白沙灘泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的改造
1 引言
白沙灘泵站是吉林省白城市引嫩入白供水工程的首端提水泵站，坐落在白城市鎮(zhèn)賚縣嘎什根鄉(xiāng)丹岱村境內(nèi)，位于吉林、內(nèi)蒙古和黑龍江三省交界處。白沙灘泵站設(shè)計(jì)提水流量65立方米/秒，設(shè)計(jì)揚(yáng)程9.23米，設(shè)計(jì)總裝機(jī)10200千瓦，設(shè)計(jì)正常運(yùn)行嫩江水位138.35米。
白沙灘泵站設(shè)雙10kV進(jìn)線開關(guān)站，雙主變供電，一用一備。泵站主泵電壓等級(jí)6kV，采用2000ZLQ-9.2型立式軸流泵機(jī)組六臺(tái)，單機(jī)設(shè)計(jì)最大流量13立方米/秒，單機(jī)裝機(jī)1700千瓦。每臺(tái)泵組出水側(cè)設(shè)工作門和事故門2個(gè)快速閘門。改造前其自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用許繼的8000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)概述
2.1改造前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
白沙灘泵站原自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通信方式為有線組網(wǎng)方式，控制級(jí)別分為泵站監(jiān)控層、LCU監(jiān)控層及現(xiàn)地設(shè)備三級(jí)。泵站監(jiān)控層與LCU監(jiān)控層連接的主干網(wǎng)鏈路采用以太網(wǎng)（10/100M自適應(yīng)），各現(xiàn)地LCU至核心交換機(jī)傳輸介質(zhì)為光纖，能有效減少電磁干擾。泵站中控室設(shè)2臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)工程師站，
自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層采用TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用層操作員工作站與各LCU柜內(nèi)設(shè)備采用IEC60870-5-104通訊，工程師站與各保護(hù)設(shè)備采用IEC60870-5-103通訊，兩種通訊協(xié)議共用同一物理傳輸介質(zhì)。由于PLC及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不支持IEC60870-5-104及IEC60870-5-103通訊規(guī)約，在現(xiàn)場(chǎng)各智能儀表接口與核心交換機(jī)之間，設(shè)置MCU801串口管理裝置及網(wǎng)關(guān)，智能儀表通過MCU801（主控級(jí)PLC通過網(wǎng)關(guān)）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的103或104規(guī)約，通過以太網(wǎng)與各上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。具體示意如圖2所示。
2.2改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
白沙灘泵站改造采用國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院研制的EC2000自動(dòng)化監(jiān)控軟件。系統(tǒng)上位機(jī)采用冗余配置，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，局部故障不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式、控制級(jí)別與原系統(tǒng)相同。結(jié)合成本考慮，網(wǎng)絡(luò)物理傳輸介質(zhì)及核心交換機(jī)等使用原有設(shè)備。泵站上位機(jī)配備2臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)工程師站，另增設(shè)2臺(tái)通訊服務(wù)器，用以與白城集控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層采用與原系統(tǒng)相同的TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用層上位機(jī)與各LCU柜內(nèi)PLC使用Modbus規(guī)約通訊，上位機(jī)由操作員工作站（主機(jī)）采集各種數(shù)據(jù)或下發(fā)控制命令，并通過廣播方式與網(wǎng)絡(luò)上的從機(jī)、工程師站、通訊服務(wù)器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及存儲(chǔ)。
現(xiàn)地LCU柜增加了國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院研制的SJ30通訊管理裝置，通過編程，SJ30采集現(xiàn)場(chǎng)各智能儀表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集中處理，通過串口方式上送至現(xiàn)地LCU柜內(nèi)PLC。SJ-30系列通訊管理裝置有8或16個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，能實(shí)現(xiàn)PLC等設(shè)備和其它通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊，可以定制不同的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，滿足不同客戶的不同需求。
3 改造技術(shù)難點(diǎn)及解決方法
白沙灘泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中，處于成本考慮，業(yè)主要求在盡量少增加硬件設(shè)備的條件下，完成整個(gè)泵站的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造，并對(duì)改造后系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性及功能性提出了很高要求。在對(duì)泵站原許繼8000監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件充分調(diào)研后，結(jié)合業(yè)主改造需求，確定了以國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院研制的SJ-500監(jiān)控系統(tǒng)為依托的改造方案。最終取得較為理想的改造效果。
3.1系統(tǒng)改造的可靠性及實(shí)時(shí)性分析
原監(jiān)控系統(tǒng)通訊實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，并且在開機(jī)、停機(jī)過程中在出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或通訊阻塞情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析確定原因如下：
（1）原系統(tǒng)中上位機(jī)2個(gè)操作員工作站及1個(gè)工程師站分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，可能造成在同一時(shí)刻每臺(tái)上位機(jī)對(duì)同一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不一致，且對(duì)于同一個(gè)下位機(jī)通訊設(shè)而言，在同一時(shí)間有可能接收到來自3臺(tái)上位機(jī)不同的讀寫幀，增加了設(shè)備丟失通訊報(bào)文的可能性，或?qū)е略O(shè)備的信息處理負(fù)荷增大，從而一定程度上降低監(jiān)控系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性。
（2）原系統(tǒng)中所有下位機(jī)通信設(shè)備是通過網(wǎng)關(guān)或通訊管理裝置進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通訊，每個(gè)網(wǎng)關(guān)及通訊管理裝置須分配一個(gè)獨(dú)立的IP地址。由于網(wǎng)關(guān)及通訊管理裝置數(shù)量較多（每臺(tái)機(jī)組LCU柜設(shè)置2個(gè)網(wǎng)關(guān)，1個(gè)通信管理裝置）這樣的結(jié)構(gòu)增加了上位機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)網(wǎng)絡(luò)訪問次數(shù)，在一定程度上可能影響監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。
（3）原系統(tǒng)中上位機(jī)同時(shí)使用104及103規(guī)約采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同一時(shí)間，不同規(guī)約的數(shù)據(jù)流在同一物理網(wǎng)絡(luò)傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。系統(tǒng)在處理較復(fù)雜的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，由于通訊量較大，可能造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。
針對(duì)原系統(tǒng)的不足，改造后的監(jiān)控系統(tǒng)大大增強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，其特點(diǎn)如下：
（1）改造后的系統(tǒng)中上位機(jī)減少了數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。在同一時(shí)刻2臺(tái)操作員工作站中有一臺(tái)為主機(jī)，一臺(tái)為從機(jī)，僅主機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過廣播方式與從機(jī)、工程師站、通訊服務(wù)器等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及存儲(chǔ)，當(dāng)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷或故障時(shí)，從機(jī)自動(dòng)切換成為主機(jī)。這樣的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)采集唯一性，同時(shí)減輕了設(shè)備的通信負(fù)荷，降低了設(shè)備通信報(bào)文丟失率，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。
（2）改造過程中，在現(xiàn)地LCU柜增加SJ30通訊管理裝置，實(shí)現(xiàn)與所有現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備（除主控級(jí)PLC外）通訊，并將采集的數(shù)據(jù)通過串口送至主控級(jí)PLC。上位機(jī)操作員工作站主機(jī)通過訪問各LCU柜內(nèi)主控級(jí)PLC，即可完成對(duì)所有數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)與各主控級(jí)PLC使用統(tǒng)一的Modbus協(xié)議，取消原系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)及通信管理裝置，減少了上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)訪問次數(shù)及數(shù)據(jù)處理中間環(huán)節(jié)，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和通訊的可靠性。
3.2系統(tǒng)改造的功能性分析
在泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造過程中，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)站斷路器合、分閘，及泵組開機(jī)、停機(jī)的自動(dòng)化監(jiān)控外，業(yè)主要求在新系統(tǒng)中增加模擬開機(jī)功能。模擬開機(jī)流程要求如下：
（1）主控級(jí)PLC維持原系統(tǒng)的GE90-30系列硬件不變，實(shí)現(xiàn)模擬開機(jī)功能。
（2）模擬開機(jī)前，泵組機(jī)端斷路器手車須在試驗(yàn)位，事故閘須門全部落下；實(shí)際開機(jī)前，泵組機(jī)端斷路器手車須在工作位，事故閘須門全部提起。
（3）模擬開機(jī)流程較實(shí)際開機(jī)流程除斷路器手車及事故門位置不同外，其他控制流程完全一致，即可以在泵組不帶負(fù)載情況下真實(shí)模擬泵站設(shè)備電氣及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。
原系統(tǒng)使用的GE90-30系列PLC的CPU型號(hào)較老，內(nèi)存較小。由于受硬件設(shè)備所限，在完成基本的開停機(jī)控制流程編程后，已無足夠內(nèi)存完成模擬開機(jī)流程編寫。在改造過程中，嘗試將模擬開機(jī)流程與實(shí)際開機(jī)流程合并編寫，最終解決了硬件與功能的沖突，成功實(shí)現(xiàn)泵組模擬開機(jī)功能。
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