泵站中电气自动化控制的应用探析

2021-11-23陈俊兴

黑龙江水利科技 2021年11期

关键词：泵站继电器监控

陈俊兴

(惠州市水电建筑工程有限公司，广东惠州 516000)

1 研究背景

泵站的基本是由泵房、管道、进出水建筑物以及变电站组成。它的作用是实现远距离调水、灌溉、城市供水、排涝、航运补水等。泵站的发展促使着我国的工农业发展与国民经济水平的提升。泵站的基本组成如图1所示。

1、引水渠；2、拦污栅；3 进水池；4、进水管；5、水泵；6、出水管；7、传动装置；8、电动机；9、出水池；10、干渠；11、泵房

20世纪60年代初期，我国第一所大型泵站江苏江都一站的修建标志着我国的大型泵发展已进入萌芽期，80年代初期我国大型泵站的建设进行一个快速发展期。这段时期我国水利规划水平与大型水泵制造技术显著提升，但依旧存在这效率过低等实际问题。80年代中后期，我国大型泵站的主要发展方向为技术改造。20世纪90年代，我国大型泵站的建设进行稳步发展阶段。目前我国已经初步形成了大型泵站为主体、以中小型泵站为基础的泵站体系。

广东省清远市的飞来峡水利枢纽于1994年开始兴建，1999年全部完工。飞来峡水利枢纽作为广东省目前最大的综合性水利枢纽工程，为广东省的抗洪事业做出了巨大的贡献，同时该水利枢纽还能够在发电、航运、供水等方面提供帮助，目前，飞来峡水利枢纽水库总库容为19亿m3，月平均发电流量655m3/s。示意图见图2。

图2 飞来峡水利枢纽

泵站的自动化控制在我国的发展也可以划分为3个阶段。起步阶段是指在江苏江都站尝试实施的监控自动化系统，该实验主要想要实现对江都站内所有设备的集中监控，从而通过总控室及时准确的了解各设备运行情况并及时进行控制。但在实验过程中由于元器件的质量问题而导致实验终止。随着计算机硬件与软件两种技术的不断提升，泵站的自动化技术进行完善阶段[1]。这一阶段，不断有新的自动化设备与技术在泵站的生产中投入使用，如皂河抽水站投入使用了微机监控技术，新疆博斯腾湖泵站投入使用了晶体管集中控制装置。这一阶段的自动化技术并非完全成熟，有一些技术可以保证泵站的安全运行，但依然存在一些技术由于硬件或软件问题而无法正常使用。应用阶段，自动化技术在泵站中得到了广泛的应用，自动化技术使得泵站的安全性、经济性与智能型都得到了明显的提升[2]。

2 自动化控制系统的结构

泵站的自动化系统将计算机技术、自动控制技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术与管理结合在一起，根据实际情况与生产需求来定制其自身结构框架。该框架基本可分为四个层面，第一层级是单元层。这一层级是指安装在泵站现场智能设备。这一层级的设备主要负责状态信号与保护信号的采集工作，变电所、节制闸、主机等设备的现场控制工作以及变压器、主电机等设备的现场保护作用。第二层级是指机组层级，该层级设置在泵站的总控室内。该层级主要对上一层级首先对收集到的所有数据进行处理、分析、存储以及报表，其次是完成所有控制指令、保护动作的收集、分析与发布，然后是以指定方式将泵站的整体数据、设备的运行启动情况呈现出来。第三层级指泵站管理级，该层级对上一层级的数据进行接收工作同时与下一层级进行数据的发送与指示的接收。第四层级是指决策管理层级，信息通过公共网络进行传输，对泵站进行分析、调度与决策。

3 电气自动化控制的主要问题

3.1 功能方面

泵站系统的功能需要主要可分为基础功能、高级功能以及修饰性功能三方面。基础功能是指数据采集、机组控制、报警功能以及报表等。高级功能包含应急功能、远程维护功能、自动调节功能。而修饰性功能主要是提升视觉效果、提高操作的便利程度。随着计算机技术与设备技术的不断提升。人们对于泵站的需求也在不断地改变。最初自动化系统的功能是为了减轻人员手工作业的劳动强度，因此在泵站中设置的自动化设备的功能都是继电保护、巡回检测、数据数据、打印报表、事故报警等功能，这些自动化技术满足了当时的人民的需求，但在后期的发展中我们发现许多的设备都存在设备复杂、体型较大、资源难以共享、故障时无法自诊断、必须定期维护的问题。后期随着技术的不断提升，设备设置问题、体积问题以及资源共享问题都得到了解决，但计算机系统本身的快速运算、海量存储、逻辑运算等优势并未得到充分的发挥，从而导致自动化系统的安全性与可靠性的提升迫在眉睫。

3.2 硬件方面

中国自20世纪60年代开始修建大型泵站，目前很多的泵站的运行时间已经超过了50a，许多设备老化问题以及损坏问题都比较严重与突出了，因此出现了设备操作的不灵敏的现象。这也导致出现了许多的安全事故与停机事故。

在这些泵站建造的时期，自动化控制的技术发展也很落后，给予人们的选择也较少，许多设备本身就存在一定的设计缺陷，这些设备的缺陷也在长期的运行与使用中越发明显与突出，但目前也没有合适的方法取代掉。另一方面，这些泵站自建成之日起，长时间做着繁多的灌排工作，泵站中的电气设备与设施老化问题突出，他们的效率也随着工作时限的延长而不断的下降，他所浪费的能源也随着工作时限的增加而不断提升。这些问题导致了整个泵站运行的成本在不断地增加，但创造的效益却在明显下降。许多泵站的运行问题都十分严重。

3.3 软件方面

我国在大型泵站中使用的自动化控制系统也在历史的长河中不断改朝换代。以计算机监控系统为例，最初的计算机监控系统以DOS操作系统为基础，但该系统的操作方式较为复杂、数据的处理与分析也没法在线处理。后来开始采用以Windows操作系统为基础的计算机监控系统，这类系统使得大型泵站基本实现自动化，但在实际应用中也发现了一些不足之处。

1)目前所开发的非组态话的泵站监控系统软件不能实现不同硬件间的数据转化。这是由于该软件的通用性与可拓展性较低，针对不同的监控对象以及硬件都需要对原来的算法进行补充才能使用。

2)泵站中的监控软件与硬件设备的适配性较差，为保障硬件设备的正常运行，监控软件中包含了不同设备的底层通讯模板，从而导致监控系统发生了一定的变化，从而使得软件的维护难度增加。同时软件的变成无法支持所有标准的通信协议，在实际的应用过程中就无法满足与新设备通信的需要。

3.4 管理方面

我国自20世纪80年代起编队大型泵站的管理投入了大量的人力与资源。首先是举办技术骨干培训班以及管理人员培训班等。同时又开始编写关于泵站的技术管理规范与条例。这些指导性的文件对泵站管理的科学化、规范化、标准化与制度化提升做出了极大的贡献。但由于行业对于泵站自动化控制的需求不断提升，许多泵站的自动化水平都在不断的提高，但目前泵站的管理却没有进行重大的改革，目前的管理还是以人工管理、人工监控为主，而实现泵站科学化管理与自动化管理是我们需要努力奋斗的目标。

4 电气自动化控制的应用

4.1 三菱PLC控制器

采用三菱PLC控制器的自动化控制系统中可以实现对泵或者阀门开关机的自动化控制。以高潭口泵站为例，该泵站的控制系统是由工控机与PLC构成的二级结构控制系统，该系统能够实现运行过程中对数据的采集与处理，同时能够在故障发生时进行自动保护，同时也可实现报表的统计与查询、工程管理与通讯等。该系统具有编程容易、程序改变灵活、操作简单、工作可靠、控制精度高、抗干扰能力强等特点。同时系统的结构更加紧凑，能耗也较低，便于维修。

4.2 继电器

在自动化控制系统中，继电器对提升自动化控制系统运行的安全性与可靠性做出了卓越的贡献。继电器不仅可以对电路进行保护，也可以在有故障发生时及时的进行报警。其工作原理时：继电器能够对线路中的小电流的感应来控制整个电路的通断。其具体的工作步骤为：当电路中的实际电流与设定电流存在差距时，继电器便会对线路进行检测，当实际电流大于设定电流时，继电器便会自动断开这一部分的电路，从而防止电路发生损伤。此外，继电器还可以节约一定量的电力，这是由于继电器可以利用小电流对大电流设备的开机与停机进行控制。另外继电器还可以实现全面且综合的比较多个控制信息的功能，以此来确保控制系统可以接入更为合适的电流，实现合理控制电力系统的目的。继电器同样也可与其它计算机应用软件进行相应的连接，从而使继电器电路更具自动化，有助于继电器工作效率的提升。