潘自林 李曉剛

（寧夏回族自治區(qū)水利工程建設(shè)中心，寧夏 銀川 750000）

梯級(jí)泵站是我國(guó)解決內(nèi)陸水資源分布不均勻，優(yōu)化水資源配置的民生工程。擔(dān)負(fù)著農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)、人飲等重要任務(wù)。近些年，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，落實(shí)水利“補(bǔ)短板強(qiáng)監(jiān)管”的發(fā)展理念，對(duì)于水利工程的投資不斷增大。新建、改建、擴(kuò)建泵站工程大量實(shí)施，國(guó)家對(duì)泵站這種高耗能設(shè)施提出了新的要求，提水泵站要提高效率、降低能耗，提升自動(dòng)化控制程度，減少人力資源投入，降低運(yùn)行維護(hù)成本。為實(shí)現(xiàn)泵站“無(wú)人值班，少人值守”帶來(lái)可能，本文以我國(guó)西北地區(qū)某梯級(jí)揚(yáng)水泵站為例，對(duì)實(shí)現(xiàn)泵站機(jī)組自動(dòng)流程化控制進(jìn)行探討研究。

1 工程機(jī)電設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)施簡(jiǎn)介

我國(guó)西北某梯級(jí)揚(yáng)水工程有多級(jí)揚(yáng)水泵站，各級(jí)泵站串聯(lián)運(yùn)行，輸水沿線調(diào)蓄能力弱，為提高水利用率，必須科學(xué)調(diào)度調(diào)蓄。

以二級(jí)泵站為例分析研究。二級(jí)泵站（一級(jí)泵站到二級(jí)泵站無(wú)配水）配置有異步機(jī)組2臺(tái)、同步機(jī)組2臺(tái)、變頻機(jī)組2臺(tái)。分布示意圖如圖1所示。

圖1 泵站機(jī)組布置圖

其中2#、4#為變頻機(jī)組，3#、5#為同步機(jī)組，其余為異步機(jī)組。在泵組出水側(cè)將2#、3#和4#、5#機(jī)組的出水管進(jìn)行了聯(lián)通，以便于泵站在初次運(yùn)行時(shí)，利用變頻機(jī)組對(duì)所有的壓力管道進(jìn)行初充水作業(yè)，以防止空管道低揚(yáng)程、大流量造成電動(dòng)機(jī)過(guò)載。

該泵站中每?jī)膳_(tái)機(jī)組配置一面機(jī)組LCU柜用于控制機(jī)組起停，監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電流、功率、電機(jī)定子繞組溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫度、軸承溫度、功率因數(shù)、運(yùn)行時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警等信息，并將其上傳到泵站中控室的操作員工作站；全站配置一面公用LCU屏，用于監(jiān)測(cè)直流屏參數(shù)、變壓器、互感器、刀閘、避雷器等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、輔機(jī)系統(tǒng)（油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)）的控制及信號(hào)、進(jìn)出水池水位信號(hào)等；并在主副廠房的關(guān)鍵位置裝設(shè)了視頻系統(tǒng)，泵站中控室中設(shè)置了視頻工作站。泵站中控室工作站上展示的所有參數(shù)信息、視頻信號(hào)均可通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至總調(diào)度中心。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組流程化開(kāi)機(jī)運(yùn)行，分別在水泵出水側(cè)法蘭上和液控蝶閥后出水電動(dòng)閥前安裝了壓力變送器，以便時(shí)刻監(jiān)控輸水管道壓力變化情況，為自動(dòng)化控制提供有利的判斷依據(jù)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“集中監(jiān)控、管理，數(shù)據(jù)共享”，滿足泵站、自動(dòng)化控制的要求，達(dá)到系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)，控制到位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)上傳至調(diào)度中心。該工程自動(dòng)化系統(tǒng)分三個(gè)層級(jí)管理：

第一層，調(diào)度級(jí)：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遙控、遙測(cè)、遙信，遙調(diào)。按照整個(gè)工程所有泵站水位、渠道水位、泵站流量、揚(yáng)程、級(jí)間分水情況和設(shè)備狀態(tài)，合理調(diào)配各泵站的運(yùn)行機(jī)組，使整個(gè)沿線流量平衡，泵站級(jí)間匹配，有效提高輸水效率、灌溉效率和水資源利用率。

第二層，站控級(jí)：接收調(diào)度中心層的指令，控制站內(nèi)各泵運(yùn)行，使泵站優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。具有對(duì)管轄范圍內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、視頻、信息監(jiān)測(cè)與管理等功能。

第三層，現(xiàn)地級(jí)：泵站現(xiàn)地設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)視等功能。

2 不同機(jī)組的開(kāi)停機(jī)流程

2.1 初充水控制流程（見(jiàn)圖2）

初充水流程是專門(mén)用于空管道第一次開(kāi)機(jī)，為了有效回避高揚(yáng)程、長(zhǎng)管道（6.2 km），造成電動(dòng)機(jī)過(guò)載帶來(lái)的不利影響，設(shè)置沖水流程。沖水流程只選擇啟動(dòng)2#、4#變頻機(jī)組，因此此流程僅布置與2#、4#機(jī)組中。在啟動(dòng)本程序時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)以下條件是否具備：（1）前池水位高于最低水位；（2）電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置無(wú)故障；（3）進(jìn)水電動(dòng)閥無(wú)故障且全開(kāi)；（4）出水電動(dòng)閥無(wú)故障且全關(guān)；（5）液控蝶閥無(wú)故障全開(kāi)到位；（6）液控蝶閥處于遠(yuǎn)方位置；（7）電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)柜小車(chē)處于工作位置。以上條件為“與”關(guān)系，缺一不可。條件不具備時(shí)，點(diǎn)擊控制界面啟動(dòng)按鈕時(shí)，將會(huì)彈窗提示。當(dāng)條件全部具備時(shí)，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，機(jī)組PLC將會(huì)自行執(zhí)行流程開(kāi)機(jī)程序。

圖2 初充水控制流程

機(jī)組PLC自動(dòng)檢測(cè)開(kāi)機(jī)條件全部具備后，開(kāi)始投入輔機(jī)系統(tǒng)，包含啟動(dòng)稀油站、啟動(dòng)冷卻水泵、啟動(dòng)密封水泵并檢測(cè)壓力正常等，檢測(cè)所有輔機(jī)系統(tǒng)投入成功，然后合電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)柜斷路器并檢測(cè)合閘成功，執(zhí)行變頻開(kāi)機(jī)，先后合變頻器電源側(cè)接觸器和負(fù)荷側(cè)接觸器并檢測(cè)合閘成功，將初始頻率設(shè)置為31 Hz，啟動(dòng)變頻器，開(kāi)出水電動(dòng)閥至30%，延時(shí)15 s后開(kāi)始檢測(cè)液控蝶閥后壓力，當(dāng)達(dá)到凈揚(yáng)程的10%時(shí)，增加變頻器的頻率至35 Hz。后每當(dāng)液控蝶閥后壓力增加凈揚(yáng)程的10%時(shí)，便增加2 Hz的頻率，直至閥后壓力達(dá)到50%的凈揚(yáng)程時(shí)，開(kāi)出水液控閥閥至100%并檢測(cè)到位，頻率增加至41 Hz，充水程序退出轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行模式。其中，當(dāng)閥后壓力達(dá)到30%凈揚(yáng)程時(shí)，需將出水側(cè)電動(dòng)閥開(kāi)至50%，并延時(shí)15 s后再開(kāi)始檢測(cè)閥后壓力與凈揚(yáng)程的關(guān)系。

在智能控制設(shè)計(jì)之初，我們考慮使用液控蝶閥進(jìn)行壓閥充水作業(yè)，但是由于液控蝶閥的中?？刂茰?zhǔn)確性有限，且壓閥作業(yè)充水時(shí)，液控蝶閥的閉鎖將被關(guān)閉，使液控蝶閥防水錘功能失效，對(duì)泵站運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，因此改為使用出水電動(dòng)閥進(jìn)行充水作業(yè)，并在此程序中增加兩個(gè)延時(shí)15 s。其作用是為了確保電動(dòng)閥可以開(kāi)閥至固定位置后，再執(zhí)行下一步程序。第一個(gè)延時(shí)還可以避免水泵開(kāi)始運(yùn)行，但電動(dòng)閥開(kāi)閥時(shí)間較長(zhǎng)，造成憋壓使液控蝶閥后壓力瞬間上升，引起PLC誤判，直接跳至后續(xù)程序或直接退出初充水程序，造成初充水失敗。

2.2 變頻機(jī)組正常開(kāi)機(jī)流程

在泵站壓力管道中有水，須增加機(jī)組提升流量時(shí)，變頻機(jī)組開(kāi)機(jī)使用正常開(kāi)機(jī)流程，此流程需要具備的開(kāi)機(jī)條件如表1所示。

表1 變頻機(jī)組正常開(kāi)機(jī)條件

表1中有三組開(kāi)機(jī)條件分別為通用開(kāi)機(jī)條件、變頻開(kāi)機(jī)條件、旁路開(kāi)機(jī)條件。當(dāng)使用變頻開(kāi)機(jī)時(shí)，機(jī)組應(yīng)具備的開(kāi)機(jī)條件為“通用開(kāi)機(jī)條件+變頻開(kāi)機(jī)條件”；當(dāng)變頻器有故障或處于檢修狀態(tài)時(shí)，便使用旁路開(kāi)機(jī)，此時(shí)機(jī)組應(yīng)具備的開(kāi)機(jī)條件為“通用開(kāi)機(jī)條件+旁路開(kāi)機(jī)條件”。

當(dāng)開(kāi)機(jī)條件具備時(shí)，控制人員可以在遠(yuǎn)端命令PLC執(zhí)行選中的流程開(kāi)機(jī)（變頻開(kāi)機(jī)/旁路開(kāi)機(jī)），PLC在接受命令后將嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)置好的開(kāi)機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)機(jī)操作，具體流程見(jiàn)圖3，該流程中的水泵出口壓力滿足條件是指：水泵出水側(cè)壓力達(dá)到液控蝶閥后壓力的95%時(shí)，開(kāi)啟液控蝶閥，避免發(fā)生壓力管道中的水倒流。

異步機(jī)組、同步機(jī)組流程開(kāi)機(jī)程序與變頻機(jī)組旁路開(kāi)機(jī)流程相近，異步機(jī)組開(kāi)機(jī)流程取消了旁路開(kāi)機(jī)中的變頻器部分，而同步機(jī)組則在取消變頻器部分的基礎(chǔ)上增加勵(lì)磁的投入控制，并且在通用開(kāi)機(jī)條件中增加勵(lì)磁的準(zhǔn)備工作。因此異步機(jī)組、同步機(jī)組流程開(kāi)機(jī)的程序。

圖3 變頻機(jī)組正常開(kāi)機(jī)流程

2.3 變頻機(jī)組停機(jī)流程

泵站完成供水任務(wù)后，各機(jī)組需要由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)橥C(jī)狀態(tài)，此過(guò)程需要執(zhí)行停機(jī)流程，在開(kāi)啟此程序前機(jī)組應(yīng)具備如表2所示條件。

表2 變頻機(jī)組停機(jī)條件

表2中有三組停機(jī)條件分別為通用停機(jī)條件、變頻停機(jī)條件、旁路停機(jī)條件。當(dāng)機(jī)組通過(guò)變頻器運(yùn)行時(shí)，停機(jī)時(shí)機(jī)組應(yīng)具備的停機(jī)條件為“通用停機(jī)條件+變頻停機(jī)條件”；當(dāng)機(jī)組通過(guò)旁路柜運(yùn)行時(shí)，便使用旁路停機(jī)程序，此時(shí)機(jī)組應(yīng)具備的停機(jī)條件為“通用停機(jī)條件+旁路停機(jī)條件”。當(dāng)停機(jī)時(shí)，只需監(jiān)控人員通過(guò)控制上位機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，PLC將會(huì)自動(dòng)判斷機(jī)組所處的運(yùn)行狀態(tài)，及相應(yīng)的停機(jī)條件，自動(dòng)選擇執(zhí)行“變頻停機(jī)/旁路停機(jī)”。異步變頻機(jī)組停機(jī)流程見(jiàn)圖4。

圖4 異步變頻機(jī)組停機(jī)流程

2.4 其余機(jī)組停機(jī)流程

異步工頻機(jī)組自動(dòng)停機(jī)流程如圖5所示，停機(jī)程序的順利執(zhí)行，需要具備表2中“通用停機(jī)條件”，操作過(guò)程和變頻機(jī)組相同。而同步工頻機(jī)組的停機(jī)流程則是在異步工頻停機(jī)流程中的“電動(dòng)機(jī)斷路器分閘成功”后增加了分勵(lì)磁主控開(kāi)關(guān)。

圖5 異步工頻機(jī)組停機(jī)流程

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 優(yōu)點(diǎn)

各泵站PLC中預(yù)設(shè)了相應(yīng)的開(kāi)停機(jī)流程，并通過(guò)專線光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC與調(diào)度中心工作站的通信，便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。調(diào)度中心的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全線泵站執(zhí)行流程化啟?？刂?，同時(shí)也可以根據(jù)需要執(zhí)行單個(gè)泵站機(jī)組的流程化啟停控制。這種方式可以在滿足系統(tǒng)輸水量的前提下，保證整個(gè)工程安全穩(wěn)定運(yùn)行、減少系統(tǒng)棄水、降低系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)流量平衡和聯(lián)合調(diào)度。改變了原始的逐級(jí)電話調(diào)度的操作方式，提高了調(diào)度效率。在揚(yáng)水工程運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行管理人員可以不用去泵站現(xiàn)場(chǎng)，即可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)泵站機(jī)組的開(kāi)停機(jī)運(yùn)行，大大減少了運(yùn)行人力資源投入，節(jié)約了成本，為實(shí)現(xiàn)泵站的“無(wú)人值班，少人值守”提供有力的技術(shù)保障，初步實(shí)現(xiàn)智能管理。

3.2 注意問(wèn)題

遠(yuǎn)程的調(diào)度控制也存在著很多的不穩(wěn)定因素。將運(yùn)行模式由現(xiàn)在的現(xiàn)地運(yùn)行，轉(zhuǎn)為今后的調(diào)度運(yùn)行集中控制，便對(duì)泵站中的設(shè)備設(shè)施檢修和維護(hù)提出了更高的要求。檢維修隊(duì)伍必須熟悉泵站中的所有設(shè)備，在檢修過(guò)程中，可以排查出所有的設(shè)備暗病以及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，將設(shè)備調(diào)至最優(yōu)工況。這種調(diào)度集中控制還應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護(hù)，做好備選網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，避免因?yàn)楣饫w等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的中斷，造成泵站運(yùn)行的失控，應(yīng)時(shí)刻做好網(wǎng)絡(luò)搶修的準(zhǔn)備。在機(jī)組PLC中，每臺(tái)機(jī)組監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)多達(dá)26個(gè)，這些參數(shù)有些在設(shè)計(jì)規(guī)程里有保護(hù)報(bào)警值，有些卻沒(méi)有，為了避免機(jī)組的跳閘的誤動(dòng)作，將輔機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)繞組溫度、軸承溫度等均不作為機(jī)組跳閘的條件，僅作為各類(lèi)報(bào)警，以提醒監(jiān)控人員引起重視。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化控制是當(dāng)今世界和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)地操作方式，提高了運(yùn)行的安全性，減少了人力資源的投入，但是對(duì)日常的運(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求，需要專業(yè)技術(shù)能力強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富的人來(lái)做好設(shè)備的檢維修工作，確保各設(shè)備均處于優(yōu)良狀態(tài)。但僅僅將泵站控制集中在調(diào)度還是不夠的，還應(yīng)引入“模糊控制+PID控制變頻器的機(jī)制”才能使梯級(jí)泵站獨(dú)立于輸水系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)真正的泵站智能控制，達(dá)到“無(wú)人值班，少人值守”的目的。