泵站中電氣自動化控制應(yīng)用研究

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摘要:我國的水資源分布呈現(xiàn)南北分布不均勻的空間特點，為改善我國水資源的開發(fā)與利用情況，1979年我國正式提出興建把長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，實現(xiàn)了水資源的合理利用，解決了我國北方地區(qū)的水資源短缺問題。但南水北調(diào)工程對泵站機組運行的可靠性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟型提出了更高的要求，這也導(dǎo)致對泵站中電器的自動化控制有了更高的要求。

關(guān)鍵詞:泵站;綜合自動化;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。20世紀(jì)60年代初期，我國第一所大型泵站江蘇江都一站的修建標(biāo)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(shè)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(shù)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(shù)改造。20世紀(jì)90年代，我國大型泵站的建設(shè)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(chǔ)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。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(shè)備的集中監(jiān)控，從而通過總控室及時準(zhǔn)確的了解各設(shè)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(dǎo)致實驗終止。隨著計算機硬件與軟件兩種技術(shù)的不斷提升，泵站的自動化技術(shù)進行完善階段［1］。這一階段，不斷有新的自動化設(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行，但依然存在一些技術(shù)由于硬件或軟件問題而無法正常使用。應(yīng)用階段，自動化技術(shù)在泵站中得到了廣泛的應(yīng)用，自動化技術(shù)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(jié)構(gòu)

泵站的自動化系統(tǒng)將計算機技術(shù)、自動控制技術(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)實際情況與生產(chǎn)需求來定制其自身結(jié)構(gòu)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(shè)備。這一層級的設(shè)備主要負責(zé)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(shè)備的現(xiàn)場控制工作以及變壓器、主電機等設(shè)備的現(xiàn)場保護作用。第二層級是指機組層級，該層級設(shè)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，然后是以指定方式將泵站的整體數(shù)據(jù)、設(shè)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(luò)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(chǔ)功能、高級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、機組控制、報警功能以及報表等。高級功能包含應(yīng)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(shù)與設(shè)備技術(shù)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(shè)置的自動化設(shè)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(shù)滿足了當(dāng)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(shè)備都存在設(shè)備復(fù)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(shù)的不斷提升，設(shè)備設(shè)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(dǎo)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(jì)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(shè)備老化問題以及損壞問題都比較嚴(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事故。在這些泵站建造的時期，自動化控制的技術(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)計缺陷，這些設(shè)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(shè)備與設(shè)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(dǎo)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(yán)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(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。后來開始采用以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)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(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(shè)備的適配性較差，為保障硬件設(shè)備的正常運行，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難度增加。同時軟件的變成無法支持所有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，在實際的應(yīng)用過程中就無法滿足與新設(shè)備通信的需要。

3.4管理方面

我國自20世紀(jì)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(shù)骨干培訓(xùn)班以及管理人員培訓(xùn)班等。同時又開始編寫關(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。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(xué)化管理與自動化管理是我們需要努力奮斗的目標(biāo)。

4電氣自動化控制的應(yīng)用

4.1三菱PLC控制器

采用三菱PLC控制器的自動化控制系統(tǒng)中可以實現(xiàn)對泵或者閥門開關(guān)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(gòu)成的二級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)來控制整個電路的通斷。其具體的工作步驟為:當(dāng)電路中的實際電流與設(shè)定電流存在差距時，繼電器便會對線路進行檢測，當(dāng)實際電流大于設(shè)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(shè)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，以此來確保控制系統(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(yīng)用軟件進行相應(yīng)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(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)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(dǎo)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。

參考文獻:

［1］張淑芳.電氣工程及其自動化低壓電器中繼電器的應(yīng)用探究［J］.建材與裝飾，2019(25):243－244.

［2］劉強.淺論電氣工程及其自動化控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國設(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