吳 健，韋 東

(1.福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福州 350001;2.南京鈦能電氣有限公司，南京 211800)

1 概 述

我國目前共有泵站424451座，其中裝機流量不小于1m3/s或裝機功率不小于50kW以上泵站89063座［1］。自20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)逐步成熟，泵站自動化技術(shù)獲得了一定的發(fā)展［2］。

泵站自動化系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了以工業(yè)控制計算機 (Industrial Personal Computer，IPC)為基礎(chǔ)的集中式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)為基礎(chǔ)的分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，到基于Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)泵站的監(jiān)控和管理［3］。也有的國內(nèi)企業(yè)以自主研發(fā)的綜合測控裝置為基礎(chǔ)，還有以集散控制系統(tǒng) (Distributed Control Systems，DCS)為基礎(chǔ)的自控解決方案［4］?？傮w來講，目前大多數(shù)泵站自動化系統(tǒng)的核心為PLC［3］［5］［6］［7］［8］。

PLC具有配置靈活、可靠性高、能適應(yīng)各種運行環(huán)境的優(yōu)點，相對也有開放性差的缺點。對于數(shù)量龐大的中小型泵站，采用PLC為核心構(gòu)成自動化系統(tǒng)成本偏高。一些小型泵站從成本考慮不設(shè)計自動化系統(tǒng)，若采用信息化，需增加遠動設(shè)備，施工繁瑣，功能不完備。目前實際應(yīng)用中的泵站自動化系統(tǒng)也存在一些問題和不足，如片面追求個別指標的先進性，系統(tǒng)整體適用性差［4］。一些泵站的自動化系統(tǒng)在功能設(shè)計上，僅僅把泵組的開停機操作理解為泵站自動化，用大量的配置將泵站的柜前操作移至計算機屏幕前的鼠標操作，而往往忽視與生產(chǎn)管理、經(jīng)濟運行、安全管理等相關(guān)的泵站自動化系統(tǒng)的核心需求［2］。泵站運行維護人員的技術(shù)力量嚴重不足，設(shè)備維護跟不上［6］，自動化系統(tǒng)大多在運行一段時間后處于癱瘓狀態(tài)。而且，受計算機水平的限制，運行人員面對鼠標鍵盤有一種對高科技的畏懼感，使得系統(tǒng)的許多功能無法充分發(fā)揮。

本文提出了一種基于智能控制器的泵站運行管理環(huán)境自動化系統(tǒng)模式，系統(tǒng)采用常規(guī)的人機界面，可實現(xiàn)簡易操作。在實現(xiàn)泵站自動化、信息化建設(shè)的同時，還可解決泵站無人值班時的設(shè)備安全問題。

2 泵站自動化系統(tǒng)功能要求

泵站自動化系統(tǒng)在設(shè)計上首先要滿足實用性、可靠性的需求。其基本功能應(yīng)包含數(shù)據(jù)采集與處理、繼電保護、泵組控制、閘門控制、自動調(diào)節(jié)和視頻安全預(yù)防。在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)泵站具體情況，可增加設(shè)備管理、報表、遠程管理等功能。

3 基于智能控制器的泵站自動化系統(tǒng)解決方案

鑒于前文所述的現(xiàn)行泵站自動化系統(tǒng)面臨的主要問題，本文提出的泵站自動化系統(tǒng)以智能控制器為核心，可完成泵站的電氣量采集、水位采集、報警、一鍵開機、一鍵停機、自動開機、自動停機、基于Internet的遠程管理、基于短信的遠程管理功能等。泵站自動化系統(tǒng)的操作采用與常規(guī)控制系統(tǒng)相同的按鈕，泵站原有操作人員完全可以完成高度智能化的泵站智能系統(tǒng)的操作。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

自動化系統(tǒng)的控制器與常規(guī)電氣柜融為一體，不需設(shè)置單獨的自動化控制柜，節(jié)省占地和接線。系統(tǒng)以控制器為核心，設(shè)計了進線柜、泵控制柜、無功補償柜、站用配電柜、安全預(yù)防系統(tǒng)等，組成了完善的泵站智能系統(tǒng)。其中，進線啟動柜完成總進線電源接入、進線繼電保護、泵站智能控制、泵站信息采集與對外數(shù)據(jù)交互、無功補償控制、運行狀態(tài)及參數(shù)指示等功能;泵控制柜完成泵就地自動/手動啟停、電動機的繼電保護、運行狀態(tài)及參數(shù)指示等功能;站用配電柜完成泵站的配電功能;安全預(yù)防系統(tǒng)完成泵站的安全預(yù)防功能。

圖1為一個具有2條進線、6臺水泵的泵站自動化系統(tǒng)構(gòu)成圖。

3.2 站級智能控制器

安裝于進線柜的泵站智能控制器完成全站的智能控制、無功補償控制、全站的信息采集以及對進線的繼電保護功能，并負責(zé)與通信工作站完成相關(guān)信息的交互功能，是智能控制系統(tǒng)的核心。

泵站智能控制器設(shè)有三種泵開機方式:一鍵開機、水位自動開機、遠方遙控開機。一鍵開機功能基于水利系統(tǒng)傳統(tǒng)的運行習(xí)慣而設(shè)計，方便維護人員現(xiàn)場操作，簡單易用。水位自動開機功能，使得泵站即使在無人值班的情況下，也能自動根據(jù)水位情況進行泵開機操作。不同水位高程需啟動的泵組可以通過出口編程來整定，通過靈活的設(shè)計最大程度滿足用戶現(xiàn)場的實際需求。遠方遙控開機指主站對泵站智能控制器發(fā)出遙控開機的命令，便于用戶遠程控制泵的運行;泵站智能控制器定時將泵站運行的實時信息及報警信息送入主站，便于用戶及時掌握現(xiàn)場運行情況。

裝置在開機過程中，進行控制進水閘門打開、進水閘門全開判別、控制出水閘門打開、出水閘門全開判別、控制泵開機等操作。開機過程中如果閘門操作失敗，裝置發(fā)出告警信號，報出“閘門操作失敗動作”的事件記錄;閘門操作失敗時，如果需要繼續(xù)開機，必須將告警信號復(fù)歸才能繼續(xù)執(zhí)行泵開機命令。開機總流程見圖2。

圖2 開機總流程

工作泵故障停車時能根據(jù)各備用泵的狀態(tài)自動選擇投入備用泵，降低故障造成的影響。備用泵開機流程見圖3。

圖3 備用泵啟動流程

泵站智能控制器設(shè)有三種泵停機方式:一鍵停機、水位自動停機、遠方遙控停機。泵停車命令發(fā)出后，對泵站智能控制器控制的所有的泵發(fā)出停車命令。

如果“出水閘門關(guān)閉控制”控制字投入，在停泵之后會完成關(guān)出水閘門的操作。在關(guān)出水閘門時間內(nèi)，如果出水閘門全關(guān)，則關(guān)出水閘門控制完成，否則裝置告警，同時報出“閘門操作失敗動作”。如果“出水閘門關(guān)閉控制”控制字退出，則不進行相關(guān)操作。

如果“進水閘門關(guān)閉控制”控制字投入，在停泵之后會完成關(guān)進水閘門的操作。在關(guān)進水閘門時間內(nèi)，如果進水閘門全關(guān)，則關(guān)進水閘門控制完成，否則裝置告警，同時報出“閘門操作失敗動作”。如果“進水閘門關(guān)閉控制”控制字退出，則不進行相關(guān)操作。圖4為關(guān)機總流程。

圖4 全停流程

控制器可根據(jù)無功功率值自動啟動或退出電容器組?？稍O(shè)定為順序投切方式和循環(huán)投切方式。循環(huán)投切方式是優(yōu)化的切換方式，盡可能使每個電容器都得到相同的使用機會。

3.3 泵智能保護控制器

安裝于泵控制柜的泵機組智能保護控制器完成泵的就地自動控制以及電動機的繼電保護功能，是智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元。

裝置在自動狀態(tài)下，接受就地開機和主站遙控開機命令;在備用狀態(tài)下，僅接受主站備用開機命令。裝置在開機過程中，順序進行判斷開機條件、完成閘閥控制 (可投退)、判斷閘閥位置 (可投退)、完成降壓啟動 (以變壓器降壓啟動為例)、實現(xiàn)全壓運行等操作。在開機過程中，如果開機受阻，裝置發(fā)出告警信號，同時發(fā)出全停命令。

可以通過就地停車和主站遙控停車兩種方式完成人為停機操作。在開機過程中出現(xiàn)泵故障信號，也會進行停機操作。保護動作時，發(fā)出停車命令，不會進行關(guān)閘閥操作，如果需要在保護動作停車的同時關(guān)閘閥，可以通過出口編程實現(xiàn)。

3.4 系統(tǒng)特點

泵站智能控制器與泵機組保護控制器之間采用串行通信，泵站智能控制器作為主站，最多連接16臺泵機組保護控制器，完成泵組的一鍵開機、水位開機、遠方開機等功能。

泵站智能系統(tǒng)采用了基于系統(tǒng)參數(shù)整合的泵站專家控制系統(tǒng)技術(shù)。泵站專家控制系統(tǒng)技術(shù)根據(jù)環(huán)境變量、泵機組運行狀態(tài)、泵效率參數(shù)等信息，優(yōu)化了泵組投退組合與無功補償?shù)龋?jié)能降耗，延長了設(shè)備壽命，提高了泵站運行可靠性和經(jīng)濟性。

泵站智能系統(tǒng)采用了基于泵站場景特殊事件智能機器識別的泵站安全預(yù)防技術(shù)。機器視覺系統(tǒng)智能識別泵站場景，并對出現(xiàn)的特殊情況進行判斷。在開機前自動檢測安全管理區(qū)域并自動判別區(qū)域內(nèi)的安全，當(dāng)出現(xiàn)非安全狀態(tài)時，自動閉鎖泵組啟動并預(yù)警，保證人員生命安全。在無人值班期間，能夠自動判別區(qū)域安全狀態(tài)，實現(xiàn)泵站的防盜、防破壞，減少財產(chǎn)損失，降低社會成本。

泵站自動化系統(tǒng)的操作采用與常規(guī)控制系統(tǒng)相同的按鈕，泵站原有操作人員完全可以完成高度智能化的泵站智能系統(tǒng)的操作。

泵站智能系統(tǒng)采用了基于實時嵌入式平臺的泵站熱點數(shù)據(jù)無線定制點播和推送技術(shù)。系統(tǒng)采用控制器的實時嵌入式平臺，將站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)接入專用或公共信息網(wǎng)，各級管理和運行維護人員可以通過移動終端對泵站熱點數(shù)據(jù)進行定制和點播，實現(xiàn)與智能泵站的交互管理;同時系統(tǒng)支持未來水利信息化等云計算系統(tǒng)，提高了管理效率和水平，降低了差錯率，節(jié)約了管理成本。

4 實例分析

基于智能控制器的泵站自動化系統(tǒng)已于2011年3月在湖北省浠水縣袁湖泵站成功投運。泵站2臺800kV·A主變分別接至兩段0.4kV母線，每段母線接2臺250kW電動機泵組。

系統(tǒng)除具有保護、控制功能外，還可根據(jù)無功功率進行電容器自動投切。系統(tǒng)具有信息化接口，可通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸站內(nèi)運行參數(shù)和安防畫面。PAS651泵站智能控制器可實現(xiàn)水位采集并根據(jù)水位自動開停機，系統(tǒng)操作界面簡潔，原有運行人員經(jīng)簡單培訓(xùn)即可掌握系統(tǒng)的所有操作功能。

系統(tǒng)投運兩年來，運行安全可靠，提高了泵站的運行管理水平。

［1］第一次全國水利普查公報［R］.2013.

［2］宋元勝，鄧華，王根喜.泵站自動化典型設(shè)計［J］.中國水利，2007(1).

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［4］劉茂祥，劉軍偉.回歸本質(zhì)——泵站自動化的發(fā)展趨勢［J］.水利科技與經(jīng)濟，2012(3).

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［7］李良庚.小型泵站自動化系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用［J］.水利水文自動化，2006(12).

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