泵站自动化控制系统分析

陈宗琦

摘要：为了进一步发挥水利泵站的综合利用效益 ,尽可能减少洪涝灾害的损失，提高调度管理的决策水平，建设水利泵站综合自动化监控信息系统是必不可少的。本文结合作者的工作经验谈谈泵站的自动化监控系统。

关键词：泵站；自动化监控系统；PLC

随着国民经济的高速发展，城市人口的增加以及居民生活水平的提高给城市建设与管理提出了更高更严的要求。而水资源的匮乏，水质的恶化以及大量污水得不到及时的处理，则影响了整个城市的长远发展规划，许多城市不得不通过长距离的引水或者调水工程来解决水源问题。而泵站的建设则是引水或者调水工程最重要的一个环节。

所以建设泵站的时候，也越来越重视泵站的运行管理和自动化水平。泵站自动化监控系统有效地提高泵站设备的可靠性、安全性、可维护性以及控制操作的自动化水平；实时对设备参数和运行工况进行监视，消除设备运行隐患，确保主设备的完好率和可调率，减轻运行人员劳动强度，达到“无人值班、少人值守”的运行管理要求，进一步提高泵闸调度的及时性和准确性。顺应我国水利行业运行管理现代化的发展趋势。

自动化控制系统的设计原则

自动化控制系统的结构有多种形式，简单的有PC+I/O板卡方式，实现单一的控制；高级的有DCS系统，适合多回路调节的控制对象；常见的有PC+PLC系统，在水工业有广泛的应用；还有流行的现象总线系统（FCS）。以上结构ideas自控系统在不同泵站中均有应用。尽管结构不同，但系统的设计原则是一致的，那就是保证系统满足控制要求的前提下，提高系统的性能和稳定性，增加系统的附加值。

自动化控制系统的设计原则在不同阶段有不同德体现。对于早期建成投产的提升或加压泵站，自控系统的建设大多遵循实用为主，量力而行的原则。对于进口设备，设备自成系统，独立运行；对于国产设备，大多以电气控制为主。随着控制技术、计算机技术、通讯技术的快速发展，以及水处理工艺的变化，人们对生产过程“自动化”的需求越来越迫切，现在的系统设计除了实用外，还必须考虑可靠性和先进性。

1 测点分布的合理性原则

提升或加以泵站的原则是根据进水流量特性选择合适的提升方式，在保证出水水压和扬程的前提下，减少能耗，提高效率。自动化控制系统能实现“自动控制”的前提是工艺参数布点检测合理，能全面监测设备运行状态。因此系统设计原则之一就是根据自控系统自身的规律，结合工艺要求，选择工艺参数的测点位置与数量，同时指导电气完成设备运行状态触点的预留工作。

2 控制的实效性原则

对于一个通用型的提升加压泵站而言，自控系统通常包括水质检测及加药子系统、水泵电机运行子系统、辅助子系统、变配电系统。而每一个子系统可能自成独立的系统或主要工艺设备自带小闭环环系统。这种现状给整个自控系统的实现造成了困难，更无法实现整体的协调控制，因此产生了控制系统的实效性原则。

该原则要求各控制子站均连接在全厂网络上，对于智能设备或自带小闭环的设备，应通过开放的通讯接口协议如RS485、MODBUS、MODBUS+、PROFIBUS等接入大网中，对于已自成系统的子站，应通过Remote I/O或通讯模块直接连入网络。所有信号的提取不是采用通讯电缆的方式，而是直接利用接口通讯的方式进行。在此基础上，开放所有的控制流程，实现工艺生产过程的顺序控制

逻辑控制和批处理控制。

3 管理的规范性原则

生产过程控制系统与管理系统式一个对立统一的整体。管理指导控制，控制为管理服务。管理的规范性原则就是要求管理系统与生产过程控制系统建立在同一网络平台上，实现数据的透明交换与共享。同时以控制效果为基础建立管理机制，以管理的能动性优化工艺生产过程控制算法，提高生产效率。

某泵站的设计流量17m/s,校核流量22.1m/s,总设计扬程为32.01m。泵站共装机8台，配套同步电机功率1400kW， 额定电压10kV，为泵站总装机容量11200kW。泵站设有3台干式变压器，其中2台主变，容量均为10000kVA， 另一台主变容量为500kVA，该泵站自动化系统是为泵站机组和 35 kV专用变电站的控制、保护、测量、记录而建设的

二、泵站自动化系统结构

泵站自动化系统采用分层分布式的实时多任务结构 将控制和采集功能集为一体 实现整个泵站的控制 流程显示 设备运行状态监控及设备故障报警 泵站数据的检测 存储 分析 报表打印等功能 本系统采用开放式工业局域网为系统骨干网 将站控级计算机和现地控制单元连接 构成一个具有网络结构的分布式控制系统（图1）。

整个自动化监控系统结构分为3层，分别为监控层、网络层与现地控制层。监控层采用国电南京自动化股份有限公司生产的SD200泵站综合自动化系统,由操作员工作站、工程师工作站、数据库服务器、通信管理工作站、站长工作站、电源、打印机、投影大屏幕、GPS同步时钟等组成；网络层由工业以太网交换机、 四芯多模光缆等组成；现地控制层由机组控制屏、公用LCU控制屏及微机保护测控单元等组成,公用LCU控制屏PLC采用美国GE90-70系列产品，机组LCU控制屏PLC采用GE90-30。

系列产品泵站设备控制分为3级,分别为主控级、现地控制级、就地手动控制。主控级为中控室微机监控系统的计算机集中控制；现地控制级可根据预定控制程序和现场实际情况，自动控制；就地手动控制，与设备操作有关的控制柜、现地单元控制箱均带有“远控/手动”选择开关，各设备均可通过选择开关切换实现

手动操作。

主控级的监控工作站完成泵站各个部分的运行监视，数据采集和机组的自动控制调度功能，该层是整个泵站控制系统的调度核心。现地控制级为各个现地控制单元，除完成上位控制层的操作指令外，还需实时监视执行设备的运行情况，一旦发生故障，立即采取保护性措施并向上层传递信息。

现地控制单元与站控级计算机级之间通讯采用以环形光缆为通讯介质的高速工业以太网网络，通讯速率为100MB/s

三、自动化系统功能

1、微机保护功能

通过微机保护测控单元对35kV专用变电站及10KV侧所有的电气设备进行保护，包括线路保护变压器保护、电动机保护、电容器保护、分段保护和PT保护等多个安全自动装置。

各微机保护单元具有下列功能：故障记录、存储多套定值、显示和当地修改定值；与监控系统通信根据监控系统命令发送故障信息，动作序列；当前整定值及自诊断信号；接收监控系统选择或修改定值，校对时钟等命令。

2、数据采集与处理

通过现地控制单元实时采集变电站，泵站辅助设备、泵站公用设备、配套水工建筑物及其他与泵站自动化有关的各种电量、非电量的泵站运行数据，并实时进行数据转换、零漂处理、人工设置处理、计算处理、越限处理、滤波处理等。

处理后的数据存入实时数据库。系统同时接受来自调度层级的控制命令，传送有关数据，进行数据交换。

3、安全运行监视

安全运行监视包括泵站运行实时监视及参数在线修改，状态监视、越限检查、 过程检查、趋势分析和监控系统异常监视。

4、实时控制和调节

根据调度命令或操作人员现场决定，操作员可通过功能键盘和鼠标实现对水泵机组开停机、辅助设备控制、各高压断路器、隔离开关、联络开关等的控制等。 各种控制和调节操作必须有操作过程的记录，在显示器上显示每一个操作执行情况。

5、泵站优化经济运行

泵站在正常情况下,根据上级指定的提水流量合理地选择开机台数,保证机组在满足规定约束条件下高效率运行。同时优化运行软件允许操作人员在操作员工作站上根据需要选择水泵运行工况。

6、保护及事故追忆

当发生超驼峰运行、机组过载、气蚀振动加剧时，系统能够自动保护停机，或闭锁不允许开机；当发生短路等电气故障时自动保护跳闸并把信号送入监控系统；在泵站发生事故或故障时，对事故发生前后的重要参数进行追忆记录，记录在事故发生前和后20 s时间内重要实时参数的变化情况，计算机将按顺序将事故报警信息、事故名称及追忆数据保存于磁盘中，形成历史数据。

7、监视、记录及报告功能

1）主要监视：水泵机组运行工况；辅助设备运行情况；公用设备运行工况； 厂用电运行方式；越复限故障、事故的显示报警，并自动显示有关参数并推出相关画面；开停机流程；其他重要的运行参数监视。

2）全站所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表的记录，并可在打印机上输出打印。

8、语音报警

运行人员可对系统数据进行设置。定义发生哪类事故时，监视系统需要进行报警。当发生事故时系统能根据设置发出声光、语音报警信息，并启动电话语音自动报警程序。

电话语音自动报警程序，能启动自动呼叫系统，根据事先设定的远方责任人手机号码，向远方责任人发出故障报警短信，也可以实现电话自动拨号，对方摘机后自动播放报警语句。

9、诊断维护功能

在出现故障征兆或发生事故时，由监控系统提出事故处理和恢复运行的指导性意见。包括系统硬件和软件故障诊断。

系统设备硬件诊断包括对各工作站计算机级外围设备、通讯接口、通道等的运行情况进行在线和离线诊断，故障点可诊断到模块。对于冗余系统设备，当诊断出主设备故障时，可自动发出信号并切换到备用设备 。当诊断出外围设备故障时，可自动将其切除并发出信号。

软件故障诊断能自动给出故障性质及部位，并提供相应的软件诊断工具。

10 、泵站设备运行维护管理

自动化系统包括诸多泵站运行资料，主要有：累计机组正常运行时间；累计机组正常停运时间、检修次数及时间；分类统计各设备发生的事故、故障及时间； 电气保护整定值一览表显示画面；机组实时效率显示等。

四、结束语

通过这几年的实践，泵站自动化系统多优势已经显现，通过简化电气设备来减少厂房面积，节省土建投资；改善工作环境，减轻劳动强度，做到安全和文明生产。要根据设计规范，借鉴一些泵站自动化的成功经验，选择合适的生产厂家，在自动化系统创新改造中少走弯路，节约资金，使泵站系统更加科学、合理、长期稳定运行。希望与广大读者共同研讨，增强对该系统的认识和应用。该泵站计算机监控系统具有完善的监控功能，能满足泵站安全运行及运行参数实时监控的需要，为泵站运行实现“无人值班，少人职守” 创造了有利条件，且该监控系统操作方便，可靠性强。

参考文献：

[1] 石义华．泵站电气设备及其自动化[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，19 95．

[2]陈金法.泵站自动化控制系统的设计与实现.自动化技术与应用》2011年第二期。

作者简介：陈宗琦（1984—），男， 广东省高州市人，助理工程师，工学学位，现供职于深圳市水务技术服务有限公司， 研究方向：水利机电方向。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。