中控室　（３）基本控制。基本控制具有最高的控制优先　人机交互接口，两台中控操作站计算机互为冗余，双　级，当控制方式手柄处于“手动操作”时，ＰＬＣ的控制　机热备。正常工作时，两台计算机同时工作，互相侦　被屏蔽。现场设备均可以在配电屏或控制柜上实现　测，并不断地完成同步操作，应用数据同时保存，当　手动操作与检查。这些配电屏或控制柜可提供基本　任何一台计算机出现故障，另一台计算机将迅速接　的控制连锁或连动。　管服务。应用切换时间小于５　Ｓ。　控制层作为过程设备（如：阀门、流量、压力测量　仪表等）和控制系统的界面，采用可编程逻辑控制器。　主控级主要具有以下功能：用户登录；数据采集　与处理；ＳＣＡＤＡ功能；报表功能；ＭＭＩ功能；事件顺　序记录；事故追忆和相关量记录；正常操作指导和事　故处理操作指导数据通讯；泵站设备运行维护管理；　屏幕显示；系统诊断；软件开发；仿真培训等。　３．２现地控制级功能　现场ＰＬＣ控制站是直接控制和监测若干生产过　程的单元，进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采　集、监测和控制，并向上级控制单元进行实时传送，上　级控制单元可调用各现场站的全部运行信息，通过一　定权限设定控制现场主要设备的启动和停止。　现场控制站设备主要包括可编程序逻辑控制器　（ＰＬＣ）、分布式Ｉ／０模块及以太网模块、现场操作界　面——触摸屏、隔离装置、ＰＬＣ柜、防雷电保护装置。　各现场控制站通过工业以太网交换机接入自愈光纤　环网。　综合监控功能可实现三层控制，即中央控制层、　就地控制层和基本控制层。系统的分站完成对数据　的采集和对设备的控制，并向监控中心传送所采集　的数据及运行状况。　以上三种控制方式的优先级别为：　优先于　优先于　基本控制　就地控制一中央控制　（１）中央控制。中央控制层协调泵站各现场控　制站的运行，处理局部的停机事故和紧急状态，维持　系统的整体协调。中央控制的操作界面是中央监控　中心监控操作台。对于无人值守的站点中央控制层　可直接远程操纵现场设备。　４自控系统性能指标　（１）系统实时性指标（表１）。　（２）系统可靠性、可维护性和可用性指标（表２）。　表　系统实时性指标　表２系统可靠性、可维护性和可用性指标　（下转第７２页）　张文栋邓亚，，灯泡贯流式机组远程在线监测系统选型及测点布置　离。与其他类型的位移传感器相比，电涡流传感器有　非接触测量，灵敏度高，线性范围大，频率范围宽，结　构尺寸小，抗干扰能力强等很多优点，特别适合于旋转　机械的振动监测，轴向位移监测及轴心轨迹监测等。　・系统的抗干扰措施　信号采集单元应采用进口铝合金机箱，具有抗　电磁辐射结构；与外部系统的连接采用光电隔离技　术；上下位机采用光纤通信，提高通信质量，网络系　技术参数：　统采用互为冗余的双网结构；模拟信号采用４线差　频响范围：（０￣２０）ｋＨｚ（一３ｄＢ）；测量范围：（０—　分输入方式，高共模抑制比，屏蔽线机柜侧应采用接　２．０）ｍｍ；探头直径：　１４　ｍｍ；探头牙距：１．５　ｍｍ；平　地措施，充分抑制引线干扰；振动摆度传感器安装时　均工作位置：约３　ｍｍ（大轴轴向位移除外）；灵敏度：　一安装应牢固；应采用工业级芯片或模块，减小温漂和　时漂；选用大信号输出传感器，增强信噪比；信号采　８　ｍＶ／Ｉ．￣ｍ；线性度：±１％；工作温度：（一１０￣＋１２５）ｏＣ；　电缆长度：最大１　０００　ｉｎ；供电电压：ＤＣ（１５￣５５）ｖ；专　集箱内电路设计应采用多种抗干扰技术；应采用在　用铠装电缆：５　ｍ；大轴轴向位移探头工作位置：约５　线式逆变电源，实现对交流电源的抗干扰滤波，保证　ｍｍ；特殊定制：防水防油。　交流电源的品质。　・振动速度传感器　对于振动传感器的选型应综合考虑最低测量　频率和传感器稳定性，同时综合考虑传感器的相频　特性。　５结论　灯泡贯流式机组转动惯量小，Ｔｗ／Ｔａ值较大，具　有适用水头低、过机流量大以及效率高等特点，广泛　用于开发低水头水力资源。本文结合大容量、高水头　技术参数：　参考灵敏度（２　Ｈｚ）的标准误差：＜±２％；幅值频　的灯泡贯流式机组运行过程中的特点，提出灯泡贯　率相应偏差（１－１５０）Ｈｚ：±６％；幅值线性度：±１％；量　流式机组在线监测系统选型及测点布置的优化方　程：４　ｍｍ（±２　ｍｍ）；灵敏度：８　ｍＶ／Ｉ．Ｌｍ（８　Ｖ／ｍｍ）；温　案，并成功进行了现场改造，实现远程监测。目前运　漂：０．１％／℃；输出：（１—５）Ｖ或者（４￣２０）ｍＡ；响应频　行效果良好，可为同类型机组在线监测系统改造提　　率：（０．５￣２００）Ｈｚ，３　ｄＢ；工作电压：ＤＣ（１５￣５５）Ｖ；防　供借鉴。护等级：ＩＰ６５；特殊定制：防水防油。　，，＇，ｌ，ｌｌ＇，ｌｌＩ，＇＇，＇，，＇’’　＇＇＇，＇　’ｌ’，＇　’ｌ’，，＇，＇＇，，，，＇ｌ＇＇，＇，，＇’’＇　，’’＇，’’’（收稿日期：２０１３—０５—２８）　’’’’＇’’’’’’’＇＇’＇＇，＇　（上接第６８页）　（３）系统适应环境能力和抗干　站各设备的运行状况，提高设备运行效率，节省能　扰能力指标（表３）。　耗，提高劳动生产率，降低运行成本，增强提水效益，　保证泵站的经济运行。　表３系统造成环境能办和抗千扰能力指标　至控馘级　现魁挺毹镟　（３）采用自控系　统后，可以在线监控泵　站运行状况，具有对定　值、图纸、报表、操作　票、机务等众多内容进　行管理，大大增强扩展　了泵站的管理功能。　参考文献　１环境温度　２相对湿度　（一５￣４５）℃温度变化率５ｑＥ／ｈ　３０％￣８０％　尘埃粒度＞０．　Ｉｘ，￣Ｊ￣＜１００００粒／Ｌ　｛一１（卜ｓ５）℃温度变化率５￣Ｃ／ｈ　１０￣／ｏ－，９５％ｔ琵凝堍、　尘埃鹈度＞ｎ５　个数＜１８０００・粒／Ｌ　３防尘能力　＜４０００ｍ　４海拔高度　５振动和冲击　振动频率在（５　００）Ｈｚ范围内，加速度５＋０．５　ｍ／ｓ　振动频率在（１０￣２００）Ｈｚ范围内，加　速葭１０＋０．５　ｍ／ｓ　６抗干扰能力　无线电干扰：（３０＂５００）ＭＨｚ，１０　Ｖ／ｍ　抗静电哥执　ＥＳＣ　１５０ＰＦ－１５０　：８　ｋＶ　电该慕各牲；　Ａ／ｍ　７噪声　设备正常工作时，距离设备１｜ｍ赴所产生的噪声小于６０　ｄＢ　５结论　１阳宪惠．工业数据通信与控制网络【Ｍ】．北京：清华大学出版　社．２００３．　（１）采用自控系统后，可以加快控制、操作过　程，避免误操作，防止运行事故发生，提高了设备的　安全可靠性。　２杨金奇，刘学军．工业以太网技术及其应用现状与发展［Ｊ］．　四川工业学院学报，２００２，（４）．　３郑晟，巩建平，张学．现代可编程序控制器原理与应用【Ｍ】．北　（收稿日期：２０１３—０５一ｌ１）　（２）采用自控系统后，可以直观了解供供水泵　京：科学出版社，２０００．　７２