1引言
白沙滩泵站是吉林省白城市引嫩入白供水工程的首端提水泵站，坐落在白城市镇赉县嘎什根乡丹岱村境内，位于吉林、内蒙古和黑龙江三省交界处[1]。白沙滩泵站设计提水流量65立方米/秒，设计扬程9.23米，设计总装机10200千瓦，设计正常运行嫩江水位138.35米。
白沙滩泵站设双10kV进线开关站，双主变供电，一用一备。泵站主泵电压等级6kV，采用2000ZLQ-9.2型立式轴流泵机组六台，单机设计最大流量13立方米/秒，单机装机1700千瓦。每台泵组出水侧设工作门和事故门2个快速闸门[2]。改造前其自动化监控系统采用许继的8000计算机监控系统。
2系统概述
2.1改造前系统结构
白沙滩泵站原自动化监控系统通信方式为有线组网方式，控制级别分为泵站监控层、LCU监控层及现地设备三级。泵站监控层与LCU监控层连接的主干网链路采用以太网（10/100M自适应），各现地LCU至核心交换机传输介质为光纤，能有效减少电磁干扰。泵站中控室设2台操作员工作站，1台工程师站，系统结构图如图1所示。
图1 改造前泵站自动化监控系统结构图
自动化监控系统网络层采用TCP/IP协议，应用层操作员工作站与各LCU柜内设备采用IEC60870-5-104通讯，工程师站与各保护设备采用IEC60870-5-103通讯，两种通讯协议共用同一物理传输介质。由于PLC及现场设备不支持IEC60870-5-104及IEC60870-5-103通讯规约，在现场各智能仪表接口与核心交换机之间，设置MCU801串口管理装置及网关，智能仪表通过MCU801（主控级PLC通过网关）转换为标准的103或104规约，通过以太网与各上位机实现通讯。具体示意如图2所示。
图2 网关及通讯管理装置示意
2.2改造后系统结构
白沙滩泵站改造采用国网电力科学研究院研制的EC2000自动化监控软件。系统上位机采用冗余配置，增强了系统的可靠性，局部故障不会影响现场设备的正常运行[3]。系统通信组网方式、控制级别与原系统相同。结合成本考虑，网络物理传输介质及核心交换机等使用原有设备。泵站上位机配备2台操作员工作站，1台工程师站，另增设2台通讯服务器，用以与白城集控中心实现远程通讯，其系统结构图如图3所示。
图3 改造后泵站自动化监控系统结构图
自动化监控系统网络层采用与原系统相同的TCP/IP协议，应用层上位机与各LCU柜内PLC使用Modbus规约通讯，上位机由操作员工作站（主机）采集各种数据或下发控制命令，并通过广播方式与网络上的从机、工程师站、通讯服务器等设备实现数据共享及存储。
现地LCU柜增加了国网电力科学研究院研制的SJ30通讯管理装置，通过编程，SJ30采集现场各智能仪表数据，将数据集中处理，通过串口方式上送至现地LCU柜内PLC。SJ-30系列通讯管理装置有8或16个独立的标准串行接口，能实现PLC等设备和其它通信设备之间的数据通讯，可以定制不同的通信协议实现高速数据交换，满足不同客户的不同需求[4]。
3改造技术难点及解决方法
白沙滩泵站自动化监控系统改造过程中，处于成本考虑，业主要求在尽量少增加硬件设备的条件下，完成整个泵站的自动化监控系统改造，并对改造后系统的可靠性、实时性及功能性提出了很高要求。在对泵站原许继8000监控系统软硬件充分调研后，结合业主改造需求，确定了以国网电力科学研究院研制的SJ-500监控系统为依托的改造方案。最终取得较为理想的改造效果。
3.1系统改造的可靠性及实时性分析
原监控系统通讯实时性不强，并且在开机、停机过程中在出现数据丢失或通讯阻塞情况，经现场分析确定原因如下：
（1）原系统中上位机2个操作员工作站及1个工程师站分别对现场设备进行数据采集
及存储，可能造成在同一时刻每台上位机对同一数据存储不一致，且对于同一个下位机通讯设备而言，在同一时间有可能接收到来自3台上位机不同的读写帧，增加了设备丢失通讯报文的可能性，或导致设备的信息处理负荷增大，从而一定程度上降低监控系统可靠性和实时性。
（2）原系统中所有下位机通信设备是通过网关或通讯管理装置进行规约转换进而实现
上下位机通讯，每个网关及通讯管理装置须分配一个独立的IP地址。由于网关及通讯管理装置数量较多（每台机组LCU柜设置2个网关，1个通信管理装置）这样的结构增加了上位机数据采集时网络访问次数，在一定程度上可能影响监控系统实时性。
（3）原系统中上位机同时使用104及103规约采集现场数据，同一时间，不同规约的
数据流在同一物理网络传输，增加了网络的数据流量。系统在处理较复杂的监控数据时，由于通讯量较大，可能造成网络阻塞。
针对原系统的不足，改造后的监控系统大大增强了监控系统的可靠性和实时性，其特点如下：
（1）改造后的系统中上位机减少了数据采集存储节点。在同一时刻2台操作员工作站
中有一台为主机，一台为从机，仅主机与下位机进行数据采集，并通过广播方式与从机、工程师站、通讯服务器等实现数据共享及存储，当主机网络中断或故障时，从机自动切换成为主机。这样的结构保证了数据采集唯一性，同时减轻了设备的通信负荷，降低了设备通信报文丢失率，大大提高了监控系统的可靠性和实时性。
（2）改造过程中，在现地LCU柜增加SJ30通讯管理装置，实现与所有现场通信设备（除
主控级PLC外）通讯，并将采集的数据通过串口送至主控级PLC。上位机操作员工作站主机通过访问各LCU柜内主控级PLC，即可完成对所有数据采集。上位机与各主控级PLC使用统一的Modbus协议，取消原系统中的网关及通信管理装置，减少了上位机网络访问次数及数据处理中间环节，保证了数据采集的实时性和通讯的可靠性。
3.2系统改造的功能性分析
在泵站自动化监控系统改造过程中，除了实现对开关站断路器合、分闸，及泵组开机、停机的自动化监控外，业主要求在新系统中增加模拟开机功能。模拟开机流程要求如下：
（1）主控级PLC维持原系统的GE90-30系列硬件不变，实现模拟开机功能。
（2）模拟开机前，泵组机端断路器手车须在试验位，事故闸须门全部落下；实际开机
前，泵组机端断路器手车须在工作位，事故闸须门全部提起。
（3）模拟开机流程较实际开机流程除断路器手车及事故门位置不同外，其他控制流程
完全一致，即可以在泵组不带负载情况下真实模拟泵站设备电气及机械运转状况。
原系统使用的GE90-30系列PLC的CPU型号较老，内存较小。由于受硬件设备所限，在完成基本的开停机控制流程编程后，已无足够内存完成模拟开机流程编写。在改造过程中，尝试将模拟开机流程与实际开机流程合并编写，最终解决了硬件与功能的冲突，成功实现泵组模拟开机功能。
在上位机EC2000配置中增加模拟开机控制，并动态链接至开机画面中。当模拟开机命令下发至下位机主控级PLC，由“命令检测”子程序判断控指令的正确性及是否可执行，当满足执行条件后，由“控指令调用”子程序调用与实际开机相同的“开机流程”子程序，如图4所示。
图4 模拟开机与正常开机流程调用同一流程
将模拟开机与实际开机合并为同一个流程，并在执行不同命令过程中时判断不同的条件关系，是下位机改造的关键。为此，首先将流程执行过程中需要区别判断的条件关系（如事故闸门位置等）从流程中摘除，在流程中利用中间变量代替，并在“对象状态”子程序中单独判断，如图5所示。
图5 在“OB_STAT”子程序中判断事故门位置
区别判断不同的控制指令所对应的条件关系，并实现条件关系间的闭锁，是下位机改造的技术难点。为此，在“对象状态”子程序判断关系条件的过程中，引入了控制命令寄存器，作为区别对应关系及闭锁关系条件的依据，成功解决了难题，如图6所示。
图6 在“OB_STAT”子程序中引入控制令寄存器作为判断依据
4系统缺陷
改造后的白沙滩泵站自动化监控系统已实现了站内所有设备的自动化控制，并且与白城集控中心完成数据接入，实现了对白沙滩泵站远程调度控制。本次改造基本限于软件改造，由于设备陈旧老化，如技术供水系统压力变送器及示流信号器等传感器损坏现象严重，在改造过程中，许多重要信号判断被从控制流程中剔除，尽管改造后已实现对泵组自动化开机、停机监控，却距离“无人值班，少人值守”有一定差距，泵组运行仍需人员对设备进实时监视。
5结束语
随着我国水利基础建设的快速发展，自动化监控系统在泵站的应用也越来越广泛。自动化在水利行业中的应用不仅节省了人力物力，而且提高了各管理部门的信息化程度和调度的自动化程度，保证了水库的经济、安全运行，实现了闸门管理的科学化。与此同时，泵站管理者对自动化监控系统的升级改造需求不断增加。本次改造在泵站自动化监控系统可靠性、实时性及功能性等方面较原系统有了很大提高，改造后泵站机组运行正常，数据采集及存储快速可靠，改造效果明显，受到业主好评。本文所涉及的内容为实施泵站自动化监控系统升级改造提供可参考资料。
作者简介
王张磊（1983-）男工程师，就职于国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，从事系统集成方面的工作。
参考文献
[1]胡进，梁启涛．白沙滩泵站施工期沉降观测[J]．水利天地，2010（7）．
[2]陈光，李霄琳，李跃年等．国产陶瓷活塞杆液压缸在白沙滩泵站输水总干渠扩建工程的应用[J]．水利水电技术，2008（7）：39．
[3]潘三林，吴正义．开放式计算机监控网络在珊溪水利工程中的应用[J]．水电厂自动化与大坝监测，2006（2）．
[4]冯启文，徐洁．水电厂计算机监控LCU结构模式的探讨[J]．水电厂自动化与大坝监测，2007（5）．
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