泵站微機自動化控制的問題及解決方案
2023年03月15日
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，實現(xiàn)向北調(diào)水的的目標(biāo)。泵站設(shè)計流量125m3 /s，安裝立式軸流泵5臺（其中1臺備用），單機流量31.5 m3 /s，配套電機額定功率2800kW，電壓等級為10kV，節(jié)制閘設(shè)計流量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。
解臺泵站設(shè)置一套微機綜合自動化監(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，各控制單元相互獨立運行?，F(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控單元的交換機之間采用光纖設(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，機組設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，故障報警，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通訊，具體為實現(xiàn)泵站5臺同步電動機，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，葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)等輔機系統(tǒng)，10臺回轉(zhuǎn)式清污機，1臺皮帶輸送機，戶內(nèi)變電所電氣設(shè)備以及直流屏，微機勵磁裝置，微機綜合保護(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l期工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)遙測，遙信，遙控，遙調(diào)，遙視等功能，并與上級220kV潘家庵變電所進(jìn)行電力通信，實現(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
大型泵站微機綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與普通的的計算機網(wǎng)絡(luò)有許多不同之處，它針對性強，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)通訊主機兼Web發(fā)布機，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機瀏覽功能從通信機上分離出來，單獨采用一臺計算機作為Web服務(wù)器，監(jiān)控系統(tǒng)的通信機與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)之間實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。
通過采用網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，實現(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，又能保證監(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。改進(jìn)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2水泵裝置工況點動態(tài)調(diào)節(jié)問題
（1）水泵裝置工況點<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點，也即為水泵特性曲線與管道特性曲線的交點。水泵工況點取決于水泵的性能，管路性能和進(jìn)出水池的水位差（凈揚程）三種因素，其中任一因素的變化，水泵的工況點都將隨之改變，水泵裝置的工況點實際上是在一個相當(dāng)幅度的區(qū)間內(nèi)變化著。對水泵工況點進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使之在選定的高效率區(qū)間運行，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，動力機超載或負(fù)荷不足或發(fā)生汽蝕等。調(diào)節(jié)水泵工況點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)的方法來實現(xiàn)。因此，水泵裝置工況點是泵站考核的一個重要的經(jīng)濟指標(biāo)，同時調(diào)節(jié)水泵裝置工況點也是泵站實現(xiàn)經(jīng)濟運行管理的一個重要舉措。
?。?）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），人工計算出葉片角度，由運行人員在上位機上輸入葉角值，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)水泵裝置工況點方法存在諸多缺點，因為上下游水位（凈揚程）時刻在發(fā)生著變化，為確保水泵裝置在高效區(qū)工作，這項工作是不可能也無法靠人工來完成的。這種所謂的自動調(diào)節(jié)實質(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，實際上是一種人工的手動調(diào)節(jié)，無真正應(yīng)用價值。
（3）動態(tài)自動跟蹤調(diào)節(jié)。采用微機監(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)裝置工況點的功能程序輸入到監(jiān)控主機內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)實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)控主機內(nèi)的裝置性能曲線，再執(zhí)行功能程序進(jìn)行分析計算和動態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)，即當(dāng)凈揚程減小時，將葉片安裝角調(diào)大，在保持較高效率情況下增大出水量，使動力機滿載運行；當(dāng)凈揚程較大時，將葉片安裝角調(diào)小，適當(dāng)較小出水量，使動力機不致過載運行。這種做法的優(yōu)點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
解臺泵站主機開停機與工作閘門的聯(lián)動完全是通過微機監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)的，現(xiàn)以1#主機為例，具體介紹如下。
開機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)合上主機斷路器時，監(jiān)控主機通過與現(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（微機啟門節(jié)點）接通電磁換向閥（YV13）的控制回路（見圖4），從而實現(xiàn)了工作門的開啟。停機時，高壓斷路器分?jǐn)啵瑯右灿斜O(jiān)控主機向現(xiàn)場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，主機開停機與工作門的聯(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)動控制將無法實現(xiàn)。當(dāng)開機時，由于工作門不能聯(lián)動，即軸流泵閉閥啟動，如運行人員不緊急停機或手動啟門，則極易引起電機過負(fù)荷，輕則導(dǎo)致定子絕緣破壞，重則燒壞電機誘發(fā)火災(zāi)事故；當(dāng)停機時，機組極易出現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速，嚴(yán)重影響機組壽命。
鑒于存在以上缺陷，建議將主機高壓斷路器（3QF）的輔助觸點并聯(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，為正常開停機或機組正常運行提供雙保險，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)計是運行管理中的一項重要任務(wù)，同時也一直是運行管理中的一大難題，靠人工計算工作量大，過程復(fù)雜且準(zhǔn)確度差。節(jié)制閘的運行可分為恒流量和恒開啟高度兩種運行方式。目前大型泵站的節(jié)制閘以恒高度運行方式居多，閘門開啟高度的控制主要是依據(jù)上級防汛部門下達(dá)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)計計算主要是采用調(diào)度流量與開閘總時間的簡單乘積，使計算結(jié)果與實際值偏差很大。
針對以上問題，筆者認(rèn)為利用微機監(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軟件繪制恒流量運行，恒開度運行，調(diào)度流量，即時流量四個控鍵并組態(tài)好。測算及調(diào)節(jié)流程為：監(jiān)控系統(tǒng)首先判斷閘門運行方式，當(dāng)采用恒流量運行方式時，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)控主機內(nèi)的曲線，執(zhí)行功能程序自動進(jìn)行閘門的開度計算和動態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)；當(dāng)采用恒開度運行方式時，選擇恒開度運行控鍵，在調(diào)度流量控鍵內(nèi)與輸入流量值，系統(tǒng)自動地進(jìn)行開度計算并執(zhí)行相應(yīng)的控制流程，然后將累計流量存入主機數(shù)據(jù)庫并生成報表。恒流量運行方式泄洪流量的計算比較簡單，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；恒開度運行方式控制比較簡單，即系統(tǒng)根據(jù)計算出來的開度值，將閘門提升到一定高度，但泄洪流量的統(tǒng)計計算十分繁瑣。
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公司的微機綜合保護(hù)器，其優(yōu)點是安全穩(wěn)定性好，故障率低，日常維護(hù)量小，其缺點一是使用及技術(shù)說明書和人機交互界面均為英文，沒有很扎實的英語基礎(chǔ)，閱讀及使用起來相當(dāng)困難，給日常的運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，若出現(xiàn)在運行期內(nèi)，則嚴(yán)重影響了泵站的正常開機。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)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)實用性問題
泵站微機綜合自動化系統(tǒng)的主要功能之一是實現(xiàn)站內(nèi)主輔機設(shè)備及變電系統(tǒng)的自動控制，有很多泵站雖然上了計算機監(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：從目前的計算機自動化項目實施情況看，參與項目的不少技術(shù)人員在計算機及自動控制方面具有較高的技術(shù)水平。但是他們對水泵機組的技術(shù)特性，經(jīng)濟運行的基本知識，泵站技術(shù)管理基本要求等方面的了解較少，針對性不強，實用性較差，而泵站技術(shù)人員又對計算機自動化方面的知識比較缺乏，對計算機自動化提不出很具體的技術(shù)要求。
要開發(fā)出實用性強，能切實滿足大型泵站運行管理實際需要的微機自動化監(jiān)控系統(tǒng)，其一，設(shè)計人員不僅要加強自動化方面的研究，還要加強對水泵的基礎(chǔ)理論，泵站的經(jīng)濟運行，泵站運行管理等相關(guān)基本知識的學(xué)習(xí)；其二，運行管理單位要加強對運行管理人員在自動化基礎(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，切實提高他們的業(yè)務(wù)技能。
3建議
?。?）微機綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計在滿足安全可靠的基礎(chǔ)上，要緊緊圍繞泵站經(jīng)濟運行這個中心任務(wù)，旨在提高泵站裝68南水北調(diào)解臺泵站微機綜合自動化應(yīng)用若干問題探討孟廣清趙孟博置效率上開展設(shè)計工作，切實開發(fā)出適合泵站實際運行需要的微機監(jiān)控系統(tǒng)。
（2）對變配電設(shè)備控制流程的設(shè)計，在邏輯上要力求嚴(yán)密，在上位機監(jiān)控畫面上要設(shè)置多層確認(rèn)對話框，以免運行人員誤操作，預(yù)防事故發(fā)生。
?。?）自動化設(shè)計人員要加強對水泵及水泵站相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，以適應(yīng)泵站微機綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計工作的需要。
?。?）泵站設(shè)計要充分考慮雷電對系統(tǒng)的危害，采取可靠的防雷措施。計算機監(jiān)控系統(tǒng)除了自身的上位機及LCU設(shè)備外，還與現(xiàn)場許多傳感器，變送器及其他設(shè)備相連，由于計算機，通信等設(shè)備普遍存在絕緣強度低，耐過壓能力差的弱點，一旦遭受雷擊，輕者造成系統(tǒng)運行故障，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，但由于作者水平有限，認(rèn)識，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，人們對微機綜合自動化控制技術(shù)的要求也越來越高，隨著機組的長時間投運，可能還會出現(xiàn)一些新問題，因此研發(fā)出運行方式更加經(jīng)濟，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綜合自動化系統(tǒng)不僅是當(dāng)前大型泵站提升運行管理自動化水平的迫切需要，同時也是自動化設(shè)計人員當(dāng)前所面臨的一項重大研究課題。
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