基于智能控制器的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)研究

吳 健，韋 東

(1.福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(guó)目前共有泵站424451座，其中裝機(jī)流量不小于1m3/s或裝機(jī)功率不小于50kW以上泵站89063座［1］。自20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步成熟，泵站自動(dòng)化技術(shù)獲得了一定的發(fā)展［2］。

泵站自動(dòng)化系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了以工業(yè)控制計(jì)算機(jī) (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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，到基于Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)泵站的監(jiān)控和管理［3］。也有的國(guó)內(nèi)企業(yè)以自主研發(fā)的綜合測(cè)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(lái)講，目前大多數(shù)泵站自動(dòng)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(yùn)行環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)也有開(kāi)放性差的缺點(diǎn)。對(duì)于數(shù)量龐大的中小型泵站，采用PLC為核心構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)成本偏高。一些小型泵站從成本考慮不設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)，若采用信息化，需增加遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備，施工繁瑣，功能不完備。目前實(shí)際應(yīng)用中的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)也存在一些問(wèn)題和不足，如片面追求個(gè)別指標(biāo)的先進(jìn)性，系統(tǒng)整體適用性差［4］。一些泵站的自動(dòng)化系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上，僅僅把泵組的開(kāi)停機(jī)操作理解為泵站自動(dòng)化，用大量的配置將泵站的柜前操作移至計(jì)算機(jī)屏幕前的鼠標(biāo)操作，而往往忽視與生產(chǎn)管理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全管理等相關(guān)的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的核心需求［2］。泵站運(yùn)行維護(hù)人員的技術(shù)力量嚴(yán)重不足，設(shè)備維護(hù)跟不上［6］，自動(dòng)化系統(tǒng)大多在運(yùn)行一段時(shí)間后處于癱瘓狀態(tài)。而且，受計(jì)算機(jī)水平的限制，運(yùn)行人員面對(duì)鼠標(biāo)鍵盤(pán)有一種對(duì)高科技的畏懼感，使得系統(tǒng)的許多功能無(wú)法充分發(fā)揮。

本文提出了一種基于智能控制器的泵站運(yùn)行管理環(huán)境自動(dòng)化系統(tǒng)模式，系統(tǒng)采用常規(guī)的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易操作。在實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化、信息化建設(shè)的同時(shí)，還可解決泵站無(wú)人值班時(shí)的設(shè)備安全問(wèn)題。

2 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)功能要求

泵站自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上首先要滿足實(shí)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(hù)、泵組控制、閘門(mén)控制、自動(dòng)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(bào)表、遠(yuǎn)程管理等功能。

3 基于智能控制器的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案

鑒于前文所述的現(xiàn)行泵站自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題，本文提出的泵站自動(dòng)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(bào)警、一鍵開(kāi)機(jī)、一鍵停機(jī)、自動(dòng)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)停機(jī)、基于Internet的遠(yuǎn)程管理、基于短信的遠(yuǎn)程管理功能等。泵站自動(dòng)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(dòng)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(dú)的自動(dòng)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(jì)了進(jìn)線柜、泵控制柜、無(wú)功補(bǔ)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(jìn)線啟動(dòng)柜完成總進(jìn)線電源接入、進(jìn)線繼電保護(hù)、泵站智能控制、泵站信息采集與對(duì)外數(shù)據(jù)交互、無(wú)功補(bǔ)償控制、運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)指示等功能;泵控制柜完成泵就地自動(dòng)/手動(dòng)啟停、電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)、運(yùn)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(gè)具有2條進(jìn)線、6臺(tái)水泵的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成圖。

3.2 站級(jí)智能控制器

安裝于進(jìn)線柜的泵站智能控制器完成全站的智能控制、無(wú)功補(bǔ)償控制、全站的信息采集以及對(duì)進(jìn)線的繼電保護(hù)功能，并負(fù)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(kāi)機(jī)方式:一鍵開(kāi)機(jī)、水位自動(dòng)開(kāi)機(jī)、遠(yuǎn)方遙控開(kāi)機(jī)。一鍵開(kāi)機(jī)功能基于水利系統(tǒng)傳統(tǒng)的運(yùn)行習(xí)慣而設(shè)計(jì)，方便維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)操作，簡(jiǎn)單易用。水位自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能，使得泵站即使在無(wú)人值班的情況下，也能自動(dòng)根據(jù)水位情況進(jìn)行泵開(kāi)機(jī)操作。不同水位高程需啟動(dòng)的泵組可以通過(guò)出口編程來(lái)整定，通過(guò)靈活的設(shè)計(jì)最大程度滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。遠(yuǎn)方遙控開(kāi)機(jī)指主站對(duì)泵站智能控制器發(fā)出遙控開(kāi)機(jī)的命令，便于用戶遠(yuǎn)程控制泵的運(yùn)行;泵站智能控制器定時(shí)將泵站運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息及報(bào)警信息送入主站，便于用戶及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。

裝置在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，進(jìn)行控制進(jìn)水閘門(mén)打開(kāi)、進(jìn)水閘門(mén)全開(kāi)判別、控制出水閘門(mén)打開(kāi)、出水閘門(mén)全開(kāi)判別、控制泵開(kāi)機(jī)等操作。開(kāi)機(jī)過(guò)程中如果閘門(mén)操作失敗，裝置發(fā)出告警信號(hào)，報(bào)出“閘門(mén)操作失敗動(dòng)作”的事件記錄;閘門(mén)操作失敗時(shí)，如果需要繼續(xù)開(kāi)機(jī)，必須將告警信號(hào)復(fù)歸才能繼續(xù)執(zhí)行泵開(kāi)機(jī)命令。開(kāi)機(jī)總流程見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)機(jī)總流程

工作泵故障停車(chē)時(shí)能根據(jù)各備用泵的狀態(tài)自動(dòng)選擇投入備用泵，降低故障造成的影響。備用泵開(kāi)機(jī)流程見(jiàn)圖3。

圖3 備用泵啟動(dòng)流程

泵站智能控制器設(shè)有三種泵停機(jī)方式:一鍵停機(jī)、水位自動(dòng)停機(jī)、遠(yuǎn)方遙控停機(jī)。泵停車(chē)命令發(fā)出后，對(duì)泵站智能控制器控制的所有的泵發(fā)出停車(chē)命令。

如果“出水閘門(mén)關(guān)閉控制”控制字投入，在停泵之后會(huì)完成關(guān)出水閘門(mén)的操作。在關(guān)出水閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，如果出水閘門(mén)全關(guān)，則關(guān)出水閘門(mén)控制完成，否則裝置告警，同時(shí)報(bào)出“閘門(mén)操作失敗動(dòng)作”。如果“出水閘門(mén)關(guān)閉控制”控制字退出，則不進(jìn)行相關(guān)操作。

如果“進(jìn)水閘門(mén)關(guān)閉控制”控制字投入，在停泵之后會(huì)完成關(guān)進(jìn)水閘門(mén)的操作。在關(guān)進(jìn)水閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，如果進(jìn)水閘門(mén)全關(guān)，則關(guān)進(jìn)水閘門(mén)控制完成，否則裝置告警，同時(shí)報(bào)出“閘門(mén)操作失敗動(dòng)作”。如果“進(jìn)水閘門(mén)關(guān)閉控制”控制字退出，則不進(jìn)行相關(guān)操作。圖4為關(guān)機(jī)總流程。

圖4 全停流程

控制器可根據(jù)無(wú)功功率值自動(dòng)啟動(dòng)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(gè)電容器都得到相同的使用機(jī)會(huì)。

3.3 泵智能保護(hù)控制器

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

裝置在自動(dòng)狀態(tài)下，接受就地開(kāi)機(jī)和主站遙控開(kāi)機(jī)命令;在備用狀態(tài)下，僅接受主站備用開(kāi)機(jī)命令。裝置在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，順序進(jìn)行判斷開(kāi)機(jī)條件、完成閘閥控制 (可投退)、判斷閘閥位置 (可投退)、完成降壓?jiǎn)?dòng) (以變壓器降壓?jiǎn)?dòng)為例)、實(shí)現(xiàn)全壓運(yùn)行等操作。在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，如果開(kāi)機(jī)受阻，裝置發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)發(fā)出全停命令。

可以通過(guò)就地停車(chē)和主站遙控停車(chē)兩種方式完成人為停機(jī)操作。在開(kāi)機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)泵故障信號(hào)，也會(huì)進(jìn)行停機(jī)操作。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，發(fā)出停車(chē)命令，不會(huì)進(jìn)行關(guān)閘閥操作，如果需要在保護(hù)動(dòng)作停車(chē)的同時(shí)關(guān)閘閥，可以通過(guò)出口編程實(shí)現(xiàn)。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

泵站智能控制器與泵機(jī)組保護(hù)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(tái)泵機(jī)組保護(hù)控制器，完成泵組的一鍵開(kāi)機(jī)、水位開(kāi)機(jī)、遠(yuǎn)方開(kāi)機(jī)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(zhuān)家控制系統(tǒng)技術(shù)。泵站專(zhuān)家控制系統(tǒng)技術(shù)根據(jù)環(huán)境變量、泵機(jī)組運(yùn)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(wú)功補(bǔ)償?shù)?，?jié)能降耗，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，提高了泵站運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

泵站智能系統(tǒng)采用了基于泵站場(chǎng)景特殊事件智能機(jī)器識(shí)別的泵站安全預(yù)防技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)智能識(shí)別泵站場(chǎng)景，并對(duì)出現(xiàn)的特殊情況進(jìn)行判斷。在開(kāi)機(jī)前自動(dòng)檢測(cè)安全管理區(qū)域并自動(dòng)判別區(qū)域內(nèi)的安全，當(dāng)出現(xiàn)非安全狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)閉鎖泵組啟動(dòng)并預(yù)警，保證人員生命安全。在無(wú)人值班期間，能夠自動(dòng)判別區(qū)域安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)泵站的防盜、防破壞，減少財(cái)產(chǎn)損失，降低社會(huì)成本。

泵站自動(dòng)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(shí)時(shí)嵌入式平臺(tái)的泵站熱點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)線定制點(diǎn)播和推送技術(shù)。系統(tǒng)采用控制器的實(shí)時(shí)嵌入式平臺(tái)，將站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)接入專(zhuān)用或公共信息網(wǎng)，各級(jí)管理和運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)泵站熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定制和點(diǎn)播，實(shí)現(xiàn)與智能泵站的交互管理;同時(shí)系統(tǒng)支持未來(lái)水利信息化等云計(jì)算系統(tǒng)，提高了管理效率和水平，降低了差錯(cuò)率，節(jié)約了管理成本。

4 實(shí)例分析

基于智能控制器的泵站自動(dòng)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(yùn)。泵站2臺(tái)800kV·A主變分別接至兩段0.4kV母線，每段母線接2臺(tái)250kW電動(dòng)機(jī)泵組。

系統(tǒng)除具有保護(hù)、控制功能外，還可根據(jù)無(wú)功功率進(jìn)行電容器自動(dòng)投切。系統(tǒng)具有信息化接口，可通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸站內(nèi)運(yùn)行參數(shù)和安防畫(huà)面。PAS651泵站智能控制器可實(shí)現(xiàn)水位采集并根據(jù)水位自動(dòng)開(kāi)停機(jī)，系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)潔，原有運(yùn)行人員經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可掌握系統(tǒng)的所有操作功能。

系統(tǒng)投運(yùn)兩年來(lái)，運(yùn)行安全可靠，提高了泵站的運(yùn)行管理水平。

［1］第一次全國(guó)水利普查公報(bào)［R］.2013.

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