泵站電氣信息化自控裝置的研制與分析

顏愛忠

摘 要：當前國家提出加快實施農村小型泵站更新改造，這是政府圍繞“加強水利建設，服務‘三農發(fā)展”制定的一項利國利民的重要決策。本項目根據(jù)以上情況，結合農村小型泵站的特點，將工業(yè)泵類、風機類電機的軟起軟停及電機智能綜合保護等技術進行結合，推出適用于各種泵站的軟起保護一體化裝置。

關鍵詞：軟啟、保護一體化裝置 創(chuàng)新點啟停方式 社會效益 市場前景

引言

軟啟、保護一體化裝置能夠有效的解決泵站電動機起動時電流波動大、停機時“水錘”影響的難題，并能夠對電機實現(xiàn)全面精確的保護以及防止人員觸電事故的發(fā)生。同時具備遠程控制、監(jiān)測、調節(jié)以及抄表等功能接口，為將來實現(xiàn)無人泵站值守提供了基礎條件。此外，考慮到農村泵站管理現(xiàn)場條件，該裝置具有操作簡單、免維護，緊急事故狀態(tài)時備用啟動運行功能。

一、軟啟、保護一體化裝置研制的具體內容及創(chuàng)新點

1.1 硬件技術方案內容

本項目產品主要由：主控單元、軟啟動單元、觸摸式人機界面、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、遠程通訊接口以及其它輔助設備組成。

A、主控單元

負責發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分，具有高可靠性和穩(wěn)定性。對于單柜式或組柜式主控單元采用進口工業(yè)控制計算機實現(xiàn)。該計算機配有10/100base-T以太網，intel ULV Celeron M 1GHz處理器，主控單元采用無風扇低功耗設計。壁掛式主控單元采用高性能微型計算機與軟啟動單元主控板集成在一體。

B、軟啟動單元

軟啟動部分采用三相反并聯(lián)的可控硅功率單元作為主要執(zhí)行元件，配合斷路器、接觸器構成整個裝置的主回路。

斷路器作為隔離開關方便產品的維護檢修，同時能夠起到短路保護作用。在電機啟動過程中數(shù)字化控制板的移相觸發(fā)電路控制三相反并聯(lián)的可控硅模塊通斷改變電機的平均端電壓，以實現(xiàn)電機的軟啟及軟停。接觸器起旁路作用，電機啟動結束后如滿載運行時，旁路接觸器吸合，短路功率單元，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率。

數(shù)字化控制板是軟啟動的核心部分，它集中了電信號的濾波、放大、采集，開關量、模擬量輸入輸出轉換，人機接口，現(xiàn)場總線接口，中央計算機單元，存貯單元以及移相觸發(fā)電路等若干部分。

C、觸摸式人機界面

觸摸式人機界面是整個系統(tǒng)中人機對話的界面設備。美觀、耐用、能清晰顯示各種運行，并能進行參數(shù)設定。同時配有部分現(xiàn)場儀表，方便操作人員直觀的查看運行數(shù)據(jù)。

D、控制單元

泵機的起?？刂啤⒄婵毡玫拈_啟控制、閥門的開啟控制。裝置對可控制部分均提供提供自動、半自動、手動控制，現(xiàn)場、遠程控制方式供選擇。泵、閥電機必須配備適當?shù)倪^流、過壓、欠壓保護，斷電泵閥電機安全恢復啟動功能，實現(xiàn)手動控制和自動的無擾動切換。

E、數(shù)據(jù)采集單元

該部分是裝置正確接收信息和發(fā)出指令的關鍵設備，要求有高可靠性、穩(wěn)定性，能實現(xiàn)電磁的隔離功能。數(shù)據(jù)采集與檢測數(shù)據(jù)主要分為兩類：一是模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。

模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：電動機的實時數(shù)據(jù)、水泵進出口水位、水泵軸溫、流量等。部分數(shù)據(jù)檢測需外接傳感器（輸出4-20MA）。

數(shù)字量檢測的數(shù)據(jù)主要有：控制柜電源狀態(tài)、電機運行狀態(tài)、電動閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力等。

數(shù)據(jù)采集主要由裝置的微機控制中心實現(xiàn)，電動機運行的三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因素、電度、頻率等參數(shù)必須做到實時精確的檢測，采用交流采樣技術，在一個交流周波周期內至少要采樣32個有效數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行實時處理，在數(shù)據(jù)庫內復原交流曲線。水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測水泵。電機的運行狀況，超限報警，以避免水泵和電機損壞。數(shù)字量輸入模塊將各種開關量信號采集到微機控制中心作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制排水泵的啟停。

1.2 軟件技術方案內容

A、軟啟、軟停以及輕載節(jié)能的控制策略和控制算法。

啟動過程應考慮快速性和電流過載能力。所以啟動時采用電壓斜波和限流相結合的啟動方案。對于電壓斜波啟動，軟件控制移相觸發(fā)器使得晶閘管的輸出電壓呈一定的斜率上升，從而起到軟起的效果。限流軟啟動軟啟過程采用基于模糊控制算法的多點控制策略，控制算法的基本原理是根據(jù)電機電流偏差e（t）和其偏差變化率△e（t）進行運算得到控制電壓Uk，通過移相觸發(fā)器控制晶閘管輸出電壓實現(xiàn)軟起動。

運行過程中隨工況變化負載功率因數(shù)隨之變化，采用功率因數(shù)角負反饋閉環(huán)調節(jié)進行節(jié)能控制。同時，考慮到突加負載情況，為防止突加負載引起停車現(xiàn)象發(fā)生，配置突增負載工況的診斷和非線性升壓控制措施；在負載很輕或空載情況下，為減少電機拖動設備的無效行程，提高節(jié)電率。

B、電動機的實時數(shù)據(jù)采集。

電動機運行的三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因素、電度、頻率等參數(shù)必須做到實時精確的檢測，采用交流采樣技術，在一個交流周波周期內至少要采樣32個有效數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行實時處理，在數(shù)據(jù)庫內復原交流曲線。

C、電動機的保護控制算法。

在以上數(shù)據(jù)采集的基礎上，進行全面的數(shù)據(jù)分析判斷，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)走向趨勢作出不同的故障報警和跳閘命令，根據(jù)預置在計算機內的曲線、表格和計算公式進計算、對比查表等操作。

T：熱容累計值

Ta：上周期熱容量累計值

Iv：平均電流

Ie：額定電流

t△：時間

Ttr：過負荷曲線的理論跳閘值

1.3 產品結構設計方案

這里結構設計包括外觀設計、內部構造設計、組裝工藝設計、包裝設計等。產品的結構設計始終兼顧外形美觀、便于組裝及現(xiàn)場安裝方便等原則。

1.4 創(chuàng)新點及關鍵性技術

A.創(chuàng)新點

1、集成了泵站電氣主回路及二次回路，軟啟、軟停及節(jié)能控制，主設備保護，泵站各種運行參數(shù)檢測，輔助設備的控制及保護，個性化人機界面的操作控制，各種泵站運行參數(shù)信息的儲存及遠傳，遠程指令的接受及控制。

2、將數(shù)字化電機的智能保護與電子軟啟動相互融合，研制同時能夠實現(xiàn)電機軟啟與智能保護的一體化裝置。采用微電子技術監(jiān)測電動機運行動態(tài)，通過采集電機的各項運行參數(shù)，模擬電機的發(fā)熱狀況，對電機實現(xiàn)綜合保護。

3、實現(xiàn)電機限流啟動， 啟動和停車過程中電壓能夠平滑上升或下降，減少了對電網沖擊，防止了泵站停車時“水錘”的危害。監(jiān)視電機的負載變化，輕載時控制電機的端電壓以實現(xiàn)輕載節(jié)能。

B.關鍵性技術

1、軟啟、軟停以及輕載節(jié)能的控制策略和控制算法、電機的實時數(shù)據(jù)采集及保護控制算法。

2、泵站電氣信息化數(shù)據(jù)采集及上傳。

3、泵站的自動化控制策略。

二、軟起、保護一體化裝置與傳統(tǒng)保護及啟停方式的技術比較

農村中小型泵站傳統(tǒng)的控制方式大多采用全壓、自耦降壓或星-三角啟動，采用熔絲或熱繼電器等傳統(tǒng)保護方式。這些傳統(tǒng)方式的優(yōu)點是結構簡單、價格低廉。在實際運用中，這些控制及保護方式，主要存在著以下問題：一是電機起動時啟動電流較大，一般是電機額定電流6倍左右，在電機啟動時影響同一供電線路上其它電氣設備的正常運行，嚴重時將使部分設備因電壓過低而退出運行，甚至使電力線路繼電保護裝置過流保護動作而跳閘，使線路供電中斷，并且起動轉矩基本固定不可調，對負載存在強大的機械沖擊；二是熱繼電器及熔斷器只能對電機過負荷進行簡單保護，對相不平衡、缺相、漏電（觸電）、接地、失流、欠過壓等反應不靈敏，不能很好對電機實行保護，從而造成事故的隱患多；三是電機停機時為瞬間停電，造成劇烈的機械沖擊，尤其是水泵突然停車，會發(fā)生“水錘”現(xiàn)象，對水泵甚至對泵站其他設備和建筑物有極大的破壞作用，影響了泵站安全運行；四是能耗較高，設備運營、維修費用較大。

本項目研制的軟起、保護一體化裝置與以上的傳統(tǒng)方式比較具有以下技術優(yōu)勢。

①、電動機限流軟起動，防止電流突然上升對電網的沖擊。農村電網的特點是輸電距離較遠，線路損耗較大，泵站電機直接啟動產生強大的啟動電流會拉低電網電壓，嚴重時會造成電力保護裝置跳閘，使線路中斷供電。由于軟啟動在啟動過程中電機端電壓始終可控，同時以電動機起動電流為設定值整定，在一體化裝置的電路中引入電機電流反饋，通過控制電路慢慢增加輸出電壓，使電機電流以一定的斜率逐步上升到設定值，然后保持該電流恒定，直到起動結束。整個起動過程無沖擊電流，而且起動初始的上升電流的上升速率可調。由于電機轉矩與電壓的平方成正比，緩慢上升的電壓也保證了起動轉矩緩慢上升，減小機械沖擊。

②、電動機軟停車，避免瞬間停電發(fā)生“水錘”危害的問題。應用本項目裝置，停車時電流逐漸減小，使三相電源供給電機的電壓從全電壓（380V）逐漸降低，直至關斷，電機的轉速也逐漸變小直至停車（電壓下降的速率可在一定范圍內任意設定），此時水泵抽水量也逐漸減小，出水管口的拍門緩緩下落，直至完全閉合出水口，從而延長了停車時間而實現(xiàn)軟停車，避免了普通配電控制系統(tǒng)中電機在快速停機時因機械負載造成的瞬間沖擊力及“水錘”破壞力。根據(jù)水力學原理，當停車時間T>τ0 （τ0=2 L/ C）（τ0為水擊波的相，L為水泵出水管長度，C為水擊波在水中的傳播速度）時，停車產生的水擊就是間接水擊，從而可大大地減小“水錘”的危害。

③、輕載節(jié)能，減少無功損耗提高輕載時的功率因數(shù)。普通配電系統(tǒng)控制交流異步電機運行時，不管負載輕重，其輸入端始終施加額定電壓，當電機負載很輕時，其輸出的有功功率小，此時電機從電網輸入的功率相當大的部分化為電機自身的損耗（銅耗與鐵耗）。電機是電感性負載，輸出有功功率小就造成電機的功率因數(shù)偏低，不能有效利用電網的輸出容量。裝置實時采集電機功率，功率較高時電機獲得全電壓，保證滿載運行；在某一段時間內在電機運行功率較低時電機處于輕載運行，輕載時裝置將自動進入節(jié)能狀態(tài)，降低輸出電壓，使電機低于額定電壓工作。這樣就減小了電機的銅耗、鐵耗等有功損耗，同時還降低了電機輸入電流，抑制了無功分量，減少了無功損耗，功率因數(shù)得到提高，運行電流減小，達到節(jié)能目的。這對負載變化較大的電機，節(jié)能效果尤為明顯。

④、電控裝置無火花啟閉，有效延長主控制設備的使用壽命。在電動機控制系統(tǒng)中，選用了本項目裝置后，為了便于控制和應用，將它與交流接觸器、斷路器和控制電路組成一個較完整的電動機控制中心以實現(xiàn)電動機的軟起動、軟停車、故障跳閘、報警、自動控制等功能。裝置功率單元兩端并聯(lián)接觸器（KM）觸頭，當電動機軟起動結束后，KM合上，運行電流通過KM送至電動機，若要電動機停車，一旦發(fā)出停車信號，電路先將KM分斷，然后再由P裝置對電動機進行軟停車。由于KM通斷時功率單元兩端基本為等電位，且由于裝置應用了功率單元，實現(xiàn)了無觸點運行，消除了電火花，大大延長交流接觸器KM的觸頭壽命，從而有效降低了接觸器的損壞率。

⑤、實現(xiàn)對電機的綜合保護，確保泵站穩(wěn)定、可靠的運行。本項目產品不僅具有電機的軟起、軟停功能，同時綜合了電機的各種保護功能。具體包括過載保護功、、轉子堵塞/制動保護、相不平衡或缺相保護、接觸器故障報警保護、低/過電壓保護保護、短路保護保護、啟動加速超時保護、接地/漏電保護、自身溫度保護、水泵失流保護等

⑥、設有國際標準的計算機通訊接口。目前，隨著工農業(yè)自動化水平的不斷提供，不少泵站要求實現(xiàn)“無人值守”或“少人值守”，對新建或改造的泵站進行統(tǒng)一管理，以提供工作效率。在泵站自動化控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制單元負責泵站的現(xiàn)場控制、電力參數(shù)及狀態(tài)參量采集。本項目產品提供標準的計算機通訊接口，有Modbus-RTU、Profibus-DP等多種協(xié)議可供選擇。產品可作為泵站自動化控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制單元，通過標準通訊接口和協(xié)議上傳自身采集的電流、電壓、功率、電度等數(shù)據(jù)至主控層，同接受主控層下轉的各種控制命令?？梢岳?G手機或CDMA手機實現(xiàn)遠程控制、監(jiān)測、調節(jié)以及抄表等功能，為將來實現(xiàn)無人泵站值守提供了基礎條件。

三、新產品經濟、社會效益分析及市場前景預測

3.1 項目實施對地區(qū)發(fā)展的作用

近年來，國家提出加快實施農村小型泵站更新改造，這是政府圍繞“加強水利建設，服務‘三農發(fā)展”制定的一項利國利民的重要決策。本項目研制的軟啟、保護一體化裝置能夠有效的解決泵站電機啟動電流過大、劇烈的機械沖擊、保護簡單、能耗較高、運營維修費用大等缺點。確保了農村中小型泵站作為農村重要的基礎設施，在抗旱排澇中發(fā)揮重要作用，為農業(yè)增效、農民增收、農村經濟發(fā)展提供有力的支撐和保障。

3.2 應用前景與市場需求

如前所述，國家相關主管部門已經認識到當前農村泵站技術落后的特點，提出了加快實施農村小型泵站的改造。各地方水利部門也相繼推出了小型泵站的改造計劃。以江蘇省為例，江蘇省是農業(yè)水利大省。一個縣區(qū)的轄區(qū)內平均擁有各類泵站不少于2000座。目前江蘇全省有近70%以上的縣市提出了農村小泵站的興建和改造計劃。據(jù)不完全統(tǒng)計，江蘇及江蘇周邊地區(qū)（山東、安徽部分縣市），最近幾年內政府年采購小型泵站的電控設備將不低于5萬臺套/年，而且有逐年上升趨勢。如果本項目產品能過被廣泛應用，這樣將超過5000萬～1億元的年產值。