王從友

(南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210019)

洪澤泵站是南水北調(diào)東線第3級(jí)抽水泵站,緊鄰洪澤湖,兼具調(diào)水、排澇與發(fā)電功能,工程包括泵站、擋洪閘、進(jìn)水閘及上下游引河等,2011年2月開工建設(shè),2013年投運(yùn)。泵站設(shè)計(jì)流量150m3/s,安裝5臺(tái)立式液壓全調(diào)節(jié)混流泵,單泵設(shè)計(jì)流量37.5m3/s,凈揚(yáng)程為6.0m,葉輪直徑3.15m;配套3550kW立式同步電機(jī)(具備反向發(fā)電功能),總裝機(jī)容量17750kW;在泵站北側(cè)岸墻安裝2臺(tái)500kW水輪發(fā)電機(jī)組。目前國內(nèi)大多數(shù)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的控制器芯片、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等嚴(yán)重依賴進(jìn)口,自主可控水平低,設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大。洪澤泵站國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目深入貫徹國家智慧水利、智能泵站發(fā)展戰(zhàn)略,緊扣工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)自主可控研究熱點(diǎn)。

洪澤泵站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行近10年,設(shè)備性能及可靠性、穩(wěn)定性逐年下降。陳建平等[1]提出基于PLC乳化液泵站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),PLC能夠自動(dòng)控制,但穩(wěn)定性差。丁穩(wěn)房等[2]提出PLC在小型泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,PLC可以代替繼電器系統(tǒng),并且能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算、通信等功能,但很難實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的互動(dòng)。葉沛洪[3]提出PLC控制技術(shù)在泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用,將PLC和監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來運(yùn)用,提高了監(jiān)控系統(tǒng)的有效性,但整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)比較難。針對(duì)傳統(tǒng)PLC自動(dòng)化系統(tǒng)開放性、交互性不足及故障分析能力弱、系統(tǒng)維護(hù)難等問題,本文通過關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品改進(jìn)完善、示范工程應(yīng)用等手段,研制了具備邊緣計(jì)算能力的自主可控PLC,并實(shí)現(xiàn)了基于IEC 61850的標(biāo)準(zhǔn)化集成模式,研發(fā)了基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng),且實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)之間的友好互動(dòng)。

1 N500PLC智能監(jiān)控系統(tǒng)功能特性及選型

1.1 N500PLC主要功能特性

國產(chǎn)化N500PLC研究內(nèi)容主要包括:基于高性能處理器的PLC功能模件研制、嵌入式實(shí)時(shí)Linux技術(shù)研究、基于工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的分層通信體系架構(gòu)研究、工藝結(jié)構(gòu)研究及各種類型I/O模件研制、系統(tǒng)冗余及模件熱插拔技術(shù)研究、集成編程組態(tài)軟件研制。

國產(chǎn)化N500PLC的主要功能特性如下:

a.高性能CPU模件:采用雙核處理器,主頻800MHz,采用實(shí)時(shí)多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力以及通信處理能力。

b.全智能化的I/O模件:能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,更好地消除干擾信號(hào)影響,同時(shí)具有自診斷功能,保證在工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下能穩(wěn)定運(yùn)行,I/O模件采用前端出線方式。

c.開放標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò):提供5個(gè)以太網(wǎng)接口,支持ModBus/TCP/IEC 61850規(guī)約,多套PLC與監(jiān)控軟件、上位機(jī)系統(tǒng)可組成廠級(jí)局域網(wǎng)。

1.2 一體化管控平臺(tái)

1.2.1 操作系統(tǒng)選型

考慮到大型泵站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性、兼容性要求高等特點(diǎn),全面調(diào)研了目前較為成熟的凝思、麒麟、統(tǒng)信等主流國產(chǎn)化操作系統(tǒng),圍繞發(fā)布時(shí)間、應(yīng)用領(lǐng)域、安全等級(jí)等要素開展對(duì)比,見表1。統(tǒng)信系統(tǒng)在企業(yè)應(yīng)用方面起步較晚,且應(yīng)用案例較少,因此選型中不考慮統(tǒng)信系統(tǒng)。由于大型泵站監(jiān)控系統(tǒng)與電力調(diào)度控制系統(tǒng)應(yīng)用場景十分相近,而凝思操作系統(tǒng)在電力調(diào)度控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,其實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性已被證明能夠很好地滿足電力調(diào)度控制系統(tǒng)應(yīng)用,因此,選用凝思操作系統(tǒng)應(yīng)用于泵站國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)。

柯文《在中國發(fā)現(xiàn)歷史》一書出版后，在學(xué)界引起了巨大的反響。對(duì)本書中的核心理論“中國中心觀”的評(píng)價(jià)，學(xué)者們也褒貶不一，肯定支持者有之，批評(píng)駁斥者亦有之。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫選型

在擴(kuò)展性方面,各國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫在支持協(xié)議及容器化部署方面較一致;在安全審計(jì)方面,各國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品均支持權(quán)限與審計(jì)功能;在軟件功能方面,除GaussDB相對(duì)較弱外,其余國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品功能均具備替代國外數(shù)據(jù)庫的能力,其中達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)應(yīng)用集群(Real Application Clusters,RAC)功能。

考慮到大型泵站監(jiān)控系統(tǒng)與電力調(diào)度控制系統(tǒng)應(yīng)用場景最為接近,而達(dá)夢(mèng)與金倉數(shù)據(jù)庫軟件在電力調(diào)度系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,因此重點(diǎn)對(duì)上述兩個(gè)國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫軟件采用類似ORACLE數(shù)據(jù)庫軟件的架構(gòu),其JDBC/OCI接口可以與ORACLE數(shù)據(jù)庫接口無縫替換,可快速替換現(xiàn)有應(yīng)用,并且達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫軟件非阻塞I/O性能比金倉略高,因此選擇達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫軟件作為大型泵站國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫軟件。表2為國內(nèi)四種數(shù)據(jù)庫軟件對(duì)比。

表2 國內(nèi)四種數(shù)據(jù)庫軟件對(duì)比

1.2.3 應(yīng)用軟件開發(fā)

南瑞一體化管控平臺(tái)(IMC)由南瑞水電自主研發(fā),是水情水調(diào)、水電監(jiān)控、泵站監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域的主要支撐平臺(tái),已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)重點(diǎn)水電工程集控。

針對(duì)南水北調(diào)東線洪澤泵站國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目需求,在已有一體化平臺(tái)基礎(chǔ)上優(yōu)化國產(chǎn)化凝思操作系統(tǒng)、達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫環(huán)境,開展相應(yīng)的適配開發(fā)工作。此外,針對(duì)大型泵站操作票與順控流程結(jié)合、泵站及設(shè)備運(yùn)行特征實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、抽水泵組實(shí)時(shí)運(yùn)行效率曲線展示、大屏系統(tǒng)交互演示聯(lián)動(dòng)等大型泵站監(jiān)控系統(tǒng)特殊功能需求開展二次開發(fā)工作。通過上述適配開發(fā)和二次開發(fā)工作,成功研制了基于國產(chǎn)化服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的大型泵站自主可控計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件。

1.3 智能化功能開發(fā)

針對(duì)大型泵站傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的上下位機(jī)對(duì)點(diǎn)調(diào)試工作量大、人工易出錯(cuò)、無法實(shí)現(xiàn)語義理解的問題,在國內(nèi)首次開展了大型泵站信息建模技術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐。主要參考了水電行業(yè)IEC 61850國際標(biāo)準(zhǔn)[4],研究并提出了適用于大型泵站的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型,研制并優(yōu)化了IEC 61850 MMS通信程序,開發(fā)了現(xiàn)地PLC模型離線導(dǎo)入、在線讀取等模型管理功能,對(duì)裝置自身及系統(tǒng)整體性能開展了全面的測試,在確保監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的前提下,建立了大型泵站智能化網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu),使得國產(chǎn)化PLC具備監(jiān)測信息自描述和即插即用的智能化特性,顯著提高了系統(tǒng)集成效率,降低了自動(dòng)化系統(tǒng)的集成費(fèi)用。

洪澤泵站IEC 61850建模主要完成兩部分信息建模:?對(duì)原有數(shù)據(jù)的建模,包括溫濕度、電氣量、壓力、流量、開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)控制方式、閘門狀態(tài)以及對(duì)設(shè)備的控制等;?對(duì)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警信息建模,包括數(shù)據(jù)的越限報(bào)警設(shè)值、單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)警投退等。N500PLC智能現(xiàn)地單元采用簡潔的短地址編碼規(guī)則,將IEC 61850的模型數(shù)據(jù)與裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),統(tǒng)一SCL配置方式,簡化數(shù)據(jù)訪問過程,減少訪問周期,擴(kuò)展了數(shù)據(jù)映射時(shí)的保證精度,實(shí)現(xiàn)了取代相關(guān)功能[5]。一體化管控平臺(tái)針對(duì)IEC 61850的功能應(yīng)用,對(duì)應(yīng)進(jìn)行了新增數(shù)據(jù)組態(tài)、測點(diǎn)索引和選點(diǎn)對(duì)話框支持IEC 61850模型信息樹的功能開發(fā)。建模工具進(jìn)行了短地址相關(guān)功能開發(fā),增加了人機(jī)交互的便捷性。

參照IEC 61850通信功能測試項(xiàng)目,在洪澤泵站機(jī)組、變電站、水輪機(jī)、公用等多個(gè)LCU中部署了IEC 61850 MMS通信上、下行功能延時(shí)測試環(huán)境;通過多次測試,各個(gè)LCU信息模型的MMS通信點(diǎn)數(shù)未達(dá)到模擬測試的理論上限,通信延時(shí)基本不大于500ms,未發(fā)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)丟包問題,各項(xiàng)功能均正常。

1.3.2 邊緣計(jì)算

大型泵站傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)故障預(yù)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等均依賴于上位機(jī)計(jì)算,部分泵站上位機(jī)只配置單臺(tái)計(jì)算機(jī),一旦該計(jì)算機(jī)發(fā)生故障,會(huì)導(dǎo)致所有計(jì)算數(shù)據(jù)丟失。此外,大型泵站存在現(xiàn)場值班人員配備、設(shè)備投資預(yù)算等客觀限制性因素,難以確保計(jì)算機(jī)在全生命周期內(nèi)始終連續(xù)運(yùn)行,一旦中斷就會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、故障不能及時(shí)預(yù)警等問題,在影響泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),也加大了運(yùn)維成本。為此,在國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)研制過程中,采用邊緣計(jì)算技術(shù)[6],將原來由上位機(jī)承擔(dān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和故障預(yù)測等功能下移至現(xiàn)地N500PLC中,使得全系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、一致性更高,故障預(yù)測預(yù)警實(shí)時(shí)性有效提升,降低了上位機(jī)硬件消耗、部署的時(shí)間成本,使多站標(biāo)準(zhǔn)化部署更易實(shí)現(xiàn),提高了整個(gè)系統(tǒng)的集成效率,以及靈活適應(yīng)不同應(yīng)用場景的能力。

洪澤泵站通過在PLC側(cè)的邊緣計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)流量的計(jì)算,抽水量、發(fā)電量統(tǒng)計(jì)(日、月、年、累計(jì)),機(jī)組運(yùn)行臺(tái)時(shí)統(tǒng)計(jì)(日、月、年、累計(jì)),瓦溫溫升趨勢判斷及預(yù)警,油泵、水泵啟停時(shí)間統(tǒng)計(jì)等功能,主要的參數(shù)與定值也由上位機(jī)設(shè)置到現(xiàn)地保存,增強(qiáng)了PLC邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能和設(shè)備故障診斷的能力,并可以將邊緣計(jì)算結(jié)果直接發(fā)送給泵站和集控中心上位機(jī)。

2 N500PLC智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制保護(hù)、故障診斷等部分組成。

2.1 N500PLC數(shù)據(jù)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測主界面展示與泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的重要數(shù)據(jù),包括各類開關(guān)(斷電器、閥門)狀態(tài)、電氣參數(shù)、流量及液位、振動(dòng)與擺度、水泵效率、機(jī)組運(yùn)行臺(tái)時(shí)、上下游水位、揚(yáng)程、配套涵閘閘門開度等。機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)視界面見圖1。

圖1 機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)視界面

2.2 N500PLC控制保護(hù)界面設(shè)計(jì)

a.保護(hù)參數(shù)配置:泵站電氣設(shè)備的繼電保護(hù)已相當(dāng)穩(wěn)定可靠,而非電量保護(hù)目前尚無成熟產(chǎn)品,為此在查閱相關(guān)規(guī)程規(guī)范、產(chǎn)品說明書和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)溫度、液位、振擺、壓力等參數(shù)的閾值進(jìn)行整定,并輸入到PLC的程序中,為機(jī)組安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。主機(jī)非電量保護(hù)參數(shù)配置界面見圖2。

b.一鍵開機(jī):將配套閘門開啟、主電機(jī)絕緣監(jiān)測、油氣水等輔機(jī)投運(yùn)、主機(jī)組斷路器合閘等環(huán)節(jié)全部納入自動(dòng)控制,在整個(gè)操作流程中,PLC可自動(dòng)對(duì)各刀閘狀態(tài)進(jìn)行判斷,對(duì)不滿足操作條件的給出告警信息,系統(tǒng)與運(yùn)行管理進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

c.主、輔設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)行:PLC持續(xù)掃描主機(jī)定轉(zhuǎn)子、軸瓦等溫度數(shù)值,并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),程序自動(dòng)控制配套的冷卻風(fēng)機(jī)和技術(shù)供水系統(tǒng),如:主電機(jī)定子溫度超過80℃冷卻風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟,低于60℃自動(dòng)關(guān)停,保證了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

d.預(yù)警與跳閘:PLC自動(dòng)監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù),當(dāng)運(yùn)行數(shù)值越限時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)比對(duì),進(jìn)行綜合評(píng)判,避免因個(gè)別數(shù)據(jù)出錯(cuò)而造成誤判,確認(rèn)異常后系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或跳閘動(dòng)作。預(yù)警摘要頁面提供了完整的歷史報(bào)警,為系統(tǒng)中所有的報(bào)警提供了綜合信息。當(dāng)處于維修、測試的狀態(tài)時(shí),可以對(duì)報(bào)警進(jìn)行禁止、靜音等操作,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),也可以單獨(dú)對(duì)某個(gè)設(shè)備、某個(gè)報(bào)警進(jìn)行報(bào)警抑制、消音、禁止等操作,避免在某個(gè)設(shè)備維護(hù)時(shí)產(chǎn)生大量不必要的報(bào)警。

2.3 故障診斷

調(diào)查收集泵站各系統(tǒng)常見的典型故障,建立故障樹模型和故障分析系統(tǒng),準(zhǔn)確清楚地了解影響泵站可靠性的最主要因素,從而有針對(duì)性地對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù),提高泵站的安全可靠性。

3 N500PLC智能監(jiān)控系統(tǒng)成果分析

通過對(duì)比國外PLC產(chǎn)品,可以看出洪澤泵站監(jiān)控系統(tǒng)在配置及服務(wù)上存在優(yōu)勢。表3為國外產(chǎn)品與洪澤泵站監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)比。

表3 國外產(chǎn)品與洪澤泵站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比

4 結(jié) 語

N500PLC監(jiān)控系統(tǒng)通過邊緣計(jì)算、信息建模等技術(shù),解決了自動(dòng)化系統(tǒng)交互性不足及故障分析能力弱、系統(tǒng)維護(hù)難等問題,并且能夠準(zhǔn)確監(jiān)測及控制洪澤泵站,完成運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測、本地控制、報(bào)警監(jiān)測等功能。國產(chǎn)化N500PLC智能監(jiān)控系統(tǒng)為智能泵站建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。