自动化控制技术在泵站中的应用

2022-09-12

我国泵站多、分布广, 几乎每个省市自治区和直辖市都有泵站, 主要用于防洪、灌溉、排涝、供水等。上世纪五六十年代的泵站都是用常规保护和控制, 到九十年代中后期开始采用自动化设备, 综合自动控制技术才算真正形成。

1 泵站自动化的发展历程

根据泵站自动化程度的不同, 可将泵站自动化分成三大类:半自动化、全自动化和综合自动化。

1.1 半自动化

半自动化的主要特征是泵站机组的启动和停机的最初指令是由人发出的, 最后也是由人去执行控制系统的最末一个环节, 如开机或停机等。也就是说机组是采用开环控制方式。

1.2 全自动化

全自动化泵站是靠设置在前池或出水池上的水位继电器, 或者设置在进、出水管道上的压力继电器控制机组的启动、停机或者进行各种保护。也就是说机组是采用闭环控制方式。

1.3 综合自动化

泵站综合自动化系统自20世纪70年代以来在水利行业中即开始研制和运用, 从早期的数据采集系统、上下位机的分布式系统到目前较为流行的分层分布式综合自动化系统。

2 泵站自动化的设计原则

在泵站自动化的设计过程中应该遵循以下三个原则。

2.1 效益最大化原则

泵站自动化和其它经济活动一样, 都也是应该以经济效益最大化为目标。很难想象, 运行时间极少的泵站, 却有投入大量资金进行自动化改造的必要。并且随着电子技术的发展, 许多设备没有发挥效益就被淘汰, 造成大量的国家资金的浪费。从工程经济运行统计来看, 建议年运行3000h~4000h以上的泵站进行自动化改造是适合的。

2.2 先进、可靠的原则

可靠性是泵站自动化成败的关键所在。因此, 在泵站自动化设计时一定要把系统和设备的可靠性作为重点去研究。特别是传感器和执行元器件, 要做到做一个成一个。要综合考虑每一个设备是否符合自动化要求, 切忌全面开花, 华而不实。同时在考虑可靠性的基础上, 选择设备时应具有一定的先进性和前瞻性。

2.3 从实际出发的原则

在进行泵站自动化设计时要一切以实际情况出发, 要综合考虑资金, 技术和人员配置情况进行正确的定位, 不能贪大求全, 不能攀比做出不切实际的设计。

就自动化程度不同, 可以选择以下三种型式:数据采集型、部分系统自动化型和综合自动化型。

3 泵站自动化设计中需要注意的问题

在泵站自动化设计中需要注意以下四个方面的问题。

3.1 正确处理测量、控制和保护之间的关系

测量、保护和控制在过去的泵站设计时, 作为泵站电气二次设计的相互独立的组成部分。出现这样的设计格局, 主要受当时技术和设备的局限性。随着电子技术的发展, 二者之间的界限越来越不明显, 并逐步走向融合。如泵站运行中电气二次设计的关键部位为继电保护。继电保护除去对非电量进行测量外, 还要对电气设备运行中的电量进行测量, 这样就可以通过这些测量数据代替过去常规的测量仪表。这样做的其它两个好处是, 一是可以减少设备, 节约成本, 二是可以对保护回路进行经常性的监控, 提高了系统的可靠性。再如, 继电保护最终作用对象是开关设备, 而我们自动控制对象也是开关设备, 原理是一样的, 并且继电保护更具有动作的可靠性, 因此开关的控制可以结合在继电保护单元中。

3.2 正确划分自动控制单元

泵站的自动控制是一个顺序控制和若干个独立的闭路循环单元组成。因此, 在系统设计时, 层次上一定要清楚。要将风险降低和转移, 不能采取一个控制设备完成泵站所有的控制功能。特别对于辅机系统, 最好采取独立的闭环控制单元。关键控制线路上只对这些单元发出指令和接受状态, 各个单元按照设置运行要求自行操作。

3.3 正确选择通讯协议

泵站自动控制是比较简单的控制方式, 在设备选择上, 传统的做法是尽量选择有通讯协议的设备, 主要出发点是便于交换数据, 节约现场接线电缆。但是, 目前国际上对通讯协议还没有一个规范。在一个泵站就可能形成多通讯协议和通讯规约的情况, 给系统的集成带来很多困难。过去的做法是用一台工业控制计算机来协调。智能化的传感器虽然是一个发展趋势, 但是不能一维的追求设备的通讯化。

从泵站的实际情况来看, 大部分设备均安排在泵房内部, 接线并不长。建议对传感器尽量采用标准信号输出。对于综合功能强的设备选用具有通讯的功能才有意义。

3.4 自动控制系统的兼容性和扩展性

目前自动控制系统的功能越来越多, 集成性也越来越高, 因此要求在泵站自动控制系统设计时要综合各个方面的情况, 能够兼容各种设备。

设计时除去兼容性的要求外, 还要求自动控制系统具有一定的扩展性。

4 泵站自动控制系统组成

现在以江南水厂的深井车间为例说明泵站自动控制系统组成。

该站计算机监控系统是以6台主机组、2台主变压器及其辅助设备、35KV开关站设备、公用设备等为监控对象, 实现整个泵站以集中管理、分散控制为原则的计算机实时监控系统。

4.1 系统组成

该系统有五部分组成: (1) 中控室数据采集及控制系统; (2) 现场LCU控制系统; (3) 自动化仪表系统; (4) 微机继电保护及电力参数采集系统; (5) 多媒体电视监控系统。

该系统以PLC为现场控制中心, 以现地工控机为操作平台的开放网络型分层分布的泵站实时闭环过程控制系统。它可以实现:接受远方或本站调度中心指令, 实现厂内经济运行, 远方调度中心与站内闭环运行、自动监测和控制, 提高泵站运行的经济效益和安全水平, 改善职工工作条件。

4.2 系统功能

其主要功能有:实时采集泵站主要设备的运行状态、参数, 对泵站各控制点和监视点进行自动安全检测, 越限报警、事件顺序记录、事故故障原因提示、事故语音报警;实现站内经济运行、趋势分析, 实现机组的自动起、停控制, 闸门开度自动调节控制, 断路器、交流接触器等主要电气设备的投、切操作以及其它自动控制功能。

4.2.1 数据采集与处理

自动周期性地采集或由操作员通过应用程序发命令采集泵站现场各种实时数据, 进行必要的数据预处理并以一定的格式存入实时数据库, 按照信号性质的不同把它细分为模拟量、开关量及脉冲数字量等。

4.2.2 泵站安全运行与监视

本系统可以使运行值班人员通过CRT对全厂各主设备及辅机设备的运行状态进行实时监视。控制操作设有操作权限, 同时也可以根据需要随时对监视内容的设定值进行修改 (必须是具有相应操作权限的人员) 。所有要进行监视的内容包括当前各主要设备的运行及停止情况、闸门开度情况, 并对各运行参数进行实时显示。

4.2.3 控制与调节

泵站自动化系统的控制功能应该满足泵站机组启、停和变电所操作规范规定的要求。机组启、停控制有一条指令完成, 计算机自动检测机组启、停条件并顺序执行, 当满足条件时执行操作。对变电所开关的操作应该自动检测操作条件, 并按照预定的步骤进行分合闸。

对所有设备应该设置手动控制方式和自动控制方式, 并设有静态试验方式。机组事故停机时, 应该同时关闭相关的辅助设备。

系统的主要控制有: (1) 变电所的主变压器、站用变压器、电容器等的控制; (2) 主机机组的控制; (3) 泵站辅机设备的控制; (4) 励磁设备的自动调节与控制; (5) 上下游闸门、水利枢纽中闸门的控制。

在上述控制均安全可靠时, 可以实现远距离的调度和控制。

5 结语

泵站的自动化程度是一个不断提高的过程, 同时泵站的自动化又是一个复杂的系统工程, 设计理念和目标都应该以工程的实际出发, 在追求效益最大的前提下, 合理安排资金进行科学统筹规划, 才能达到预期的目标。目前, 随着科学技术的不断发展, 许多自动控制设备的出现和控制技术的发展也必将给泵站自动化程度的提高带来新的思路和机遇。

摘要：本文对泵站自动化控制技术的发展历程作了回顾, 简要说明了泵站自动化控制技术在三个阶段的结构及功能, 提出了在新时期实施泵站综合自动化控制系统中宜重点关注的问题, 最后通过实际案例分析阐述了自动控制技术在泵站中的具体应用。

关键词：泵站,自动化,控制,系统