金山新城泵站控制系统自动化改造

梁建国

摘要: 针对泵站的自控系统，以可远程控制、自动控制和高扩展性为目的，更新泵房内部的生产网络，更新图纸及控制程序，更新部分控制系统设备，实现中控室集中控制，实现加药等自动控制的功能，并能够满足后期视频监控、电气与电力监控、机泵诊断等扩展需求。

关键词：泵站；改造；自动控制；供水

1.泵站现状及改造必要性

金山新城山阳龙宇路泵站供应金山新城居民生活用水，由于泵站建设年代久远，目前处于勉强运行阶段，经常发生故障，在控制网络、PLC控制系统、配电系统和上位机监控系统，存在诸多问题隐患。

1.1控制网络

泵站各系统之间的通讯方式为ProfiBus-DP协议,此通讯方式一般用于设备控制层和单个独立系统，对于多控制系统的环境一般不建议采用，缺点如下：

1) Profibus-DP总线通讯方式一般用于设备控制层，难以对传输数据量大、传输距离远的从站进行控制。与SCADA系统的数据传输常采用Ethernet/IP工业以太网的通讯方式。

2) Profibus-DP总线的敷设方式为手拉手相接的方式，一旦中间某段线缆断裂或者接触不良，就会影响后面所有控制从站的通讯。

3)监控主机（工控机）受制于通讯总线，需配置专用的DP通讯卡。

1.2 PLC控制系统

目前泵站的PLC控制系统，主要用于仪表数据和设备信号的读取，基本丧失对于电气设备的控制功能。

1）经过多年使用，许多电气设备、仪表设备、控制系统硬件及软件已陈旧，部分产品型号已经停产，部分地埋电缆已腐蚀断裂。虽历经多次维护维修，但均未从泵站系统整体考虑，属于治标性质改造。虽然可以满足目前正常生产需求，但人工维护和硬件成本较高。

2）泵站内各泵房内的设备工艺流程图、各设备安装布置图、电线电缆走线路径图、地下管路敷设路由图等图纸缺失或者不全。

3）PLC控制系统程序和和上位机监控程序不一致，有部分设备不对应，导致无法实现远程监控。

1.3配电系统

泵站的低压配电室及相关的配电箱使用年限已难以考查，柜体及柜内的元器件故障拼出。为保障正常供水，只能进行在线式小修小补。同时，泵站的不间断电源UPS配电系统配置容量仅为2400W，无法为所有的控制系统柜和上位机监控系统硬件供电，一旦出现市电缺失或雷电对电网产生影响而造成的短时间停电，将对控制系统硬件产生较大的影响，从而使控制系统失去对设备的监控，从而影响正常供水。

1.4上位机监控系统

目前泵站的上位机监控系统的硬件和软件都已停产，且只配一台监控主机，没有备用机，并且经常出现死机情况，需要定期重新启动才能勉强使用。

1.5 改造必要性

由于存在以上问题，泵站供水时经常发生故障，给供水安全带来及大风险。

为了金山新城的供水安全，实行在线不停产改造迫在眉睫。

2. 改造方案

对原有控制系统进行改造，软件设计、调试方案要充分考虑不影响现有系统基本控制功能和基本运行需要的基础上，将改造控制系统与原设备进行关联，修改原泵组控制程序，完成改造设备与原泵组设备的连锁控制功能，增、改相应的监控功能，并对原泵组进行功能完善，实现改造后相关控制系统的功能优化。

2.1泵站控制网络结构改造

采用Ethernet/IP协议的工业以太网，其优势如下：

1)便于后期的扩展、维护与升级等工作，成本低，兼容性好。其他如视频监控、电力监控等子系统皆可以利用该网络，省去后期各子系统建设造成重新敷设网络的工作。

2)环型网的工业以太网通讯响应速度快，传输数据量大，网络安全稳定且传输距离较远。

3)上位监控主机在各泵房内可分布式放置，并且可实现多台主机同时监控。

4)其他平台软件可以直接从PLC中读取数据，减少中间传输环节。

2.2 PLC控制系统的改造

加药控制系统主要监控设备有2台加硫酸铵隔膜泵，3台加次氯酸钠隔膜泵，2台提升泵，硫酸铵溶液池液位、次氯酸钠高液池液位、次氯酸钠储液池液位，清水库的液位和流量、清水库进站余氯、压力、浊度等仪表参数。

2.3上位机监控系统改造

原上位机监控系统（3-E系统）中的监控主机（工控机）配置较低，运行的速度和响应时间不能达到要求，经常死机，上位机监控软件原为Wonderware Intouch运行版本，无开发功能，现场工控机未安装下位机PLC编程软件，现场维护人员无法进行更改维护。

改造内容为更换两台高配置的工控机，一台工程师站，一台操作员站，皆配置千兆级双网卡，WIN10正版操作系统，上位机软件配置为最新版的Wonderware Intouch开发版一套，运行版一套，西门子正版编程软件一套。

改造后上位机监控系统采用以太网方式与3-A系统、3-B系统、3-C系统进行通讯，进行数据采集显示和对设备的控制，保持原有监控界面的风格，优化界面显示和参数调整功能，增加生产报表，增加设备报警管理，预留变配电电力监控系统接口等。

3.改造效果

本次改造是不停产的在线改造，在控制箱设计上增加了隔离栅与浪涌保护器避免了信号干扰；电脑和控制系统升级为双冗余，系统更安全；配置的千兆的网络端口，优化了控制网络，为智慧水务做了坚实的基础；编辑PLC控制逻辑程序，使客户更容易、更方便的控制；加药系统改为远程自动加药；使用施耐德双电源切换与三特UPS保证了水厂用电的安全性；校对浊度、余氯、压力表等仪表使供水得到更精细化的管理。达到了本次改造的目的。

3.1控制网络

升级控制网络结构为Ethernet/IP协议的工业以太网结构，为后续建设无人值守泵房打下坚实的基础。如下图1.1泵站控制系统网络架构

1）便于后期的扩展、维护与升级等工作，成本低，兼容性好。其他如视频监控、电力监控等子系统皆可以利用该网络，省去后期各子系统建设造成重新敷设网络的工作。

2）环型网的工业以太网通讯响应速度快，传输数据量大，网络安全稳定且传输距离较远。

3）上位监控主机在各泵房内可分布式放置，并且可实现多台主机同时监控。

4）其他平台软件可以直接从PLC中读取数据，减少中间传输环节。

图1.1泵站控制系统网络结构

3.2 PLC控制系统

1. 更新PLC控制系统软硬件设备。

2. 更新完善控制柜原理图、设备安装布置图、电线电缆走线路径图、地下管路敷设路由图，为系统运维、检修、故障处理提供依据。

3. 更新PLC控制程序：

中控室与本地设备操作如下：

A、就地:从设备控制面板上选择“就地”，然后通过按面板上的“启动”或者“停止”按钮来启动/停止设备；

B、远程:

手动:从设备控制面板上选择“远程”，SCADA或者HMI上选择“半自动”的软开关，点击SCADA或者HMI上的“启动”/“停止”软键来启动/停止设备；

自动:从设备控制面板上选择“远程”，SCADA或者HMI上选择“自动”的软开关，设备的启动/停止是根据工艺参数来自动执行，而不需要人为的干预。

3.3配电系统

更新UPS配电柜：双电源切换时的冲击电流对PLC模块的影响很大，容易烧毁模块；使用UPS电源可以提高电源质量，保护控制系统模块等设备，保障供水安全。

3.4上位机监控系统

1. 上位机设置备用冗余设备。

2. 保持原有监控画面的风格与原有用户习惯，优化界面显示和参数调整功能。

3. 保证监控画面上的设备、仪表、数据与现场实际情况一致，删除不需要或多余的显示信息。

4. 实现以下功能：

1）状态显示：界面包括总貌图、配水泵房、输水泵房、电动阀门、硫酸铵、次氯酸钠、清水库、趋势曲线、运行参数、报警查询、日报查询、月报查询、泵启停查询、参数设置等，预留变配电电力监控系统接口等。如下图1.2泵站画面总貌图

2）控制功能：根据现场实际情况调节PID参数、开阀参数等，使其满足现场应用。

3）通讯功能：泵站与监控中心平台之间的通讯。

4）管理功能：统一的阀门管理，便于客户及时找到并操作阀门;统一的泵管理，增加泵启停查询功能，便于查找问题;增加日报表、月报表，对数据集中管理，减轻现场值班人员的劳动强度。

图1.2泵站画面总貌图

4. 升级优化及难点攻克

4.1实现各环节数据一致，夯实精细化管理基础

通过采取下述措施，实现了流量累积仪数值、上位机显示和供水平台三者数据的一致性，为精细化管理运维夯实基础。

现场的流量计仪表将采集的信号送至PLC控制器，经PLC控制器计算分析，一路信号通过PLC控制器的AO模块输出到流量累积仪，经累积仪传换成实际工程值，在累积仪上显示当前总流量值；一路信号通过PLC的计算结果在上位机Intouch上显示；还有一路信号通过PLC的Ethernet/IP协议与RTU通讯，上传至供水平台。

4.2优化信号传输网络，进一步提高监测可靠性

原流量计、流量累积仪和PLC模块之间采用串联的方式来连接当前流量值，三者之间只要有其中一个环节出现故障或问题就会导致整个上传数据失效，可靠性较差。再者现场的流量计与PLC控制器之间没有可靠的接地与隔离，导致出现雷击击穿流量累积仪或PLC模块的情况。

现通过新增1分2的信号隔离模块（如图1.3所示信号网络传输示意图），将流量计输出的电流信号分别传输到PLC控制器和流量累计仪上，避免了其中一个环节出现故障导致整个数据不能上传的状况；另通过增加信号隔离模块进行物理隔离，可有效避免雷击击穿流量累计仪和PLC模块的的风险，有效提高了运行稳定性。

图1.3 信号传输网络示意图

5. 结论

在线式泵站改造改造必须保障供水安全，此次改造依据合理的技术改造方案、规范的安全施工方案、安全规范的施工，改造过程中从未出现突发事故，达到了改造的目的。改造期间保证了夏季供水高峰期金山新城低区的用水安全。对同类型泵站改造具有积极的参考意义。