泵站微機(jī)自動(dòng)化控制的問題及解決方案

 1工程概況

  解臺(tái)泵站是南水北調(diào)東線第一期工程江蘇省境內(nèi)第八級(jí)梯級(jí)抽水站，包括抽水站和節(jié)制閘，工程采用閘站合一的布置方式，其主要任務(wù)是擴(kuò)大解臺(tái)站的輸水規(guī)模，溝通駱馬湖至南四湖的調(diào)水線路，實(shí)現(xiàn)向北調(diào)水的的目標(biāo)。泵站設(shè)計(jì)流量125m3 /s，安裝立式軸流泵5臺(tái)（其中1臺(tái)備用），單機(jī)流量31.5 m3 /s，配套電機(jī)額定功率2800kW，電壓等級(jí)為10kV，節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量500m3 /s，共3孔，單孔凈寬10m.采用110kV專用架空線路向泵站供電，設(shè)有110，10kV戶內(nèi)變電所。

  解臺(tái)泵站設(shè)置一套微機(jī)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)為分層分布開放式結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形冗余光纖快速以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

  系統(tǒng)控制權(quán)分為遠(yuǎn)方，控制室，現(xiàn)地三級(jí)，可以進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，控制權(quán)限越接近設(shè)備越高，各控制單元相互獨(dú)立運(yùn)行�，F(xiàn)地級(jí)與主控級(jí)采用具有冗余功能的環(huán)形光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控單元的交換機(jī)之間采用光纖設(shè)備連接成以太網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)中任意一處節(jié)點(diǎn)線路故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)選擇另一方向?qū)崿F(xiàn)通訊，網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)100Mbps，信息傳輸速率和安全可靠性很高。其主要任務(wù)是完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理，機(jī)組設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，故障報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，泵站自動(dòng)抽水控制及與上位機(jī)通訊，具體為實(shí)現(xiàn)泵站5臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，泵站10孔快速閘門，節(jié)制閘3孔閘門，供排水系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)，葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)等輔機(jī)系統(tǒng)，10臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，1臺(tái)皮帶輸送機(jī)，戶內(nèi)變電所電氣設(shè)備以及直流屏，微機(jī)勵(lì)磁裝置，微機(jī)綜合保護(hù)裝置的自動(dòng)監(jiān)控，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控，數(shù)據(jù)共享，圖像遠(yuǎn)傳瀏覽的水平；同時(shí)，與南水北調(diào)東線第l期工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，遙信，遙控，遙調(diào)，遙視等功能，并與上級(jí)220kV潘家庵變電所進(jìn)行電力通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度功能。

  2存在問題探討

  2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全問題

  大型泵站微機(jī)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與普通的的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有許多不同之處，它針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，可靠性和安全性要求高。解臺(tái)泵站監(jiān)控系統(tǒng)目前的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)內(nèi)通訊主機(jī)兼Web發(fā)布機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)直接相連，易受病毒感染或黑客攻擊，給監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了很大的安全隱患。目前，該泵站（包括其他泵站）還停留在簡(jiǎn)單的被動(dòng)防護(hù)階段，即平時(shí)斷開物理鏈接，必需時(shí)短時(shí)間接入，采用防病毒軟件等。鑒于該結(jié)構(gòu)存在的欠缺，建議將Web機(jī)瀏覽功能從通信機(jī)上分離出來(lái)，單獨(dú)采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為Web服務(wù)器，監(jiān)控系統(tǒng)的通信機(jī)與Web服務(wù)器通過硬件的物理防護(hù)方式增加網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置，如SysKeeper2000，在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理所局域網(wǎng)及將來(lái)的廣域網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。

  通過采用網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，實(shí)現(xiàn)2個(gè)不同安全等級(jí)區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換，既滿足泵站對(duì)Web瀏覽的需求，又能保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。改進(jìn)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

  2.2水泵裝置工況點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)問題

  （1）水泵裝置工況點(diǎn)<3>。水泵供給水的總比能與管道所需求的總比能相等的那個(gè)點(diǎn)，也即為水泵特性曲線與管道特性曲線的交點(diǎn)。水泵工況點(diǎn)取決于水泵的性能，管路性能和進(jìn)出水池的水位差（凈揚(yáng)程）三種因素，其中任一因素的變化，水泵的工況點(diǎn)都將隨之改變，水泵裝置的工況點(diǎn)實(shí)際上是在一個(gè)相當(dāng)幅度的區(qū)間內(nèi)變化著。對(duì)水泵工況點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使之在選定的高效率區(qū)間運(yùn)行，既可以提高裝置效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的又能保證水泵正常工作，如果水泵不在高效區(qū)工作，動(dòng)力機(jī)超載或負(fù)荷不足或發(fā)生汽蝕等。調(diào)節(jié)水泵工況點(diǎn)的方法主要有變角調(diào)節(jié)，變速調(diào)節(jié)及變徑調(diào)節(jié)，對(duì)于大型全調(diào)節(jié)型軸流泵或混流泵一般采用變角調(diào)節(jié)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，水泵裝置工況點(diǎn)是泵站考核的一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)調(diào)節(jié)水泵裝置工況點(diǎn)也是泵站實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理的一個(gè)重要舉措。

  （2）靜態(tài)調(diào)節(jié)。解臺(tái)泵站（其他大型泵站）目前主要采用靜態(tài)調(diào)節(jié)的方法。即技術(shù)人員根據(jù)上下游水位組合情況及調(diào)度指令，利用水泵裝置性能曲線（如圖3），人工計(jì)算出葉片角度，由運(yùn)行人員在上位機(jī)上輸入葉角值，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)輸入的葉角值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，重復(fù)以上步驟操作。

  這種調(diào)節(jié)水泵裝置工況點(diǎn)方法存在諸多缺點(diǎn)，因?yàn)樯舷掠嗡唬▋魮P(yáng)程）時(shí)刻在發(fā)生著變化，為確保水泵裝置在高效區(qū)工作，這項(xiàng)工作是不可能也無(wú)法靠人工來(lái)完成的。這種所謂的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是與現(xiàn)場(chǎng)控制箱手動(dòng)調(diào)節(jié)加以區(qū)分的，從嚴(yán)格意義上講，實(shí)際上是一種人工的手動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)真正應(yīng)用價(jià)值。

  （3）動(dòng)態(tài)自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)。采用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)的方法很容易解決以上難題，具體做法是：利用原上下游已配置的超聲波水位傳感器及原各授油器內(nèi)已配置的葉角傳感器，將水泵裝置性能曲線及一套具有調(diào)節(jié)裝置工況點(diǎn)的功能程序輸入到監(jiān)控主機(jī)內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和處理由傳感器上傳的泵站進(jìn)出口水位及葉片角度的數(shù)據(jù)，根據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)控主機(jī)內(nèi)的裝置性能曲線，再執(zhí)行功能程序進(jìn)行分析計(jì)算和動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)，即當(dāng)凈揚(yáng)程減小時(shí)，將葉片安裝角調(diào)大，在保持較高效率情況下增大出水量，使動(dòng)力機(jī)滿載運(yùn)行；當(dāng)凈揚(yáng)程較大時(shí)，將葉片安裝角調(diào)小，適當(dāng)較小出水量，使動(dòng)力機(jī)不致過載運(yùn)行。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是不需要添加任何硬件設(shè)備，關(guān)鍵就是功能軟件的開發(fā)。

  2.3工作閘門聯(lián)動(dòng)控制問題

  解臺(tái)泵站主機(jī)開停機(jī)與工作閘門的聯(lián)動(dòng)完全是通過微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)以1#主機(jī)為例，具體介紹如下。

  開機(jī)時(shí)首先將事故門開啟到全開位置，可采用在液壓控制屏現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作方式，也可以在上位機(jī)或在現(xiàn)地LCU觸摸屏操作，然后將功能開關(guān)旋至聯(lián)動(dòng)位置，當(dāng)合上主機(jī)斷路器時(shí)，監(jiān)控主機(jī)通過與現(xiàn)場(chǎng)PLC建立通訊，按照預(yù)設(shè)定的程序自動(dòng)發(fā)出程序指令，由現(xiàn)場(chǎng)PLC控制輸出驅(qū)動(dòng)24V繼電器（1KA4），通過1KA4出口繼電器的觸點(diǎn)（微機(jī)啟門節(jié)點(diǎn)）接通電磁換向閥（YV13）的控制回路（見圖4），從而實(shí)現(xiàn)了工作門的開啟。停機(jī)時(shí)，高壓斷路器分?jǐn)�，同樣也有監(jiān)控主機(jī)向現(xiàn)場(chǎng)PLC發(fā)送程序指令去接通電磁換向閥（YV14）的控制回路，以達(dá)到關(guān)閉工作門的目的。從以上控制過程不難看出，主機(jī)開停機(jī)與工作門的聯(lián)動(dòng)控制完全是依靠監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但一旦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)故障，閘門聯(lián)動(dòng)控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開機(jī)時(shí)，由于工作門不能聯(lián)動(dòng)，即軸流泵閉閥啟動(dòng)，如運(yùn)行人員不緊急停機(jī)或手動(dòng)啟門，則極易引起電機(jī)過負(fù)荷，輕則導(dǎo)致定子絕緣破壞，重則燒壞電機(jī)誘發(fā)火災(zāi)事故；當(dāng)停機(jī)時(shí)，機(jī)組極易出現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速，嚴(yán)重影響機(jī)組壽命。

  鑒于存在以上缺陷，建議將主機(jī)高壓斷路器（3QF）的輔助觸點(diǎn)并聯(lián)接入電磁換向閥YV13，YV14的控制回路中，以便在系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，為正常開停機(jī)或機(jī)組正常運(yùn)行提供雙保險(xiǎn)，具體做法是：在高壓開關(guān)柜面上增加一只LW2-16D/ 49.4021.3Y型轉(zhuǎn)換開關(guān)（QT），開關(guān)分三個(gè)位置即啟門位，斷開位及閉門位。

  2.4節(jié)制閘流量自動(dòng)測(cè)算與調(diào)節(jié)問題

  泵站節(jié)制閘泄洪流量的測(cè)算統(tǒng)計(jì)是運(yùn)行管理中的一項(xiàng)重要任務(wù)，同時(shí)也一直是運(yùn)行管理中的一大難題，靠人工計(jì)算工作量大，過程復(fù)雜且準(zhǔn)確度差。節(jié)制閘的運(yùn)行可分為恒流量和恒開啟高度兩種運(yùn)行方式。目前大型泵站的節(jié)制閘以恒高度運(yùn)行方式居多，閘門開啟高度的控制主要是依據(jù)上級(jí)防汛部門下達(dá)的調(diào)度流量，根據(jù)上下游水位的組合情況，利用相應(yīng)的開啟高度-過閘流量曲線而確定，而流量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算主要是采用調(diào)度流量與開閘總時(shí)間的簡(jiǎn)單乘積，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值偏差很大。

  針對(duì)以上問題，筆者認(rèn)為利用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以完成閘門流量的自動(dòng)測(cè)算及閘門的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)任務(wù)。具體思路是：利用原上下游已配置的超聲波水位傳感器及原各節(jié)制閘油缸內(nèi)已配置的開度傳感器，將閘門開度-流量關(guān)系曲線，閘門開度-下游水位關(guān)系曲線，下游水位-允許過閘流量關(guān)系曲線及一套具有自動(dòng)測(cè)算和調(diào)節(jié)的功能程序輸入到監(jiān)控主機(jī)內(nèi)，在原節(jié)制閘監(jiān)控畫面的基礎(chǔ)上，利用Intouch軟件繪制恒流量運(yùn)行，恒開度運(yùn)行，調(diào)度流量，即時(shí)流量四個(gè)控鍵并組態(tài)好。測(cè)算及調(diào)節(jié)流程為：監(jiān)控系統(tǒng)首先判斷閘門運(yùn)行方式，當(dāng)采用恒流量運(yùn)行方式時(shí)，選擇控鍵，在調(diào)度流量控鍵內(nèi)輸入流量值，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和處理由傳感器上傳的節(jié)制閘上下游水位及閘門開度的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)在監(jiān)控主機(jī)內(nèi)的曲線，執(zhí)行功能程序自動(dòng)進(jìn)行閘門的開度計(jì)算和動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)；當(dāng)采用恒開度運(yùn)行方式時(shí)，選擇恒開度運(yùn)行控鍵，在調(diào)度流量控鍵內(nèi)與輸入流量值，系統(tǒng)自動(dòng)地進(jìn)行開度計(jì)算并執(zhí)行相應(yīng)的控制流程，然后將累計(jì)流量存入主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)并生成報(bào)表。恒流量運(yùn)行方式泄洪流量的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，即泄洪流量等于調(diào)度流量與時(shí)間的乘積，但動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的流程比較復(fù)雜；恒開度運(yùn)行方式控制比較簡(jiǎn)單，即系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出來(lái)的開度值，將閘門提升到一定高度，但泄洪流量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算十分繁瑣。

  2.5自動(dòng)化控制設(shè)備的選用問題

  先進(jìn)的微機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控方式離不開可靠的自動(dòng)控制設(shè)備，目前在南水北調(diào)大型泵站中，作為控制與保護(hù)的核心部件PLC可編程控制器及微機(jī)綜合保護(hù)器基本上都是選用了國(guó)外產(chǎn)品，解臺(tái)泵站選用法國(guó)施耐德公司的Quantum及Premium系列PLC和Alston公司的微機(jī)綜合保護(hù)器，其優(yōu)點(diǎn)是安全穩(wěn)定性好，故障率低，日常維護(hù)量小，其缺點(diǎn)一是使用及技術(shù)說明書和人機(jī)交互界面均為英文，沒有很扎實(shí)的英語(yǔ)基礎(chǔ)，閱讀及使用起來(lái)相當(dāng)困難，給日常的運(yùn)行管理帶來(lái)諸多麻煩；其二是設(shè)備一旦發(fā)生物理性故障，其售后服務(wù)及更換或新購(gòu)設(shè)備時(shí)間相對(duì)滯后，若出現(xiàn)在運(yùn)行期內(nèi)，則嚴(yán)重影響了泵站的正常開機(jī)。究其原因主要是目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備可靠穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如國(guó)外產(chǎn)品，隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，在滿足安全可靠性的基礎(chǔ)上，我認(rèn)為優(yōu)先選用國(guó)內(nèi)設(shè)備是自動(dòng)化設(shè)備選用的一種必然趨勢(shì)。

  2.6監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)用性問題

  泵站微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能之一是實(shí)現(xiàn)站內(nèi)主輔機(jī)設(shè)備及變電系統(tǒng)的自動(dòng)控制，有很多泵站雖然上了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，但往往只發(fā)揮了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能，自動(dòng)控制功能相對(duì)弱化，究其原因主要有：從目前的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化項(xiàng)目實(shí)施情況看，參與項(xiàng)目的不少技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制方面具有較高的技術(shù)水平。但是他們對(duì)水泵機(jī)組的技術(shù)特性，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本知識(shí)，泵站技術(shù)管理基本要求等方面的了解較少，針對(duì)性不強(qiáng)，實(shí)用性較差，而泵站技術(shù)人員又對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化方面的知識(shí)比較缺乏，對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化提不出很具體的技術(shù)要求。

  要開發(fā)出實(shí)用性強(qiáng)，能切實(shí)滿足大型泵站運(yùn)行管理實(shí)際需要的微機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，其一，設(shè)計(jì)人員不僅要加強(qiáng)自動(dòng)化方面的研究，還要加強(qiáng)對(duì)水泵的基礎(chǔ)理論，泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵站運(yùn)行管理等相關(guān)基本知識(shí)的學(xué)習(xí)；其二，運(yùn)行管理單位要加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行管理人員在自動(dòng)化基礎(chǔ)理論等方面的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，開展崗位練兵，技術(shù)比武等活動(dòng)，切實(shí)提高他們的業(yè)務(wù)技能。

  3建議

  （1）微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足安全可靠的基礎(chǔ)上，要緊緊圍繞泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行這個(gè)中心任務(wù)，旨在提高泵站裝68南水北調(diào)解臺(tái)泵站微機(jī)綜合自動(dòng)化應(yīng)用若干問題探討孟廣清趙孟博置效率上開展設(shè)計(jì)工作，切實(shí)開發(fā)出適合泵站實(shí)際運(yùn)行需要的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

  （2）對(duì)變配電設(shè)備控制流程的設(shè)計(jì)，在邏輯上要力求嚴(yán)密，在上位機(jī)監(jiān)控畫面上要設(shè)置多層確認(rèn)對(duì)話框，以免運(yùn)行人員誤操作，預(yù)防事故發(fā)生。

  （3）自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)對(duì)水泵及水泵站相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，以適應(yīng)泵站微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的需要。

  （4）泵站設(shè)計(jì)要充分考慮雷電對(duì)系統(tǒng)的危害，采取可靠的防雷措施。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)除了自身的上位機(jī)及LCU設(shè)備外，還與現(xiàn)場(chǎng)許多傳感器，變送器及其他設(shè)備相連，由于計(jì)算機(jī)，通信等設(shè)備普遍存在絕緣強(qiáng)度低，耐過壓能力差的弱點(diǎn)，一旦遭受雷擊，輕者造成系統(tǒng)運(yùn)行故障，重者造成設(shè)備永久性損壞。

  4結(jié)語(yǔ)

  本文僅對(duì)解臺(tái)泵站中目前普遍存在的問題進(jìn)行了分析探討，但由于作者水平有限，認(rèn)識(shí)，研究的深度和廣度還不夠，僅從理論的角度出發(fā)給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施或基本思路，這與具體實(shí)踐應(yīng)用可能還有一定差距。隨著科技的迅猛發(fā)展，一些智能化控制，保護(hù)設(shè)備在大型泵站中的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)微機(jī)綜合自動(dòng)化控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高，隨著機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)，可能還會(huì)出現(xiàn)一些新問題，因此研發(fā)出運(yùn)行方式更加經(jīng)濟(jì)，控制方式更加先進(jìn)，控制功能更加全面，控制性能更加可靠的微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)不僅是當(dāng)前大型泵站提升運(yùn)行管理自動(dòng)化水平的迫切需要，同時(shí)也是自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員當(dāng)前所面臨的一項(xiàng)重大研究課題。