藉河生態(tài)治理工程泵站監(jiān)控系統(tǒng)分析

呂 凱，栗禎澤

0 前言

藉河生態(tài)治理工程二期工程位于甘肅省天水市，工程設(shè)計(jì)范圍為藉河生態(tài)綜合治理一期續(xù)建工程末端（水家溝口）至藉河入渭口，治理河段長(zhǎng)度9.6 km。設(shè)計(jì)共布置3座泵站，其中1號(hào)泵站控制1#和2#橡膠壩，2號(hào)泵站控制3#和4#橡膠壩，3號(hào)泵站控制5#和6#橡膠壩。因此,為了便于管道布置及方便管理，3座泵站站址均選擇在蓄水區(qū)河道左岸堤防外側(cè)。泵站主要由電力設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等共同組成，其本身是一個(gè)綜合體。在建設(shè)泵站過(guò)程中，如果對(duì)其中的各種設(shè)備進(jìn)行選擇、配套、管理始終都是人們所關(guān)注的一項(xiàng)重要問(wèn)題。合理的方式可以最大化其經(jīng)濟(jì)效益，確保泵站在建設(shè)后能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，而在此過(guò)程中，泵站監(jiān)控系統(tǒng)的作用巨大。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)的分析

1.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

泵站監(jiān)控系統(tǒng)在具體應(yīng)用過(guò)程中的主要功能有以下幾點(diǎn)：①采集數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。②具體生產(chǎn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制：?jiǎn)?dòng)泵組、關(guān)閉泵組，控制閘門(mén)的啟動(dòng)與關(guān)閉，自動(dòng)控制廠用電和變電站開(kāi)關(guān)，以及對(duì)輔助設(shè)備的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角葉片[1]。③統(tǒng)計(jì)、計(jì)算歷史數(shù)據(jù)：對(duì)各個(gè)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的有功、無(wú)功、功率因素內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄；計(jì)算任意時(shí)間段單臺(tái)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，泵組的啟動(dòng)與關(guān)閉次數(shù)，全廠總用電量；累積運(yùn)行時(shí)間等多項(xiàng)內(nèi)容。④經(jīng)濟(jì)運(yùn)行:依據(jù)不同的目標(biāo)函數(shù)，例如依據(jù)全站運(yùn)行消耗電量最低，運(yùn)行效率最高、全站抽水量最大等多種方式，根據(jù)泵站出口、進(jìn)口水位發(fā)生的具體變化，然后在通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算，對(duì)泵組流量進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，依據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，并優(yōu)化各個(gè)泵組[2]。在滿足各項(xiàng)約束條件下，對(duì)泵站的節(jié)能強(qiáng)度進(jìn)行挖掘，從而使泵站在運(yùn)行過(guò)程中能夠以最小的能耗，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行，從而提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益。⑤泵站監(jiān)控系統(tǒng)要能夠與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而提高泵站系統(tǒng)運(yùn)行的合理性。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集控性泵站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 泵站控制對(duì)象

1.2.1 調(diào)節(jié)葉片

大型泵站中的多數(shù)水泵的抽水葉片都是可調(diào)節(jié)的，如果葉片的角度過(guò)小，抽水量也會(huì)過(guò)小，相應(yīng)的葉片的負(fù)載也就會(huì)較輕；如果葉片的角度較大，相應(yīng)的抽水量也大，此時(shí)葉片的載重也大[3]。當(dāng)然，負(fù)載的重量、抽水量大小都與泵站的上游水位和下游的水位差有著一定影響，水位差越小，負(fù)載越小，反之越大。由此可見(jiàn)，在調(diào)節(jié)葉片時(shí)，要充分考慮抽水量、水位差、機(jī)組運(yùn)行情況。

調(diào)節(jié)葉片的方法主要有以下兩種：（1）由伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)部件，從而改變?nèi)~片角度；（2）利用液壓結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使葉片的角度發(fā)生改變。對(duì)兩種不同的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對(duì)比，前者的主要優(yōu)點(diǎn)是控制更加便捷，調(diào)整起來(lái)速度較快，缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)水泵沖擊，因此該方式經(jīng)常在較小的水泵中使用；后者的優(yōu)點(diǎn)是水泵不易發(fā)生沖擊，因此能夠在大型水泵中使用，其缺點(diǎn)是調(diào)整速度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較緩慢，并且具有一定的滯后性。調(diào)整對(duì)象不同，通常水泵葉片調(diào)整角度范圍為-6°-+6°。因此，在具體調(diào)節(jié)過(guò)程中主機(jī)（控制系統(tǒng)主機(jī)）要依據(jù)葉片的角度下達(dá)相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，從而使機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)件葉片調(diào)整到所需要的位置，葉片角度的調(diào)整通常需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)整才能達(dá)到期望的位置。

調(diào)節(jié)葉片角度，使其處于合理的位置，是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要任務(wù)，同時(shí)也是提升泵站運(yùn)行效果的一項(xiàng)主要手段[4]。

1.2.2 電機(jī)選擇

對(duì)于流量的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)加減泵量和調(diào)節(jié)泵運(yùn)行頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在本項(xiàng)目中，上游流量變化較大，單純的調(diào)節(jié)頻率的變化不足以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于流量的調(diào)節(jié)要求，因此本項(xiàng)目中選擇的是異步定頻電機(jī)，所有機(jī)泵流量穩(wěn)定，這樣能夠有效的降低建設(shè)成本，同時(shí)提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。

泵的開(kāi)啟與關(guān)閉可以通過(guò)程序自動(dòng)運(yùn)行，也可以由管理人員下達(dá)具體指令。每個(gè)泵站都有獨(dú)立的管控系統(tǒng)，可以根據(jù)液位情況決定開(kāi)泵量的多少以及開(kāi)泵時(shí)間的長(zhǎng)短，同時(shí)也接受遠(yuǎn)程指令調(diào)控。

1.3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和指標(biāo)

1.3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常采用的都為分層式管理、分布式控制。其主要特點(diǎn)就是：公共輔機(jī)保護(hù)、勵(lì)磁控制的各個(gè)部分、各個(gè)機(jī)組等各自都形成一個(gè)相互獨(dú)立的單元，我們將其稱為現(xiàn)地控制單元，各個(gè)單元與控制系統(tǒng)通過(guò)總線、網(wǎng)絡(luò)方式與主機(jī)相連，主機(jī)與各單元的控制命令的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳與下傳通訊。

在自動(dòng)化泵站中，變送器采集方式已經(jīng)逐漸被淘汰，取而代之的是更加優(yōu)秀的交流參數(shù)采集，對(duì)交流直接采集技術(shù)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)對(duì)互感器中的電參數(shù)進(jìn)行直接采集，并通過(guò)還原的方式，計(jì)算出電流、電壓、無(wú)功功率等各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。利用該技術(shù)制作的表計(jì)具有精度高、體積小、速度快等諸多特點(diǎn)，并且可以通過(guò)總線接口完成數(shù)據(jù)的組網(wǎng)傳送，以及參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定，是一種先進(jìn)的儀表[5]。

1.3.2 確保系統(tǒng)運(yùn)行安全性的措施

泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)速度有著特殊要求，具體反應(yīng)在泵站運(yùn)行過(guò)程中涉及到的各項(xiàng)參數(shù)的采集以及控制命令的反應(yīng)速度，具體內(nèi)容如下：（1）人機(jī)接口相應(yīng)時(shí)間：刷新畫(huà)面數(shù)據(jù)的時(shí)間要小于2 s（該時(shí)間的計(jì)算應(yīng)當(dāng)從數(shù)據(jù)庫(kù)刷新后開(kāi)始計(jì)時(shí)）；對(duì)新畫(huà)面進(jìn)行調(diào)節(jié)的相應(yīng)時(shí)間不能超過(guò)2 s；事件的發(fā)生或者警報(bào)的響起到畫(huà)面顯示和發(fā)出響應(yīng)的時(shí)間不能超過(guò)2 s。（2）數(shù)據(jù)巡測(cè)周期：溫度模擬量小于20 s；電氣模擬量小于3 s；開(kāi)關(guān)量小于3 s；開(kāi)關(guān)分辨率小于5 ms。

為了確保控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性，需要對(duì)不同的工作人員的權(quán)利進(jìn)行限制，不同的操作者的訪問(wèn)權(quán)限有所不同，避免因?yàn)檎`操作導(dǎo)致控制系統(tǒng)在具體運(yùn)行中出現(xiàn)工作?？刂葡到y(tǒng)的可靠性指標(biāo)如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

2 現(xiàn)場(chǎng)工況下智能調(diào)控

由于本項(xiàng)目涉及到3個(gè)泵站之間的相互協(xié)作，而液位流量等有一個(gè)延時(shí)反饋，單純的依靠液位指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控是完全滿足不了實(shí)際生產(chǎn)要求的。因此本項(xiàng)目采用三級(jí)調(diào)控的方式，對(duì)整體蓄水分洪的要求進(jìn)行滿足。

由于本項(xiàng)目涉及到的地理位置較廣，所以與水量和天氣情況有十分密切的關(guān)系，日常運(yùn)行過(guò)程中，在某一時(shí)間，來(lái)水量通常是一個(gè)較為平穩(wěn)的波動(dòng)值。針對(duì)這一波動(dòng)值，設(shè)定高、中、低三個(gè)排水檔次，這三個(gè)檔次在不同時(shí)期，排水量不同。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣情況，對(duì)這三個(gè)檔次標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)本流域流經(jīng)地區(qū)有雨時(shí)，調(diào)節(jié)檔次上升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；天氣正常時(shí)，調(diào)節(jié)檔次不變；當(dāng)天氣晴朗，地表徑流蒸發(fā)量較大時(shí)，調(diào)節(jié)檔次下調(diào)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠一定程度上對(duì)大的流量變化進(jìn)行比較好的調(diào)整，但是還達(dá)不到精細(xì)化調(diào)整的目的。

針對(duì)流量的精細(xì)化調(diào)整就需要在已有三個(gè)檔次的基礎(chǔ)上再進(jìn)行分析，這三個(gè)泵站在地理位置上并不是并聯(lián)的，而是位于河流的上下游。當(dāng)排水檔次根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r調(diào)整好后，整體水量會(huì)預(yù)先有一個(gè)波動(dòng)，因?yàn)橛晁€未匯集到徑流中，而徑流水已經(jīng)被加速排出，在此情況下，由位置最接近天氣變化點(diǎn)泵站進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控液位的變化幅度大小，如果幅度區(qū)域平穩(wěn)，則保持現(xiàn)有調(diào)節(jié)方式。如果幅度變化持續(xù)增大，則需要在其他泵站進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，最終確保整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

泵站監(jiān)控系統(tǒng)雖然得到了廣泛應(yīng)用，但是其具體發(fā)展過(guò)程中還存在一些問(wèn)題有待解決:

（1）因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式，因此在技術(shù)水平上呈出了參差不齊的局面，特別是在具體建設(shè)時(shí)，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、驗(yàn)收進(jìn)行規(guī)范。

（2）依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，多數(shù)泵站中的工作人員掌握的計(jì)算機(jī)知識(shí)比較有限，吸收、消化運(yùn)行維護(hù)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的能力也有限，這在一定程度上對(duì)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的作用發(fā)揮產(chǎn)生了不良影響。

（3）針對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)資源的共享程度還需要工作人員進(jìn)行深度挖掘，并且需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的共享方式和共享內(nèi)容的深入分析。

[1]韓昭嶸,鄒金慧.基于GPRS無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和STM32的泵站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電器與能效管理技術(shù),2016,03:48-57.

[2]趙敏,劉潔,楊海柱.新型泵站監(jiān)控系統(tǒng)在木瓜煤礦的應(yīng)用[J].電子世界,2013,05:127-128.

[3]袁建軍,駱洋,顧文杰.PLC在泵站監(jiān)控系統(tǒng)改造中的運(yùn)用[J].電工技術(shù),2013,07:36-49.

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