白沙灘泵站自動化監控系統的改造
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，坐落在白城市鎮賚縣嘎什根鄉丹岱村境內，位于吉林、內蒙古和黑龍江三省交界處。白沙灘泵站設計提水流量65立方米/秒，設計揚程9.23米，設計總裝機10200千瓦，設計正常運行嫩江水位138.35米。
白沙灘泵站設雙10kV進線開關站，雙主變供電，一用一備。泵站主泵電壓等級6kV，采用2000ZLQ-9.2型立式軸流泵機組六臺，單機設計最大流量13立方米/秒，單機裝機1700千瓦。每臺泵組出水側設工作門和事故門2個快速閘門。改造前其自動化監控系統采用許繼的8000計算機監控系統。
2 系統概述
2.1改造前系統結構
白沙灘泵站原自動化監控系統通信方式為有線組網方式，控制級別分為泵站監控層、LCU監控層及現地設備三級。泵站監控層與LCU監控層連接的主干網鏈路采用以太網（10/100M自適應），各現地LCU至核心交換機傳輸介質為光纖，能有效減少電磁干擾。泵站中控室設2臺操作員工作站，1臺工程師站，
自動化監控系統網絡層采用TCP/IP協議，應用層操作員工作站與各LCU柜內設備采用IEC60870-5-104通訊，工程師站與各保護設備采用IEC60870-5-103通訊，兩種通訊協議共用同一物理傳輸介質。由于PLC及現場設備不支持IEC60870-5-104及IEC60870-5-103通訊規約，在現場各智能儀表接口與核心交換機之間，設置MCU801串口管理裝置及網關，智能儀表通過MCU801（主控級PLC通過網關）轉換為標準的103或104規約，通過以太網與各上位機實現通訊。具體示意如圖2所示。
2.2改造后系統結構
白沙灘泵站改造采用國網電力科學研究院研制的EC2000自動化監控軟件。系統上位機采用冗余配置，增強了系統的可靠性，局部故障不會影響現場設備的正常運行。系統通信組網方式、控制級別與原系統相同。結合成本考慮，網絡物理傳輸介質及核心交換機等使用原有設備。泵站上位機配備2臺操作員工作站，1臺工程師站，另增設2臺通訊服務器，用以與白城集控中心實現遠程通訊，其系統結構圖如圖3所示。
自動化監控系統網絡層采用與原系統相同的TCP/IP協議，應用層上位機與各LCU柜內PLC使用Modbus規約通訊，上位機由操作員工作站（主機）采集各種數據或下發控制命令，并通過廣播方式與網絡上的從機、工程師站、通訊服務器等設備實現數據共享及存儲。
現地LCU柜增加了國網電力科學研究院研制的SJ30通訊管理裝置，通過編程，SJ30采集現場各智能儀表數據，將數據集中處理，通過串口方式上送至現地LCU柜內PLC。SJ-30系列通訊管理裝置有8或16個獨立的標準串行接口，能實現PLC等設備和其它通信設備之間的數據通訊，可以定制不同的通信協議實現高速數據交換，滿足不同客戶的不同需求。
3 改造技術難點及解決方法
白沙灘泵站自動化監控系統改造過程中，處于成本考慮，業主要求在盡量少增加硬件設備的條件下，完成整個泵站的自動化監控系統改造，并對改造后系統的可靠性、實時性及功能性提出了很高要求。在對泵站原許繼8000監控系統軟硬件充分調研后，結合業主改造需求，確定了以國網電力科學研究院研制的SJ-500監控系統為依托的改造方案。最終取得較為理想的改造效果。
3.1系統改造的可靠性及實時性分析
原監控系統通訊實時性不強，并且在開機、停機過程中在出現數據丟失或通訊阻塞情況，經現場分析確定原因如下：
（1）原系統中上位機2個操作員工作站及1個工程師站分別對現場設備進行數據采集及存儲，可能造成在同一時刻每臺上位機對同一數據存儲不一致，且對于同一個下位機通訊設而言，在同一時間有可能接收到來自3臺上位機不同的讀寫幀，增加了設備丟失通訊報文的可能性，或導致設備的信息處理負荷增大，從而一定程度上降低監控系統可靠性和實時性。
（2）原系統中所有下位機通信設備是通過網關或通訊管理裝置進行規約轉換進而實現上下位機通訊，每個網關及通訊管理裝置須分配一個獨立的IP地址。由于網關及通訊管理裝置數量較多（每臺機組LCU柜設置2個網關，1個通信管理裝置）這樣的結構增加了上位機數據采集時網絡訪問次數，在一定程度上可能影響監控系統實時性。
（3）原系統中上位機同時使用104及103規約采集現場數據，同一時間，不同規約的數據流在同一物理網絡傳輸，增加了網絡的數據流量。系統在處理較復雜的監控數據時，由于通訊量較大，可能造成網絡阻塞。
針對原系統的不足，改造后的監控系統大大增強了監控系統的可靠性和實時性，其特點如下：
（1）改造后的系統中上位機減少了數據采集存儲節點。在同一時刻2臺操作員工作站中有一臺為主機，一臺為從機，僅主機與下位機進行數據采集，并通過廣播方式與從機、工程師站、通訊服務器等實現數據共享及存儲，當主機網絡中斷或故障時，從機自動切換成為主機。這樣的結構保證了數據采集唯一性，同時減輕了設備的通信負荷，降低了設備通信報文丟失率，大大提高了監控系統的可靠性和實時性。
（2）改造過程中，在現地LCU柜增加SJ30通訊管理裝置，實現與所有現場通信設備（除主控級PLC外）通訊，并將采集的數據通過串口送至主控級PLC。上位機操作員工作站主機通過訪問各LCU柜內主控級PLC，即可完成對所有數據采集。上位機與各主控級PLC使用統一的Modbus協議，取消原系統中的網關及通信管理裝置，減少了上位機網絡訪問次數及數據處理中間環節，保證了數據采集的實時性和通訊的可靠性。
3.2系統改造的功能性分析
在泵站自動化監控系統改造過程中，除了實現對開關站斷路器合、分閘，及泵組開機、停機的自動化監控外，業主要求在新系統中增加模擬開機功能。模擬開機流程要求如下：
（1）主控級PLC維持原系統的GE90-30系列硬件不變，實現模擬開機功能。
（2）模擬開機前，泵組機端斷路器手車須在試驗位，事故閘須門全部落下；實際開機前，泵組機端斷路器手車須在工作位，事故閘須門全部提起。
（3）模擬開機流程較實際開機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載情況下真實模擬泵站設備電氣及機械運轉狀況。
原系統使用的GE90-30系列PLC的CPU型號較老，內存較小。由于受硬件設備所限，在完成基本的開停機控制流程編程后，已無足夠內存完成模擬開機流程編寫。在改造過程中，嘗試將模擬開機流程與實際開機流程合并編寫，最終解決了硬件與功能的沖突，成功實現泵組模擬開機功能。
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