泵站微機(jī)自動化控制的問題及解決方案

1、泵站微機(jī)自動化控制的問題及解決方案1工程概況解臺泵站是南水北調(diào)東線第一期工程江蘇省境內(nèi)第八級梯級 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（其中1臺備用），單機(jī)流量31.5 m3 /s,配套電機(jī)額定功率2800kw, 電壓等級為10kv,節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量500m3 /s,共3孑單孔凈寬10m. 采用llokv專用架空線路向泵站供電，設(shè)有110, 10kv戶內(nèi)變電所。解臺泵站設(shè)置一套微機(jī)綜合自動化監(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

2、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，可以進(jìn)行無擾動切 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。現(xiàn)地級與 主控級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，網(wǎng)絡(luò)可以自動選擇另一方向?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)的存儲和查詢， 泵站自動抽水控制及與上位機(jī)通訊，具體為實(shí)現(xiàn)泵站5臺同步電動 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)

3、系統(tǒng)，10臺回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，1臺皮帶輸送機(jī)，戶內(nèi) 變電所電氣設(shè)備以及直流屏，微機(jī)勵磁裝置，微機(jī)綜合保護(hù)裝置的自 動監(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，與 南水北調(diào)東線第1期工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遙測，遙信， 遙控，遙調(diào)，遙視等功能，并與上級220rv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，它針對性強(qiáng)，對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，可靠性和安全 性要求高。解臺泵站監(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

4、毒感染或黑客攻擊，給監(jiān)控系統(tǒng)帶來了很大的安全隱患。目前，該 泵站（包括其他泵站）還停留在簡單的被動防護(hù)階段，即平時斷開物 理鏈接，必需時短時間接入，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，單獨(dú)采用一臺 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個不同安全等級區(qū)之間的數(shù)據(jù) 交換，既滿足泵站對web瀏覽的需求，乂能保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全性, 極大地提高了整個系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性

5、。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)動態(tài)調(diào)節(jié)問題（1）水泵裝置工況點(diǎn)。水泵供給水的總比能與管道所需求的 總比能相等的那個點(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)際上是在一個相當(dāng)幅度的區(qū)間內(nèi)變化著。對水泵 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

6、調(diào)節(jié)，對于大型 全調(diào)節(jié)型軸流泵或混流泵一般采用變角調(diào)節(jié)的方法來實(shí)現(xiàn)。因此，水 泵裝置工況點(diǎn)是泵站考核的一個重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時調(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)行管理的一個重要舉措。（2）靜態(tài)調(diào)節(jié)。解臺泵站（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)行自動調(diào)節(jié)。當(dāng) 運(yùn)行工況發(fā)生變化時，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?（凈揚(yáng)程）吋刻在發(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

7、法靠人工來完成的。這種所謂的自動調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是 與現(xiàn)場控制箱手動調(diào)節(jié)加以區(qū)分的，從嚴(yán)格意義上講，實(shí)際上是一種 人工的手動調(diào)節(jié)，無真正應(yīng)用價(jià)值。（3）動態(tài)自動跟蹤調(diào)節(jié)。采用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)動態(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)算和動態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)，即當(dāng)凈揚(yáng)程減小時，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

8、動力機(jī)滿載運(yùn)行；當(dāng)凈揚(yáng)程較 大時，將葉片安裝角調(diào)小，適當(dāng)較小出水量，使動力機(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)動控制問題解臺泵站主機(jī)開停機(jī)與工作閘門的聯(lián)動完全是通過微機(jī)監(jiān)控 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)以1#主機(jī)為例，具體介紹如下。開機(jī)時首先將事故門開啟到全開位置，可采用在液壓控制屏現(xiàn) 場手動操作方式，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)動位置，當(dāng)合上主機(jī)斷路器時，監(jiān)控主機(jī)通過與現(xiàn) 場plc建立通訊，按照預(yù)設(shè)定的程序自動發(fā)出程序指令，由現(xiàn)場plc 控制輸出驅(qū)動24v繼電器（1ka4）,通過1ka4出口繼電器的觸點(diǎn)（微

9、 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，高壓斷路器分?jǐn)?，同樣也有監(jiān)控主機(jī) 向現(xiàn)場plc發(fā)送程序指令去接通電磁換向閥（yv14）的控制冋路， 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)動控制完全是依靠監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)來實(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)動控制將無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開機(jī)時，由于 工作門不能聯(lián)動，即軸流泵閉閥啟動，如運(yùn)行人員不緊急停機(jī)或手動 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，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

10、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，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)分三個位置即啟門位，斷開位及閉門位。2.4節(jié)制閘流量自動測算與調(diào)節(jié)問題泵站節(jié)制閘泄洪流量的測算統(tǒng)計(jì)是運(yùn)行管理中的一項(xiàng)重要任 務(wù)，同時也一直是運(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o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)上級防汛部門下達(dá)

11、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)度流量與開閘總時間的簡單乘積，使計(jì)算結(jié)果 與實(shí)際值偏差很大。針對以上問題，筆者認(rèn)為利用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以完成閘門流量 的自動測算及閘門的動態(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測算和調(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，即時流量四個控鍵并組態(tài)好。

12、 測算及調(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，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)及存儲在監(jiān)控主機(jī)內(nèi)的曲線，執(zhí)行功能程序自動進(jìn)行閘門的 開度計(jì)算和動態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)；當(dāng)采用恒開度運(yùn)行方式時，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)算比較簡單，即泄洪流量等于調(diào)度 流量與時間的乘積，但動態(tài)調(diào)節(jié)的流程比較復(fù)雜；恒開度運(yùn)行方式控 制比較簡單，即系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出來的開度值，將閘

13、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自動化控制設(shè)備的選用問題先進(jìn)的微機(jī)自動化監(jiān)控方式離不開可靠的自動控制設(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外產(chǎn)品，解臺泵站選用法 國施耐德公司的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 英語基礎(chǔ)，閱讀及使用起來相當(dāng)困難，給日常的運(yùn)行管理帶來諸多麻 煩；其二是設(shè)備一旦發(fā)生物理性故障，其售后服務(wù)及更換或新購設(shè)備 時間相對滯后

14、，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產(chǎn)設(shè)備可靠穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如國外產(chǎn)品，隨著國 內(nèi)工產(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) 先選用國內(nèi)設(shè)備是自動化設(shè)備選用的一種必然趨勢。2.6監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)用性問題泵站微機(jī)綜合自動化系統(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)測的功能，自動控制功能相對弱化，究其原因 主要有：從目前的計(jì)算機(jī)自動化項(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)及自動控制方面具有較高的技術(shù)水平。但是他們對水 泵機(jī)組的技術(shù)特性，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本知識，泵站技術(shù)管理基本

15、要求等 方面的了解較少，針對性不強(qiáng)，實(shí)用性較差，而泵站技術(shù)人員又對計(jì) 算機(jī)自動化方面的知識比較缺乏，對計(jì)算機(jī)自動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)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，其一，設(shè)計(jì)人員不僅要加強(qiáng)自動化方面的研究, 還要加強(qiáng)對水泵的基礎(chǔ)理論，泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵站運(yùn)行管理等相關(guān) 基本知識的學(xué)習(xí)；其二，運(yùn)行管理單位要加強(qiáng)對運(yùn)行管理人員在口動 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， 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)行這個中心任務(wù)，旨在提高泵站裝68南水北 調(diào)解

16、臺泵站微機(jī)綜合自動化應(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)對話框，以免運(yùn)行人員誤操作， 預(yù)防事故發(fā)主。(3) 自動化設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)對水泵及水泵站相關(guān)知識的學(xué)習(xí), 以適應(yīng)泵站微機(jī)綜合白動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的需要。(4) 泵站設(shè)計(jì)要充分考慮雷電對系統(tǒng)的危害，釆取可靠的防 雷措施。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)除了自身的上位機(jī)及l(fā)cu設(shè)備外，還與現(xiàn) 場許多傳感器，變送器及英他設(shè)備相連，市于計(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)語本文僅對解臺泵站中目前普遍存在的問題進(jìn)行了分析探討，但 由