泵站中電氣自動(dòng)化控制應(yīng)用研究

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摘要:我國(guó)的水資源分布呈現(xiàn)南北分布不均勻的空間特點(diǎn)，為改善我國(guó)水資源的開發(fā)與利用情況，1979年我國(guó)正式提出興建把長(zhǎng)江水引到黃河以北的南水北調(diào)工程。目前，南水北調(diào)工程形成了以"四橫三縱"為主體的整體布局，實(shí)現(xiàn)了水資源的合理利用，解決了我國(guó)北方地區(qū)的水資源短缺問(wèn)題。但南水北調(diào)工程對(duì)泵站機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)型提出了更高的要求，這也導(dǎo)致對(duì)泵站中電器的自動(dòng)化控制有了更高的要求。

關(guān)鍵詞:泵站;綜合自動(dòng)化;控制系統(tǒng);監(jiān)控系統(tǒng)

1研究背景

泵站的基本是由泵房、管道、進(jìn)出水建筑物以及變電站組成。它的作用是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)水、灌溉、城市供水、排澇、航運(yùn)補(bǔ)水等。泵站的發(fā)展促使著我國(guó)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升。泵站的基本組成如圖1所示。20世紀(jì)60年代初期，我國(guó)第一所大型泵站江蘇江都一站的修建標(biāo)志著我國(guó)的大型泵發(fā)展已進(jìn)入萌芽期，80年代初期我國(guó)大型泵站的建設(shè)進(jìn)行一個(gè)快速發(fā)展期。這段時(shí)期我國(guó)水利規(guī)劃水平與大型水泵制造技術(shù)顯著提升，但依舊存在這效率過(guò)低等實(shí)際問(wèn)題。80年代中后期，我國(guó)大型泵站的主要發(fā)展方向?yàn)榧夹g(shù)改造。20世紀(jì)90年代，我國(guó)大型泵站的建設(shè)進(jìn)行穩(wěn)步發(fā)展階段。目前我國(guó)已經(jīng)初步形成了大型泵站為主體、以中小型泵站為基礎(chǔ)的泵站體系。廣東省清遠(yuǎn)市的飛來(lái)峽水利樞紐于1994年開始興建，1999年全部完工。飛來(lái)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(xiàn)，同時(shí)該水利樞紐還能夠在發(fā)電、航運(yùn)、供水等方面提供幫助，目前，飛來(lái)峽水利樞紐水庫(kù)總庫(kù)容為19億m3，月平均發(fā)電流量655m3/s。示意圖見圖2。泵站的自動(dòng)化控制在我國(guó)的發(fā)展也可以劃分為3個(gè)階段。起步階段是指在江蘇江都站嘗試實(shí)施的監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)主要想要實(shí)現(xiàn)對(duì)江都站內(nèi)所有設(shè)備的集中監(jiān)控，從而通過(guò)總控室及時(shí)準(zhǔn)確的了解各設(shè)備運(yùn)行情況并及時(shí)進(jìn)行控制。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于元器件的質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)終止。隨著計(jì)算機(jī)硬件與軟件兩種技術(shù)的不斷提升，泵站的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行完善階段［1］。這一階段，不斷有新的自動(dòng)化設(shè)備與技術(shù)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(jī)監(jiān)控技術(shù)，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(dòng)化技術(shù)并非完全成熟，有一些技術(shù)可以保證泵站的安全運(yùn)行，但依然存在一些技術(shù)由于硬件或軟件問(wèn)題而無(wú)法正常使用。應(yīng)用階段，自動(dòng)化技術(shù)在泵站中得到了廣泛的應(yīng)用，自動(dòng)化技術(shù)使得泵站的安全性、經(jīng)濟(jì)性與智能型都得到了明顯的提升［2］。

2自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

泵站的自動(dòng)化系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)、冗余技術(shù)與管理結(jié)合在一起，根據(jù)實(shí)際情況與生產(chǎn)需求來(lái)定制其自身結(jié)構(gòu)框架。該框架基本可分為四個(gè)層面，第一層級(jí)是單元層。這一層級(jí)是指安裝在泵站現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備。這一層級(jí)的設(shè)備主要負(fù)責(zé)狀態(tài)信號(hào)與保護(hù)信號(hào)的采集工作，變電所、節(jié)制閘、主機(jī)等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制工作以及變壓器、主電機(jī)等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)作用。第二層級(jí)是指機(jī)組層級(jí)，該層級(jí)設(shè)置在泵站的總控室內(nèi)。該層級(jí)主要對(duì)上一層級(jí)首先對(duì)收集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)以及報(bào)表，其次是完成所有控制指令、保護(hù)動(dòng)作的收集、分析與，然后是以指定方式將泵站的整體數(shù)據(jù)、設(shè)備的運(yùn)行啟動(dòng)情況呈現(xiàn)出來(lái)。第三層級(jí)指泵站管理級(jí)，該層級(jí)對(duì)上一層級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收工作同時(shí)與下一層級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與指示的接收。第四層級(jí)是指決策管理層級(jí)，信息通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，對(duì)泵站進(jìn)行分析、調(diào)度與決策。

3電氣自動(dòng)化控制的主要問(wèn)題

3.1功能方面

泵站系統(tǒng)的功能需要主要可分為基礎(chǔ)功能、高級(jí)功能以及修飾性功能三方面。基礎(chǔ)功能是指數(shù)據(jù)采集、機(jī)組控制、報(bào)警功能以及報(bào)表等。高級(jí)功能包含應(yīng)急功能、遠(yuǎn)程維護(hù)功能、自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)與設(shè)備技術(shù)的不斷提升。人們對(duì)于泵站的需求也在不斷地改變。最初自動(dòng)化系統(tǒng)的功能是為了減輕人員手工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此在泵站中設(shè)置的自動(dòng)化設(shè)備的功能都是繼電保護(hù)、巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、打印報(bào)表、事故報(bào)警等功能，這些自動(dòng)化技術(shù)滿足了當(dāng)時(shí)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(shè)備都存在設(shè)備復(fù)雜、體型較大、資源難以共享、故障時(shí)無(wú)法自診斷、必須定期維護(hù)的問(wèn)題。后期隨著技術(shù)的不斷提升，設(shè)備設(shè)置問(wèn)題、體積問(wèn)題以及資源共享問(wèn)題都得到了解決，但計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的快速運(yùn)算、海量存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算等優(yōu)勢(shì)并未得到充分的發(fā)揮，從而導(dǎo)致自動(dòng)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(guó)自20世紀(jì)60年代開始修建大型泵站，目前很多的泵站的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了50a，許多設(shè)備老化問(wèn)題以及損壞問(wèn)題都比較嚴(yán)重與突出了，因此出現(xiàn)了設(shè)備操作的不靈敏的現(xiàn)象。這也導(dǎo)致出現(xiàn)了許多的安全事故與停機(jī)事故。在這些泵站建造的時(shí)期，自動(dòng)化控制的技術(shù)發(fā)展也很落后，給予人們的選擇也較少，許多設(shè)備本身就存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，這些設(shè)備的缺陷也在長(zhǎng)期的運(yùn)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(zhǎng)時(shí)間做著繁多的灌排工作，泵站中的電氣設(shè)備與設(shè)施老化問(wèn)題突出，他們的效率也隨著工作時(shí)限的延長(zhǎng)而不斷的下降，他所浪費(fèi)的能源也隨著工作時(shí)限的增加而不斷提升。這些問(wèn)題導(dǎo)致了整個(gè)泵站運(yùn)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(yùn)行問(wèn)題都十分嚴(yán)重。

3.3軟件方面

我國(guó)在大型泵站中使用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)也在歷史的長(zhǎng)河中不斷改朝換代。以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為例，最初的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以DOS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但該系統(tǒng)的操作方式較為復(fù)雜、數(shù)據(jù)的處理與分析也沒法在線處理。后來(lái)開始采用以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，這類系統(tǒng)使得大型泵站基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但在實(shí)際應(yīng)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(shí)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(duì)不同的監(jiān)控對(duì)象以及硬件都需要對(duì)原來(lái)的算法進(jìn)行補(bǔ)充才能使用。2)泵站中的監(jiān)控軟件與硬件設(shè)備的適配性較差，為保障硬件設(shè)備的正常運(yùn)行，監(jiān)控軟件中包含了不同設(shè)備的底層通訊模板，從而導(dǎo)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(hù)難度增加。同時(shí)軟件的變成無(wú)法支持所有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中就無(wú)法滿足與新設(shè)備通信的需要。

3.4管理方面

我國(guó)自20世紀(jì)80年代起編隊(duì)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(shù)骨干培訓(xùn)班以及管理人員培訓(xùn)班等。同時(shí)又開始編寫關(guān)于泵站的技術(shù)管理規(guī)范與條例。這些指導(dǎo)性的文件對(duì)泵站管理的科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與制度化提升做出了極大的貢獻(xiàn)。但由于行業(yè)對(duì)于泵站自動(dòng)化控制的需求不斷提升，許多泵站的自動(dòng)化水平都在不斷的提高，但目前泵站的管理卻沒有進(jìn)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(shí)現(xiàn)泵站科學(xué)化管理與自動(dòng)化管理是我們需要努力奮斗的目標(biāo)。

4電氣自動(dòng)化控制的應(yīng)用

4.1三菱PLC控制器

采用三菱PLC控制器的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵或者閥門開關(guān)機(jī)的自動(dòng)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(jī)與PLC構(gòu)成的二級(jí)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理，同時(shí)能夠在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)報(bào)表的統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)單、工作可靠、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，能耗也較低，便于維修。

4.2繼電器

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，繼電器對(duì)提升自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性做出了卓越的貢獻(xiàn)。繼電器不僅可以對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，也可以在有故障發(fā)生時(shí)及時(shí)的進(jìn)行報(bào)警。其工作原理時(shí):繼電器能夠?qū)€路中的小電流的感應(yīng)來(lái)控制整個(gè)電路的通斷。其具體的工作步驟為:當(dāng)電路中的實(shí)際電流與設(shè)定電流存在差距時(shí)，繼電器便會(huì)對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)實(shí)際電流大于設(shè)定電流時(shí)，繼電器便會(huì)自動(dòng)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(duì)大電流設(shè)備的開機(jī)與停機(jī)進(jìn)行控制。另外繼電器還可以實(shí)現(xiàn)全面且綜合的比較多個(gè)控制信息的功能，以此來(lái)確?？刂葡到y(tǒng)可以接入更為合適的電流，實(shí)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(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行相應(yīng)的連接，從而使繼電器電路更具自動(dòng)化，有助于繼電器工作效率的提升。

5結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于泵站自動(dòng)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(dǎo)致自動(dòng)化控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行提升，在這個(gè)過(guò)程中，我們解決了一部分問(wèn)題，改善了一部分問(wèn)題，但同時(shí)又創(chuàng)造了一部分問(wèn)題。正是由于問(wèn)題不斷地出現(xiàn)與解決才使得科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

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［2］劉強(qiáng).淺論電氣工程及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2019(13):143－144.

作者:陳俊興 單位:惠州市水電建筑工程有限公司