泵站中電氣自動化控制的應用探析

陳俊興

(惠州市水電建筑工程有限公司，廣東 惠州 516000)

1 研究背景

泵站的基本是由泵房、管道、進出水建筑物以及變電站組成。它的作用是實現(xiàn)遠距離調(diào)水、灌溉、城市供水、排澇、航運補水等。泵站的發(fā)展促使著我國的工農(nóng)業(yè)發(fā)展與國民經(jīng)濟水平的提升。泵站的基本組成如圖1所示。

1、引水渠；2、攔污柵；3 進水池；4、進水管；5、水泵；6、出水管；7、傳動裝置；8、電動機；9、出水池；10、干渠；11、泵房

20世紀60年代初期，我國第一所大型泵站江蘇江都一站的修建標志著我國的大型泵發(fā)展已進入萌芽期，80年代初期我國大型泵站的建設進行一個快速發(fā)展期。這段時期我國水利規(guī)劃水平與大型水泵制造技術顯著提升，但依舊存在這效率過低等實際問題。80年代中后期，我國大型泵站的主要發(fā)展方向為技術改造。20世紀90年代，我國大型泵站的建設進行穩(wěn)步發(fā)展階段。目前我國已經(jīng)初步形成了大型泵站為主體、以中小型泵站為基礎的泵站體系。

廣東省清遠市的飛來峽水利樞紐于1994年開始興建，1999年全部完工。飛來峽水利樞紐作為廣東省目前最大的綜合性水利樞紐工程，為廣東省的抗洪事業(yè)做出了巨大的貢獻，同時該水利樞紐還能夠在發(fā)電、航運、供水等方面提供幫助，目前，飛來峽水利樞紐水庫總庫容為19億m3，月平均發(fā)電流量655m3/s。示意圖見圖2。

圖2 飛來峽水利樞紐

泵站的自動化控制在我國的發(fā)展也可以劃分為3個階段。起步階段是指在江蘇江都站嘗試實施的監(jiān)控自動化系統(tǒng)，該實驗主要想要實現(xiàn)對江都站內(nèi)所有設備的集中監(jiān)控，從而通過總控室及時準確的了解各設備運行情況并及時進行控制。但在實驗過程中由于元器件的質(zhì)量問題而導致實驗終止。隨著計算機硬件與軟件兩種技術的不斷提升，泵站的自動化技術進行完善階段[1]。這一階段，不斷有新的自動化設備與技術在泵站的生產(chǎn)中投入使用，如皂河抽水站投入使用了微機監(jiān)控技術，新疆博斯騰湖泵站投入使用了晶體管集中控制裝置。這一階段的自動化技術并非完全成熟，有一些技術可以保證泵站的安全運行，但依然存在一些技術由于硬件或軟件問題而無法正常使用。應用階段，自動化技術在泵站中得到了廣泛的應用，自動化技術使得泵站的安全性、經(jīng)濟性與智能型都得到了明顯的提升[2]。

2 自動化控制系統(tǒng)的結構

泵站的自動化系統(tǒng)將計算機技術、自動控制技術、通信技術、故障診斷技術、冗余技術與管理結合在一起，根據(jù)實際情況與生產(chǎn)需求來定制其自身結構框架。該框架基本可分為四個層面，第一層級是單元層。這一層級是指安裝在泵站現(xiàn)場智能設備。這一層級的設備主要負責狀態(tài)信號與保護信號的采集工作，變電所、節(jié)制閘、主機等設備的現(xiàn)場控制工作以及變壓器、主電機等設備的現(xiàn)場保護作用。第二層級是指機組層級，該層級設置在泵站的總控室內(nèi)。該層級主要對上一層級首先對收集到的所有數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲以及報表，其次是完成所有控制指令、保護動作的收集、分析與發(fā)布，然后是以指定方式將泵站的整體數(shù)據(jù)、設備的運行啟動情況呈現(xiàn)出來。第三層級指泵站管理級，該層級對上一層級的數(shù)據(jù)進行接收工作同時與下一層級進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與指示的接收。第四層級是指決策管理層級，信息通過公共網(wǎng)絡進行傳輸，對泵站進行分析、調(diào)度與決策。

3 電氣自動化控制的主要問題

3.1 功能方面

泵站系統(tǒng)的功能需要主要可分為基礎功能、高級功能以及修飾性功能三方面?；A功能是指數(shù)據(jù)采集、機組控制、報警功能以及報表等。高級功能包含應急功能、遠程維護功能、自動調(diào)節(jié)功能。而修飾性功能主要是提升視覺效果、提高操作的便利程度。隨著計算機技術與設備技術的不斷提升。人們對于泵站的需求也在不斷地改變。最初自動化系統(tǒng)的功能是為了減輕人員手工作業(yè)的勞動強度，因此在泵站中設置的自動化設備的功能都是繼電保護、巡回檢測、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、打印報表、事故報警等功能，這些自動化技術滿足了當時的人民的需求，但在后期的發(fā)展中我們發(fā)現(xiàn)許多的設備都存在設備復雜、體型較大、資源難以共享、故障時無法自診斷、必須定期維護的問題。后期隨著技術的不斷提升，設備設置問題、體積問題以及資源共享問題都得到了解決，但計算機系統(tǒng)本身的快速運算、海量存儲、邏輯運算等優(yōu)勢并未得到充分的發(fā)揮，從而導致自動化系統(tǒng)的安全性與可靠性的提升迫在眉睫。

3.2 硬件方面

中國自20世紀60年代開始修建大型泵站，目前很多的泵站的運行時間已經(jīng)超過了50a，許多設備老化問題以及損壞問題都比較嚴重與突出了，因此出現(xiàn)了設備操作的不靈敏的現(xiàn)象。這也導致出現(xiàn)了許多的安全事故與停機事故。

在這些泵站建造的時期，自動化控制的技術發(fā)展也很落后，給予人們的選擇也較少，許多設備本身就存在一定的設計缺陷，這些設備的缺陷也在長期的運行與使用中越發(fā)明顯與突出，但目前也沒有合適的方法取代掉。另一方面，這些泵站自建成之日起，長時間做著繁多的灌排工作，泵站中的電氣設備與設施老化問題突出，他們的效率也隨著工作時限的延長而不斷的下降，他所浪費的能源也隨著工作時限的增加而不斷提升。這些問題導致了整個泵站運行的成本在不斷地增加，但創(chuàng)造的效益卻在明顯下降。許多泵站的運行問題都十分嚴重。

3.3 軟件方面

我國在大型泵站中使用的自動化控制系統(tǒng)也在歷史的長河中不斷改朝換代。以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為例，最初的計算機監(jiān)控系統(tǒng)以DOS操作系統(tǒng)為基礎，但該系統(tǒng)的操作方式較為復雜、數(shù)據(jù)的處理與分析也沒法在線處理。后來開始采用以Windows操作系統(tǒng)為基礎的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，這類系統(tǒng)使得大型泵站基本實現(xiàn)自動化，但在實際應用中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。

1)目前所開發(fā)的非組態(tài)話的泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件不能實現(xiàn)不同硬件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。這是由于該軟件的通用性與可拓展性較低，針對不同的監(jiān)控對象以及硬件都需要對原來的算法進行補充才能使用。

2)泵站中的監(jiān)控軟件與硬件設備的適配性較差，為保障硬件設備的正常運行，監(jiān)控軟件中包含了不同設備的底層通訊模板，從而導致監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生了一定的變化，從而使得軟件的維護難度增加。同時軟件的變成無法支持所有標準的通信協(xié)議，在實際的應用過程中就無法滿足與新設備通信的需要。

3.4 管理方面

我國自20世紀80年代起編隊大型泵站的管理投入了大量的人力與資源。首先是舉辦技術骨干培訓班以及管理人員培訓班等。同時又開始編寫關于泵站的技術管理規(guī)范與條例。這些指導性的文件對泵站管理的科學化、規(guī)范化、標準化與制度化提升做出了極大的貢獻。但由于行業(yè)對于泵站自動化控制的需求不斷提升，許多泵站的自動化水平都在不斷的提高，但目前泵站的管理卻沒有進行重大的改革，目前的管理還是以人工管理、人工監(jiān)控為主，而實現(xiàn)泵站科學化管理與自動化管理是我們需要努力奮斗的目標。

4 電氣自動化控制的應用

4.1 三菱PLC控制器

采用三菱PLC控制器的自動化控制系統(tǒng)中可以實現(xiàn)對泵或者閥門開關機的自動化控制。以高潭口泵站為例，該泵站的控制系統(tǒng)是由工控機與PLC構成的二級結構控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運行過程中對數(shù)據(jù)的采集與處理，同時能夠在故障發(fā)生時進行自動保護，同時也可實現(xiàn)報表的統(tǒng)計與查詢、工程管理與通訊等。該系統(tǒng)具有編程容易、程序改變靈活、操作簡單、工作可靠、控制精度高、抗干擾能力強等特點。同時系統(tǒng)的結構更加緊湊，能耗也較低，便于維修。

4.2 繼電器

在自動化控制系統(tǒng)中，繼電器對提升自動化控制系統(tǒng)運行的安全性與可靠性做出了卓越的貢獻。繼電器不僅可以對電路進行保護，也可以在有故障發(fā)生時及時的進行報警。其工作原理時：繼電器能夠?qū)€路中的小電流的感應來控制整個電路的通斷。其具體的工作步驟為：當電路中的實際電流與設定電流存在差距時，繼電器便會對線路進行檢測，當實際電流大于設定電流時，繼電器便會自動斷開這一部分的電路，從而防止電路發(fā)生損傷。此外，繼電器還可以節(jié)約一定量的電力，這是由于繼電器可以利用小電流對大電流設備的開機與停機進行控制。另外繼電器還可以實現(xiàn)全面且綜合的比較多個控制信息的功能，以此來確?？刂葡到y(tǒng)可以接入更為合適的電流，實現(xiàn)合理控制電力系統(tǒng)的目的。繼電器同樣也可與其它計算機應用軟件進行相應的連接，從而使繼電器電路更具自動化，有助于繼電器工作效率的提升。

5 結 論

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對于泵站自動化控制系統(tǒng)的需求也在不斷的改變。而正式這些需求才導致自動化控制系統(tǒng)不斷進行提升，在這個過程中，我們解決了一部分問題，改善了一部分問題，但同時又創(chuàng)造了一部分問題。正是由于問題不斷地出現(xiàn)與解決才使得科學技術的不斷發(fā)展。