城市泵站自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計探討

甘市

摘要：自動化控制系統(tǒng)是城市泵站的重要組成部分，其運行質(zhì)量直接影響到泵站供水系統(tǒng)的工作效率及工作質(zhì)量。為此，本文通過闡述城市泵站綜合自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點探討了優(yōu)化控制算法對自動化控制系統(tǒng)進行的優(yōu)化設(shè)計工作，以供類似研究工作借鑒。

關(guān)鍵詞：城市泵站；自動化；控制系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，國家對于城市水利基礎(chǔ)設(shè)施的投資加大，大型泵站基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量日益增加，這對泵站的運行效率及質(zhì)量也提出了更高的要求。近些年，綜合自動化控制系統(tǒng)以其諸多的優(yōu)點在泵站等基設(shè)施中得到了廣泛的應(yīng)用，也為泵站帶來了較好的經(jīng)濟效益。但是，一些早期建設(shè)的泵站自動化水平較低，泵站機組的啟動、運行等操作需要人工手動操作才能完成，泵站的電氣設(shè)備、自動化調(diào)控系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代化智能泵站調(diào)控的需要。若技術(shù)人員不對現(xiàn)有的泵站自動化控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，很可能會造成泵站出現(xiàn)泵站頻繁開停機、發(fā)生棄水等，嚴重影響到泵站的工作效率及經(jīng)濟效益。因此，本文以12座泵站為實例，深入探討了泵站自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計工作。

2 綜合自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)以“先進實用、安全可靠”為總體設(shè)計目標(biāo)，主要任務(wù)是實現(xiàn)基于遙控、遙信、遙測、遙視的水泵機組自動控制、水位自動測報，水閘自動控制、干渠流量監(jiān)控、監(jiān)視系統(tǒng)、良好的系統(tǒng)監(jiān)控軟件、連接上級調(diào)度中心等目標(biāo)。整個系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)有較高的安全性及可靠性。

2.1 分層分布式監(jiān)控的特點

分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)就是將自動化監(jiān)控系統(tǒng)分成獨立的單元和層次，每個監(jiān)控節(jié)點都是一個相對獨立的單元，各單元都分別直接與上層的上機位工作站或數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，實現(xiàn)了真正意義上的分布式監(jiān)控，與一般監(jiān)控系統(tǒng)相比，減少了系統(tǒng)中的MCU/DAU環(huán)節(jié)，使得某個節(jié)點一旦發(fā)生故障，只會丟失一個數(shù)據(jù)，而不會涉及整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與自動控制，將影響降低到最小。

分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)具備高效可靠的順控流程、物理量數(shù)據(jù)采集、設(shè)備自動調(diào)節(jié)和實時控制、實時圖像監(jiān)視、完備的報警處理、數(shù)據(jù)管理與分析、人機接口與可擴展性、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與遠程控制等功能，可保障水利設(shè)施的安全、高效運行。

2.2 基于分層分布式監(jiān)控的泵站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本次建設(shè)中，根據(jù)泵站的實際情況及監(jiān)控目標(biāo)，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)控制權(quán)限分為三層，分別是：泵站內(nèi)LCU現(xiàn)地控制、泵站站控級控制和調(diào)度中心控制。

在管理處設(shè)立調(diào)度控制中心1座，在排澇站設(shè)立流量監(jiān)測中心1座，在各泵站設(shè)立站級控制中心共12座，在渠系分水口/斗口處設(shè)立水量監(jiān)測點16個。在各泵站對自動化測控設(shè)備進行改造完善和增設(shè)，新建泵站LCU現(xiàn)地控制單元和站級控制系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并通過新建SDH光纖通訊網(wǎng)與調(diào)度控制中心連通，實現(xiàn)對12座泵站的遠程調(diào)度、監(jiān)測和控制。各渠系水位監(jiān)測點數(shù)據(jù)通過光纖通訊網(wǎng)傳至就近泵站，然后送至調(diào)度中心，實現(xiàn)對14處渠系分水口/斗口實現(xiàn)水位監(jiān)測和水量計算。

（1）調(diào)度中心遠端管理/調(diào)度網(wǎng)絡(luò)與各泵站站控級控制/管理網(wǎng)絡(luò)之間的通訊連接通過SDH光纖環(huán)網(wǎng)以TCP/IP方式實現(xiàn)；

（2）各泵站站控級控制/管理網(wǎng)絡(luò)和各泵站內(nèi)LCU現(xiàn)地控制單元之間的通訊連接，通過網(wǎng)絡(luò)交換機以TCP/IP方式連接；

（3）泵站內(nèi)LCU現(xiàn)地控制單元與前端測量/執(zhí)行設(shè)備通過模擬量、開關(guān)量信號線纜連接；

（4）在泵站建設(shè)視頻服務(wù)器，通過在SDH光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)單獨設(shè)立2M帶寬，通過光纖環(huán)網(wǎng)進入管理處調(diào)度中心。

2.2.1 LCU現(xiàn)地控制

各泵站站內(nèi)機組設(shè)備均具有遙控與手動操作功能，現(xiàn)地手動操作為最高優(yōu)先級，主要高壓配電裝置柜、重要的水泵出水液控閥門多在就地保護屏（箱）手動操作，水工公用系統(tǒng)設(shè)備多在站級集中式的LCU（現(xiàn)地控制單元）屏上操作。所有允許手動操作的間隔層設(shè)備、單元二次系統(tǒng)設(shè)計功能完善可靠，配有運行方式選擇切換開關(guān)（SA-自動/手動）及控制開關(guān)（KK）按鈕及信號燈。當(dāng)處于現(xiàn)地控制模式時，操作人員可以根據(jù)工藝情況直接對設(shè)備進行啟停的操作。該控制方式作為一種后備方式存在，但有最高的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)各設(shè)備電控盤上控制方式處于現(xiàn)地操作時，上級的控制干預(yù)將被屏蔽。

現(xiàn)地級測控單元主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、顯示監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)、通信控制等功能。

2.2.2 泵站站控級控制

各泵站站控級控制是由泵站內(nèi)站級計算機監(jiān)控系統(tǒng)對本站設(shè)備控制的模式，能夠監(jiān)測全站信號量、測量值等實時工況及運行參數(shù)，執(zhí)行和記錄調(diào)度員發(fā)出的本站設(shè)備調(diào)節(jié)及控制命令信息。站級控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、LCU控制盤、現(xiàn)場測控保護單元及儀表、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及軟件組成，既可接受調(diào)度中心主控級指令，又可在站級操作，當(dāng)調(diào)度中心系統(tǒng)設(shè)置成“站級控制”模式或調(diào)度中心系統(tǒng)失效時，閉鎖主控級控制指令，但不影響上送信息。

2.2.3 調(diào)度中心控制

調(diào)度中心控制是對系統(tǒng)遠程調(diào)度的方式，能夠監(jiān)測各泵站、分水閘、干渠流量監(jiān)測點的信號量、測量值等實時工況及運行參數(shù)，執(zhí)行和記錄中心調(diào)度員工作站發(fā)出的各泵站設(shè)備調(diào)節(jié)及控制命令信息，還可以根據(jù)渠道中的水量、流量以及各個泵站的運行情況協(xié)調(diào)控制相關(guān)泵站泵組的運行和起停，并對各泵站設(shè)備的運行狀況進行統(tǒng)計、診斷等。

調(diào)度中心遠程控制系統(tǒng)包括監(jiān)控主機、服務(wù)器、路由交換機、GPS、打印機、UPS、網(wǎng)絡(luò)機柜、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、遠程監(jiān)控軟件、安全防護軟件等，并配有DLP大屏幕，可形象的顯示供水系統(tǒng)全流程的工藝和參數(shù)。在工況允許的情況下，調(diào)度中心控制層上位機上可以直接對有關(guān)設(shè)備進行操作，實現(xiàn)遠程集中控制。根據(jù)采集的信息，上位機可以建立各類信息數(shù)據(jù)庫并對各類工藝參數(shù)值做出趨勢曲線（含歷史數(shù)據(jù)），供調(diào)度員分析比較，改進管理方法，提高經(jīng)濟效益。主控級主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視、控制、經(jīng)濟運行、記錄與打印、運行管理、系統(tǒng)診斷、仿真操作、軟件開發(fā)、具有操作票功能、具有自恢復(fù)功能等功能。

3 自控系統(tǒng)通信方式

3.1 站級控制系統(tǒng)與調(diào)度中心通信

站級控制系統(tǒng)與調(diào)度中心的通訊通過TCP/IP方式完成。系統(tǒng)正常運行時，全站信號量、測量值等實時工況及運行參數(shù)均由站級控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度中心服務(wù)器，站級控制系統(tǒng)接受并記錄各種調(diào)度中心調(diào)度員工作站發(fā)出的本站設(shè)備調(diào)節(jié)及控制命令信息；當(dāng)站級控制系統(tǒng)工作站故障離線時，以上信息由調(diào)度中心服務(wù)器直接從本站通訊服務(wù)器取得。傳輸量應(yīng)能滿足本站無人值班的要求。通訊規(guī)約由調(diào)度中心提供，通信通道按SDH上兩個E1信道（一個E1為2.048M鏈路）設(shè)計，并能完成自動熱備切換。

4 泵站調(diào)度方法優(yōu)化

為提高泵站運行效率，達到經(jīng)濟運行目的，運用數(shù)學(xué)手段找到最優(yōu)運行組合，對機組運行進行合理優(yōu)化調(diào)度，使梯級泵站系統(tǒng)能耗最小。在本次泵站改造中，將引入“動態(tài)規(guī)劃法”優(yōu)化調(diào)度，發(fā)揮泵站工程的最大效益。

5 結(jié)語

泵站自動化改造是實現(xiàn)泵站自動化監(jiān)控和泵站信息化管理的重要舉措，對泵站的工作效率及經(jīng)濟效益具有重要的影響。本工程泵站自動化控制系統(tǒng)通過優(yōu)化設(shè)計后，泵站在穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性等方面得到了有效的提高，同時解決了沿線區(qū)域水資源不足的問題，推動了區(qū)域經(jīng)濟間的發(fā)展。

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