如何做到实现工程关键控制功能

如何做到实现工程关键控制功能

摘要:结合东深供水改造工程全线供水系统的特点,介绍了工程所采用的过程控制软件,即对过程控制的操作界面、过程控制参数进行设置,实现各种控制功能的逻辑关系,完成各种调节功能的数学运算;重点描述实现工程关键控制功能的控制逻辑和数学模型。控制逻辑主要作用有两方面。一是作用于相关泵站的泵组直接停机;二是对相关泵站的流量给定值作出修改,然后调节泵站的流量;数学模型主要包括水位调节模型和流量确定模型。

关键词:泵站供水工程;计算机监控;过程控制软件;数学模型

1　概况
本工程四级泵站中太园泵站(已建)安装有6台泵组,而莲湖、旗岭、金湖泵站分别安装有8台泵组。在深圳水库旁设永久调度中心、金湖泵站中控室兼作紧急备用调度中心。为了实现全线供水调度和管理自动化,调度中心、金湖泵站、旗岭泵站、莲湖泵站、太园泵站分别设置双冗余的计算机监控系统。
东深供水改造工程调度中心的计算机监控系统交换机分别与四个泵站交换机作点对点星型联接,构成全线100 M广域以太网,作为全线监控系统网络的第1、第2通道,互为备用。
另外,调度中心与四个泵站之间还建立了一个环形的带宽为600 M的OTN综合通信网络。其中,在调度中心、太园、莲湖、旗岭和金湖泵站配置10 M星型网络,作为全线监控系统网络的第3、第4通道,互为备用。其他带宽则用于语音、图像、会议电视、MIS系统、门禁系统等数据的传输。
完善的计算机监控系统和通信网络,为东深供水改造工程计算机监控系统过程控制软件的研究和开发提供了良好的硬件环境。

2　软件的构成
东深供水改造工程计算机监控系统软件由标准软件、核心软件和过程控制软件组成。
2.1　标准软件
标准软件主要包括Microsoft Windows 2000操作系统、SQL Server 2000关系数据库和Microsoft Office 2000办公自动化软件。其中,数据库服务器安装的是高级服务器版操作系统,应用服务器安装的是服务器版操作系统,工作站安装的是专业版操作系统。
SQL Server 2000关系数据库只安装在调度中心的数据库服务器,用于处理历史数据。Microsoft Office 2000办公自动化软件安装在有需要的工作站上。
2.2　核心软件
东深供水改造工程计算机监控系统的核心软件选用德国Gegelec公司开发研制的Viewstar 2000的软件包。该核心软件基于PVSS II组态软件开发而成,采用模块结构,由不同的管理器(Manager)模块组成,详细结构见图1。
核心软件为操作界面的设置和过程控制参数的配置提供了良好的平台,提供高效的外部数据和过程控制软件的接口,实现过程控制和调节功能。
2.3　过程控制软件
过程控制软件是专门针对东深供水改造工程的实际而开发的软件,从而,对过程控制的操作界面、过程控制参数进行设置;实现各种控制功能的逻辑关系;完成各种调节功能的数学运算。

3　过程控制软件的设计
过程控制软件的设计首先针对东深供水改造工程的控制要求,定义操作界面、过程控制参数;分析各种控制功能的逻辑关系;编写各种调节功能的数学模型。然后,进行纯粹的计算机软件的编程。这里重点介绍前一部分的主要内容。
3.1　操作层和控制模式的设置和切换
3.1.1　操作层的设置和切换
为了方便东深供水工程的调度和管理,计算机监控系统设置了4个操作层:永久调度中心层、紧急备用调度中心层、泵站层、泵组层。
操作层的切换由“就地/远方”两个位置的硬件切换开关实现。泵组层每个泵组LCU均设置一个切换开关,开关指向“就地”位置,该泵组由泵组层控制和调节;开关指向“远方”位置,该泵组由泵站层控制和调节。
泵站层的站内共用LCU设置一个切换开关,开关指向“就地”位置,该泵站的泵组由泵站层控制和调节;开关指向“远方”位置,该泵站的泵组由紧急备用调度中心层控制和调节。
紧急备用调度中心层,即金湖泵站的站内共用LCU设置另一个切换开关,开关指向“就地”位置,各泵站的泵组由紧急备用调度中心层控制和调节;开关指向“远方”位置,各泵站的泵组由永久调度中心层控制和调节。系统正常运行时,所有操作层切换开关均应指向“远方”位置,供水系统由永久调度中心控制和调节。任何操作层的切换,都是无扰动切换,均不改变泵组的状态和流量。所有的保护功能,包括站间安全闭锁功能在任何操作层均不会消失,继续有效。
3.1.2　各操作层的控制模式及其切换
不同的操作层设置不同的控制模式,而控制模式的切换均由各层操作面板上软选择开关完成。
在泵组层,泵组为手动控制方式。手动控制单台泵组的启动/停止;手动调节泵组的叶片角度或者泵组的流量,两者可选择。
在泵站层,设置泵组手动控制方式和自动控制方式。在手动控制方式下,泵站层可以完成泵组层对单台泵组的所有控制和调节。在自动控制方式下,泵站层可以选择“泵站流量平衡”控制模式或者“全线流量平衡”控制模式,完成自动控制方式下的泵组的控制和调节。在“泵站流量平衡”控制模式下,泵站的流量给定值由操作人员手动输入;在“全线流量平衡”控制模式下,泵站的流量给定值由“全线流量平衡”程序计算得出。
在紧急备用调度中心层,操作人员可以每一个泵站,完成泵站层所能完成的操作。对于“全线流量平衡”的方式,则只能选择“起点流量给定方式”。在“起点流量给定方式”下,操作人员给出供水起点太园泵站的流量给定值,然后,计算机监控系统按照站间流量平衡的要求,计算出莲湖、旗岭、金湖泵站的流量给定值,实现全线供水的自动调度。
在永久调度中心层,操作人员可以每一个泵站,完成泵站层所能完成的操作。对于“全线流量平衡”的方式,不但能选择“起点流量给定方式”,还能选择“终点流量给定方式”。在“终点流量给定方式”下,操作人员给出供水终点深圳水库的入库流量或入库水量给定值,然后,计算机监控系统按照站间流量平衡的要求,并考虑全线供水优化调度的要求,计算出金湖、旗岭、莲湖、太园泵站的流量给定值或制定相应的运行计划,实现全线供水的优化调度。
3.2　站间安全闭锁的控制逻辑
泵站之间设计的安全闭锁功能是一种保护功能,它与操作层和控制模式无关,总是在发挥作用。作用主要有两方面:一是作用于相关泵站的泵组直接停机;二是对相关泵站的流量给定值作出修改,然后,调节泵站的流量,甚至启/停泵组。
当太园泵站事故全部停机时,莲湖、旗岭、金湖泵站由进水池水位确定各个泵站的停机程序,包括停机延时、停机间隔等,直到整个泵站完全停机。
当莲湖泵站事故全部停机时,太园泵站直接联动停机,而旗岭、金湖泵站由进水池水位确定各个泵站的停机程序,包括停机延时、停机间隔等,直到整个泵站完全停机。
当旗岭泵站事故全部停机时,太园、旗岭泵站直接联动停机,而金湖泵站由进水池水位确定泵站的停机程序,包括停机延时、停机间隔等,直到整个泵站完全停机。
当金湖泵站事故全部停机时,太园、旗岭、金湖泵站均直接联动停机。
3.3　站间流量平衡的数学模型
供水系统要维持在正常的水位范围内运行,必须保证站间流量的平衡。对单个泵站而言,进入泵站的流量必须及时抽走,为此,东改工程采用带水位控制的流量闭环调节,见图2。流量闭环调节的结果是计算出每台泵组的流量给定值,并发出相应的开机/停机命令。单泵的流量闭环调节由泵组控制单元实现。
3.3.1　水位调节模型
FR(S) =Y(S)XD(S)=KP1+1TN(S)+TD1+T1(S)式中:FR(S)为传递函数;Y(S)为传递函数输出值;XD(S)为
L—I—SP-泵站进水池水位给定值　L—I—AV-泵站进水池水位实际测量值　DQ—SP-水位调节产生的流量给定值偏差　PSx—1—Q—O—AV-上级泵站实际输出流量测量值(应扣除分水流量)　Q—O—SP-本泵站输出流量给定值　Q—O—AV-本泵站输出流量实际测量值(即各泵组流量之和)　LC-水位控制　QC—-流量控制传递函数输入值;KP为比例调节的线性系数;TN为积分环节的时间常数;TD为微分环节时间常数;T1(S)为调节时间。
3.3.2　流量调节和分配模型
流量调节和分配有两种方式:一是等流量分配方式,二是最优效率方式。
等流量方式下,尽量让所有运行的泵组带相等的流量。泵站流量需要增加时,流量加在流量输出最少的泵组;泵站流量需要减少时,选择流量输出最少的泵组进行减少。
最优效率方式下,按照整个泵站效率最优的原则,选择要调节的泵组和分配已经选择的泵组的流量给定值。
3.4　其他数学模型
除了上述数学模型外,为完成全线供水的自动控制、调节和优化调度,还必须编写全线供水自动控制数学模型、全线供水优化调度数学模型、全线供水模拟仿真数学模型等。由于篇幅所限,不在此再描述。

4　结　语
随着东深供水工程的相继投产,全线供水调度和管理自动化系统经过了实践的检验,实现了相应的自动化功能,开创了全线供水调度和管理的新模式。本文力求对工程中的新技术进行总结,为我国大型调水工程的调度和管理自动化提供借鉴。

参考文献
1　GB/T 50265-97.泵站设计规范[S].北京:中国计划出版社,1997
2　Mr Helge Voerding.Dongshen Water Supply-SCADA System Design Specification SCADA System Software[R]. Cegelec,Germany.2002
3　Mr Ch. Beltzig. Dongshen Water Supply- SCADA System Design Specification Control Functions. Cegelec,Germany.2002