一体化技术在中小型泵站中的应用和发展趋势

刘华平　马衣峰　孙丹丹　王　刚



一体化技术在中小型泵站中的应用和发展趋势

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根据我国水利灌排、农业节水灌溉、城市防洪及水处理的发展需要，针对目前大多数中小型泵站存在的设备老化、自动化程度低、信息化不配套和运行管理不科学等问题，提出了泵站一体化控制技术。

一、中小型泵站的现状及发展

中小型泵站作为水利设施的重要组成部分，它承担着区域性防洪除涝、抗旱减灾、调水和供水的重任。目前绝大部分中小型泵站建设于20世纪60、70年代，经过30～40年的运行，超期服役，运行效率下降，再加上运行管理及设备控制自动化水平低下，以致经济和社会效益不明显，严重制约了当地国民经济的发展。

中小型泵站在电气信息方面的常规设计方法是：配置配电柜、动力箱、电容补偿柜、LCU单元、视频监控系统、站级计算机工作站及数据服务器等。在新形势下的水利现代化建设要求，需要提高水利技术装备水平、提高水资源调控、水利管理和工程运行的信息化水平。稳步快捷实现信息化、数字化和智能化。

实现信息化，就是通过各种信息采集技术和手段，全面或较为全面地获取灌区内的雨情、水情、工情、墒情等信息，并通过通信链路和计算机网络传输给需要这些数据的职能部门和管理人员，借助必要的软件，使这些部门和人员能够浏览、查询所需要的信息，并可以统计、汇总，形成报表等，以此作为灌区建设和管理的依据或参考。

实现数字化，就是系统地融合水、肥、作物等学科及专家的知识，在信息化的基础上，针对灌区各种作物，以及具体的土壤、气候等条件，建立科学合理、精准的供水（供肥等）过程模型（节水并在边界条件约束下达到最优化）。该模型应能够根据供水过程中发生的情况变迁，以参数变化的形式对模型作随机调整并运用，以此指导灌区灌溉（还有生活、工业、防洪等）水资源的调配。

实现智能化，就是根据信息化所获得的各种数据作为参数去选择匹配的模型，通过编制的软件由计算机及各种控制设备和设施自动执行模型，从而控制供水（供肥）建筑物、设备、设施的运行，实现供水、供肥过程自动化和智能化。

二、一体化技术简介

所谓“一体化”技术，是指多个原来相互独立的主权实体通过某种方式逐步在同一体系下彼此包容、相互合作，结合成为一个单一实体的过程。且在机电一体化的基础上，进一步结合信息技术，乃至结合到作为安装体的土建单元上，以实现机、电、信息一体化，逐步完成灌区建设从“工程化”到“工业化”直至“现代化”的发展过程。

中小型泵站一体化控制系统具有结构简洁、集成度高、功能全、技术先进、抗干扰性强和操控简单等特点。针对中小型泵站的一体化控制，如果从泵站整个系统的观点出发将电气控制、微机保护、计算机监控、视频监视、网络通讯等在系统工程的基础上有机地加以合成，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的基础上使整个泵站控制系统达到最优化的系统工程控制技术称之为中小型泵站的一体化控制技术。

中小型一体化泵站由井筒、格栅、水泵、管道、阀门、传感器、控制系统和通风系统等部件组成，全部在工厂预制完成，并组装好整体运送至现场吊装。中小型一体化泵站可采用远程控制，不需要配备现场值班人员，维护人员可随时通过手机短信或互联网了解泵站的运行参数，在网络上随时对泵站的运行参数进行修改，实现了真正的无人值守，大大减少了运行维护成本，也保证了泵站管理人员的安全。

三、一体化控制技术特点

泵站电气信息化自控装置，采用一体化的设计理念，高度集成了泵站电气主回路及二次回路、软启/软停控制、变频控制、主设备控制与保护、泵站各种运行参数检测、辅助设备的控制及保护、人机界面操作、各种泵站运行参数信息的采集与处理、远程指令的接受及执行、视频监视、安全防盗报警和无功功率因素补偿等。

其主要特点有：一是多项微机控制技术的应用，测量、保护和控制功能全面，自动化及信息化程度高，标准化的通讯协议，提供多种通信接口；二是多项技术的集合，电气控制、智能保护、软起动/软停机（变频）控制、过程自动化控制及信息化管理，视频监视、安全防盗报警和无功功率补偿等；三是操控简单，普遍采用一键式操作，个性化的人机界面直观、简单、方便。

从系统的观点出发，综合运用机械动力技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标优化组织，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的基础上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。

一体化控制装置集成了软启动控制，实现主机的软启、软停控制，它不仅能实现主机的平滑起动，避免启动电流过大对电网的冲击及急速启动对设备的冲击，同时也避免了水泵在快速停车时的水锤效应，功率模块选择在线运行方时，可实现轻载节能。如果要求恒压供水或水渠恒水位供水，对输出水流量控制可选用变频功能模块，通过设置合适的管道压力或水渠水位，自动调节水泵出水量，达到节水节能的功能。

过程自动化测控及信息化管理模块，是由若干个智能RTU、工业液晶平板计算机、信号处理及隔离装置等组成的一个过程计算机控制系统。系统提供了友好的人机界面，触控屏显示更直观，操作更简便，主要显示泵站的运行数据，自动统计主要设备的运行时间、运行效率、动作次数、事故和故障次数等数据，方便操作人员随时了解泵机组的运行状况。

考虑到建设和运营成本，小型泵站特别是农村小型泵站（单机功率小于50kW），一般不设独立配电容补偿柜，但没有电容补偿会影响电网的质量和用电效率，因此在整个装置上增选无功功率因素补偿功能模块作为选择。

四、泵站一体化控制的发展趋势

泵站一体化控制技术是集机械、电子、控制、计算机、信息、通信等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。纵观国内外各行业一体化的发展现状和趋势，中小泵站一体化控制将朝着模块化、智能化、网络化、节能化、数字化等方向发展。

所谓模块化，是不同泵型、不同用途甚至不同建设时期的中小型泵站的控制要求并不相同，这就要求将泵站电气自动化控制、信息化管理所涉及的功能设计成不同模块，使得泵站一体化控制设备根据功能的不同自由实现模块组合，以满足设计要求。这样做的目的不仅能做提高设备生产制造效率，缩短泵站的建设周期，而且能根据建设要求的提升对控制设备进行模块化升级。

所谓智能化，是21世纪技术发展的一个重要发展方向，日益得到重视。智能化是指产品自己会思考，会做出正确判断并执行任务。泵站的信息化并不是简单的信息采集和堆砌，而是以信息资源为基础，通过采集、整理、分析和量化各种指标作为决策依据，自动化控制技术为手段，模拟人类智能，使泵站系统自身具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，实现在无人值守的情况下泵站自动优化运行。

所谓网络化，就是在长距离无线通信（GPRS/CDMA/3G）和近距离无线通信（ZigBee/BlueTooth/）相结合中，使信息采集呈现网络化趋势，采集的范围更广；而电子产品制造工艺的提升以及物联网的普及，促使设备成本下降，这使得信息采集与控制的网络化成为可能。因此一体化控制设备必然朝着网络化方向发展。

所谓节能化，是泵站高效运行。以前建设的泵站控制只是追求满足功能就行，却往往忽视泵站的运行效率。近年现场测得的中小型泵站的效率一般为30%～40%表明泵站效率低，运行费用高，能源浪费大。泵站一体化控制技术采用软启动或变频调速技术，带来可观的经济效益和社会效益。

所谓数字化，是在控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础上，不断发展起来的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与应用铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

中小泵站的最终发展趋势，以目前形式看，国家正在计划进行中小型泵站改造与建设，中小型泵站自动化与信息化建设也面临最好的机遇。中小型泵站不可能照搬大型泵站的建设模式，必须按照自身的特点与要求来规划与建设。一体式泵站在国内近几年推广过程中，虽有较多成功例子，但是目前尚无相关专门的规范、规程指导一体化泵站的设计、生产、产品检测等，目前产品的选择和定型靠设计方与厂家协调确定，实施过程复杂，难免反复，产品生产过程没有相关的规范及要求检测产品是否达标，后期安装及调试也没有相应规范指导。为了进一步推广一体化泵站的应用，需出台相关的规范、规程，有效规范一体化泵站的设计、生产、安装及后期运行等环节的工作■

（作者单位：1.徐州市水利建筑设计研究院2210002.徐州市丰县水利局221000）