1  引言
卿頭加壓泵站位于永濟市卿頭正西南處,引黃濟運輸水管線37+400處,占地1.33畝。加壓泵站于2007年12月建成,并取得試運行成功,使得引黃濟運工程日輸水能力從4萬方提高到6萬方。該泵站使用在大口徑管道中直接對口加壓,此模式已投入運行近5年,極大緩解了原水供給不足的矛盾,保證了運城市區人們的正常生產生活用水需求。
卿頭加壓泵站內設高壓配電室、值班室及泵房。高壓配電室設備有高壓開關柜和高壓變頻器柜。其中,高壓開關柜依次為進線柜、計量柜、變用站柜、電容柜、1#電機啟動柜及2#電機啟動柜,每個開關柜內配有高壓綜合保護裝置,具有標準的RS485通信功能。高壓變頻控制柜主要包括移相變壓器、功率模塊和控制模塊三部分。值班室內設閥門操作屏及壓力報警屏。其中閥門操作屏完成2個進水閥門,2個出水閥門及1個旁通閥門的現場開關閥,并且每個閥門具有開到位、關到位、過力矩及電源指示功能。壓力報警屏內配有4塊光柱數顯表及報警器,每塊數顯表采集機組前后壓力變送器傳來的壓力數據。泵房內設機組2臺,一用一備,其中電機電壓為10KV,功率為400KW。改造前設備的控制及數據的采集均由值班人員現場操作來完成。通過設置變頻器的人機界面來實現機組運行頻率給定及機組的啟停操作,通過現場操作閥門控制屏來開關5個閥門。因此對現有泵站監控系統進行改造和完善,以達到減員增效,進而提高自動化水平及經濟效益刻不容緩[1]。


2  監控系統的需求分析
在值班室設監控中心,并配一主控柜,可實現與閥門控制屏及壓力報警屏的監控功能。實現接收電動閥門的開閥、關閥及停閥命令;采集各個閥門的位置狀態及機組進出水口處的壓力。
遠程狀態下,監控中心可實現與高壓變頻器及高壓開關柜的通信。實現遠程給定高壓變頻器運行頻率,接收變頻器開機、停機命令;采集的數據主要有高壓變頻器的運行頻率、設定頻率、輸入輸出電壓、輸入輸出電流;高壓開關柜內綜合保護裝置中的各種參數,例如線電壓、相電壓等。
監控中心可實現2臺機組的溫度采集功能。每臺電機采集的參數包括電機定子溫度、轉子溫度、軸伸端軸承溫度及非軸伸端軸承溫度。
監控系統不僅具有遠程機組控制、監測、自動采集的各項運行數據功能,而且具有實現數據實時顯示、報警、存儲、曲線、查詢、匯總、打印輸出及報警功能[2]。這樣在簡化開機啟動流程的基礎上,降低了勞動強度,大大提高了工作效率。

3  泵站監控系統結構

監控系統按照分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便的設計思想,分別實現對現場數據的采集和水泵機組的啟停控制。系統由3層結構組成,分別是管理層、控制層和現場層。管理層為工業計算機,其主要作用是與控制層的PLC通信,獲得生產過程所需的數據,顯示工藝流程,提示報警,生成報表并支持報表打印。控制層為PLC控制柜,變頻控制柜及高壓綜合保護裝置,其作用一是用于采集2臺機組前后的壓力、電機溫度參數及高壓開關柜的電氣參數;二是接收工業計算機的命令,實現閥門及電機的啟停。現場層為現場設備,是控制系統信號的提供者,如水泵電機內溫度傳感器、壓力傳感器、閥門到位信號等。系統的整體結構如圖1所示。


4  泵站監控系統設計
本項目主要是通過設計PLC主控柜、電機溫度子站,構建工業計算機通信網絡,開發卿頭泵站集中監控系統,實現系統的遠程控制及各系統參數的集中監控。
PLC主控柜為監控系統的核心,內部由一系列PLC組件組成。PLC為可編程邏輯控制器,它采用一類可編程的存儲器,用于其內部存儲程序,執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令,并通過數字或模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產過程。本主控柜既要實現對閥門穩定的控制功能,又要完成實時采集機組前后壓力以及電機溫度功能,同時還具備與工業計算機進行網絡通信的功能。因此,系統選用全球知名品牌的西門子可編程控制器。為了完成上述功能,根據系統規模統計要求,

監控系統中電機溫度采用分布式IO設備ET200M來實現組網,該網絡在物理層是基于屏蔽雙線的電氣網絡,傳輸協議采用PROFIBUS DP,使CPU和分布式IO設備之間實現快速、循環的數據交換。[3]DP主站即主控柜,是控制CPU和分布式IO設備之間的連接,它通過PROFIBUS DP與分布式IO設備交換數據并監視DP網絡通信狀況。分布式IO設備,即DP從站,負責在現場準備數據,使得數據可以通過PROFIBUS DP發送至CPU。本系統1#、2#電機溫度保護柜作為分布式IO設備,采用現場通信總線,完成與主控柜的通信。它是由一個IM153-1和一個4通道組中的RTD電阻溫度計的8點輸入。
系統中高壓變頻器為HARVSERT-A系列高壓變頻調速系統,它采用單元串聯多電平技術,屬于高-高電壓源變頻器,10KV輸入,直接10KV高壓輸出。其中高壓變頻器的控制器采用西門子CPU224 XP處理器。該處理器具有兩個獨立的RS485通信口,其中Port0用于人機界面通信,Port1用于與上位機監控系統通信。本通信口采用平衡信號傳輸方式,可有效地抑制傳輸過程中干擾,具有通信速率高、通信距離長及并聯接到多個端口的特點。[4]網絡通信方式為半雙工。Port1通信協議采用西門子專為S7-200開發的PPI通信協議,通信規約為:數據位8位,停止位1位,無校驗,波特率9600,地址位為2。泵站監控系統基于該網絡通信協議實現上位機遠程啟停高壓變頻器。
監控系統中高壓開關柜的運行參數是通過內部的高壓綜合保護裝置進行聯網,采用mark校驗碼、波特率9600、1位停止位及8位數據位數據規約,來完成高壓開關柜內遙測量、遙信量及遙控量的數據采集功能。
監控系統中的網絡通信功能主要由以太網通信模塊和串口服務器來完成。前者主要實現將主控柜內CPU處理的數據通過TCP/IP協議傳入工業計算機,它采用全雙工通信方式,通信速率高達100Mbit/s。后者由于工業計算機RS232通信口數量的局限性,監控系統采用串口服務器,它提供串口轉網絡功能,能夠將RS485串口轉換成TCP/IP網絡接口,實現RS485串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能,連接網絡進行數據通信,這樣極大地擴展串口設備的通信距離。高壓變頻控制柜及綜合保護裝置就是通過該設備實現局域網內的數據共享功能。


5  泵站監控系統實現
根據系統的監控需求,本系統采用了西門子公司的S7-300可編程控制器和8路串口服務器組成。主要包括一個DP主控柜主站,2個DP電機溫度從站,1個高壓變頻子站及5個高壓綜合保護裝置子站。DP主站模塊主要有1個電源模塊、1個CPU模塊,2個模擬模塊,1個開關量模塊,1個通信模塊。其中,CPU模塊選擇為313C-2DP緊湊型CPU,通信模塊為以太網CP343-1通信處理器。DP從站模塊主要有1個電源模塊、1個IM153接口模塊,1個SM331 8XRTD模擬模塊。 [5]高壓變頻子站與高壓綜合保護裝置通過串口服務器連接,通過交換機完成監控軟件與子站的通信。
主控柜主站實現對閥門控制、壓力采集,完成與2個電機溫度保護子站的連接需要對PLC進行組態。本系統編程軟件選用STEP V5.4組態軟件。進入軟件后先對主站進行硬件組態,選定S7-313 2DP為主站系統,然后添加2個ET200M的接口模塊為DP從站。本次設計中兩臺電機溫度子站的地址分別為3號、4號站。為了實現數據傳輸的穩定性,設定波特率為9600bps。最后建立一個數據塊,用于觀測實時通訊效果。組態效果如圖2所示。

系統硬件組態成功后,根據2臺機組的運行工藝要求,編寫控制程序。主要包括閥門操作及高壓變頻器操作兩部分。機組開機條件為:電機啟動柜合閘,高壓開關柜不存在故障報警。同時高壓變頻器工作狀態為遠程并且處于高壓就緒狀態、不存在故障報警。

6  結束語
在泵站監控系統開發中,上位機系統利用工控軟件Kingview6.52進行二次開發,下位機使用抗干擾性強、使用廣泛的S7-300 PLC的監控方案。目前該方案的系統已經應用于卿頭加壓泵站,其運行效果良好,性能穩定可靠。對于今后水廠泵站改造及建設具有借鑒意義。