潘自林 李曉剛

（寧夏回族自治區(qū)水利工程建設(shè)中心，寧夏 銀川 750000）

梯級泵站是我國解決內(nèi)陸水資源分布不均勻，優(yōu)化水資源配置的民生工程。擔(dān)負(fù)著農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)、人飲等重要任務(wù)。近些年，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，落實水利“補短板強監(jiān)管”的發(fā)展理念，對于水利工程的投資不斷增大。新建、改建、擴建泵站工程大量實施，國家對泵站這種高耗能設(shè)施提出了新的要求，提水泵站要提高效率、降低能耗，提升自動化控制程度，減少人力資源投入，降低運行維護成本。為實現(xiàn)泵站“無人值班，少人值守”帶來可能，本文以我國西北地區(qū)某梯級揚水泵站為例，對實現(xiàn)泵站機組自動流程化控制進行探討研究。

1 工程機電設(shè)備及自動化設(shè)施簡介

我國西北某梯級揚水工程有多級揚水泵站，各級泵站串聯(lián)運行，輸水沿線調(diào)蓄能力弱，為提高水利用率，必須科學(xué)調(diào)度調(diào)蓄。

以二級泵站為例分析研究。二級泵站（一級泵站到二級泵站無配水）配置有異步機組2臺、同步機組2臺、變頻機組2臺。分布示意圖如圖1所示。

圖1 泵站機組布置圖

其中2#、4#為變頻機組，3#、5#為同步機組，其余為異步機組。在泵組出水側(cè)將2#、3#和4#、5#機組的出水管進行了聯(lián)通，以便于泵站在初次運行時，利用變頻機組對所有的壓力管道進行初充水作業(yè)，以防止空管道低揚程、大流量造成電動機過載。

該泵站中每兩臺機組配置一面機組LCU柜用于控制機組起停，監(jiān)測機組的運行狀態(tài)、電流、功率、電機定子繞組溫度、電機轉(zhuǎn)子繞組溫度、軸承溫度、功率因數(shù)、運行時數(shù)統(tǒng)計、故障報警等信息，并將其上傳到泵站中控室的操作員工作站；全站配置一面公用LCU屏，用于監(jiān)測直流屏參數(shù)、變壓器、互感器、刀閘、避雷器等設(shè)備的運行參數(shù)、輔機系統(tǒng)（油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)）的控制及信號、進出水池水位信號等；并在主副廠房的關(guān)鍵位置裝設(shè)了視頻系統(tǒng)，泵站中控室中設(shè)置了視頻工作站。泵站中控室工作站上展示的所有參數(shù)信息、視頻信號均可通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至總調(diào)度中心。

為了實現(xiàn)機組流程化開機運行，分別在水泵出水側(cè)法蘭上和液控蝶閥后出水電動閥前安裝了壓力變送器，以便時刻監(jiān)控輸水管道壓力變化情況，為自動化控制提供有利的判斷依據(jù)。實現(xiàn)系統(tǒng)“集中監(jiān)控、管理，數(shù)據(jù)共享”，滿足泵站、自動化控制的要求，達到系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)，控制到位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時上傳至調(diào)度中心。該工程自動化系統(tǒng)分三個層級管理：

第一層，調(diào)度級：實現(xiàn)系統(tǒng)遙控、遙測、遙信，遙調(diào)。按照整個工程所有泵站水位、渠道水位、泵站流量、揚程、級間分水情況和設(shè)備狀態(tài)，合理調(diào)配各泵站的運行機組，使整個沿線流量平衡，泵站級間匹配，有效提高輸水效率、灌溉效率和水資源利用率。

第二層，站控級：接收調(diào)度中心層的指令，控制站內(nèi)各泵運行，使泵站優(yōu)化經(jīng)濟運行。具有對管轄范圍內(nèi)設(shè)備遠程監(jiān)測、視頻、信息監(jiān)測與管理等功能。

第三層，現(xiàn)地級：泵站現(xiàn)地設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)視等功能。

2 不同機組的開停機流程

2.1 初充水控制流程（見圖2）

初充水流程是專門用于空管道第一次開機，為了有效回避高揚程、長管道（6.2 km），造成電動機過載帶來的不利影響，設(shè)置沖水流程。沖水流程只選擇啟動2#、4#變頻機組，因此此流程僅布置與2#、4#機組中。在啟動本程序時，程序會自動檢測以下條件是否具備：（1）前池水位高于最低水位；（2）電動機保護裝置無故障；（3）進水電動閥無故障且全開；（4）出水電動閥無故障且全關(guān)；（5）液控蝶閥無故障全開到位；（6）液控蝶閥處于遠方位置；（7）電動機開關(guān)柜小車處于工作位置。以上條件為“與”關(guān)系，缺一不可。條件不具備時，點擊控制界面啟動按鈕時，將會彈窗提示。當(dāng)條件全部具備時，點擊啟動按鈕，機組PLC將會自行執(zhí)行流程開機程序。

圖2 初充水控制流程

機組PLC自動檢測開機條件全部具備后，開始投入輔機系統(tǒng)，包含啟動稀油站、啟動冷卻水泵、啟動密封水泵并檢測壓力正常等，檢測所有輔機系統(tǒng)投入成功，然后合電動機開關(guān)柜斷路器并檢測合閘成功，執(zhí)行變頻開機，先后合變頻器電源側(cè)接觸器和負(fù)荷側(cè)接觸器并檢測合閘成功，將初始頻率設(shè)置為31 Hz，啟動變頻器，開出水電動閥至30%，延時15 s后開始檢測液控蝶閥后壓力，當(dāng)達到凈揚程的10%時，增加變頻器的頻率至35 Hz。后每當(dāng)液控蝶閥后壓力增加凈揚程的10%時，便增加2 Hz的頻率，直至閥后壓力達到50%的凈揚程時，開出水液控閥閥至100%并檢測到位，頻率增加至41 Hz，充水程序退出轉(zhuǎn)入正常運行模式。其中，當(dāng)閥后壓力達到30%凈揚程時，需將出水側(cè)電動閥開至50%，并延時15 s后再開始檢測閥后壓力與凈揚程的關(guān)系。

在智能控制設(shè)計之初，我們考慮使用液控蝶閥進行壓閥充水作業(yè)，但是由于液控蝶閥的中?？刂茰?zhǔn)確性有限，且壓閥作業(yè)充水時，液控蝶閥的閉鎖將被關(guān)閉，使液控蝶閥防水錘功能失效，對泵站運行帶來安全隱患，因此改為使用出水電動閥進行充水作業(yè)，并在此程序中增加兩個延時15 s。其作用是為了確保電動閥可以開閥至固定位置后，再執(zhí)行下一步程序。第一個延時還可以避免水泵開始運行，但電動閥開閥時間較長，造成憋壓使液控蝶閥后壓力瞬間上升，引起PLC誤判，直接跳至后續(xù)程序或直接退出初充水程序，造成初充水失敗。

2.2 變頻機組正常開機流程

在泵站壓力管道中有水，須增加機組提升流量時，變頻機組開機使用正常開機流程，此流程需要具備的開機條件如表1所示。

表1 變頻機組正常開機條件

表1中有三組開機條件分別為通用開機條件、變頻開機條件、旁路開機條件。當(dāng)使用變頻開機時，機組應(yīng)具備的開機條件為“通用開機條件+變頻開機條件”；當(dāng)變頻器有故障或處于檢修狀態(tài)時，便使用旁路開機，此時機組應(yīng)具備的開機條件為“通用開機條件+旁路開機條件”。

當(dāng)開機條件具備時，控制人員可以在遠端命令PLC執(zhí)行選中的流程開機（變頻開機/旁路開機），PLC在接受命令后將嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)置好的開機程序進行自動開機操作，具體流程見圖3，該流程中的水泵出口壓力滿足條件是指：水泵出水側(cè)壓力達到液控蝶閥后壓力的95%時，開啟液控蝶閥，避免發(fā)生壓力管道中的水倒流。

異步機組、同步機組流程開機程序與變頻機組旁路開機流程相近，異步機組開機流程取消了旁路開機中的變頻器部分，而同步機組則在取消變頻器部分的基礎(chǔ)上增加勵磁的投入控制，并且在通用開機條件中增加勵磁的準(zhǔn)備工作。因此異步機組、同步機組流程開機的程序。

圖3 變頻機組正常開機流程

2.3 變頻機組停機流程

泵站完成供水任務(wù)后，各機組需要由運行狀態(tài)變?yōu)橥C狀態(tài)，此過程需要執(zhí)行停機流程，在開啟此程序前機組應(yīng)具備如表2所示條件。

表2 變頻機組停機條件

表2中有三組停機條件分別為通用停機條件、變頻停機條件、旁路停機條件。當(dāng)機組通過變頻器運行時，停機時機組應(yīng)具備的停機條件為“通用停機條件+變頻停機條件”；當(dāng)機組通過旁路柜運行時，便使用旁路停機程序，此時機組應(yīng)具備的停機條件為“通用停機條件+旁路停機條件”。當(dāng)停機時，只需監(jiān)控人員通過控制上位機發(fā)出停機指令，PLC將會自動判斷機組所處的運行狀態(tài)，及相應(yīng)的停機條件，自動選擇執(zhí)行“變頻停機/旁路停機”。異步變頻機組停機流程見圖4。

圖4 異步變頻機組停機流程

2.4 其余機組停機流程

異步工頻機組自動停機流程如圖5所示，停機程序的順利執(zhí)行，需要具備表2中“通用停機條件”，操作過程和變頻機組相同。而同步工頻機組的停機流程則是在異步工頻停機流程中的“電動機斷路器分閘成功”后增加了分勵磁主控開關(guān)。

圖5 異步工頻機組停機流程

3 優(yōu)缺點分析

3.1 優(yōu)點

各泵站PLC中預(yù)設(shè)了相應(yīng)的開停機流程，并通過專線光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC與調(diào)度中心工作站的通信，便可實現(xiàn)遠程控制。調(diào)度中心的遠程控制，可以實現(xiàn)對全線泵站執(zhí)行流程化啟?？刂?，同時也可以根據(jù)需要執(zhí)行單個泵站機組的流程化啟停控制。這種方式可以在滿足系統(tǒng)輸水量的前提下，保證整個工程安全穩(wěn)定運行、減少系統(tǒng)棄水、降低系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)流量平衡和聯(lián)合調(diào)度。改變了原始的逐級電話調(diào)度的操作方式，提高了調(diào)度效率。在揚水工程運行時，運行管理人員可以不用去泵站現(xiàn)場，即可遠程實現(xiàn)泵站機組的開停機運行，大大減少了運行人力資源投入，節(jié)約了成本，為實現(xiàn)泵站的“無人值班，少人值守”提供有力的技術(shù)保障，初步實現(xiàn)智能管理。

3.2 注意問題

遠程的調(diào)度控制也存在著很多的不穩(wěn)定因素。將運行模式由現(xiàn)在的現(xiàn)地運行，轉(zhuǎn)為今后的調(diào)度運行集中控制，便對泵站中的設(shè)備設(shè)施檢修和維護提出了更高的要求。檢維修隊伍必須熟悉泵站中的所有設(shè)備，在檢修過程中，可以排查出所有的設(shè)備暗病以及運行風(fēng)險，將設(shè)備調(diào)至最優(yōu)工況。這種調(diào)度集中控制還應(yīng)加強網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護，做好備選網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，避免因為光纖等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的中斷，造成泵站運行的失控，應(yīng)時刻做好網(wǎng)絡(luò)搶修的準(zhǔn)備。在機組PLC中，每臺機組監(jiān)測的數(shù)據(jù)多達26個，這些參數(shù)有些在設(shè)計規(guī)程里有保護報警值，有些卻沒有，為了避免機組的跳閘的誤動作，將輔機系統(tǒng)、電機繞組溫度、軸承溫度等均不作為機組跳閘的條件，僅作為各類報警，以提醒監(jiān)控人員引起重視。

4 結(jié)語

自動化控制是當(dāng)今世界和社會發(fā)展的大趨勢，自動化控制的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)地操作方式，提高了運行的安全性，減少了人力資源的投入，但是對日常的運行維護提出了更高的要求，需要專業(yè)技術(shù)能力強、經(jīng)驗豐富的人來做好設(shè)備的檢維修工作，確保各設(shè)備均處于優(yōu)良狀態(tài)。但僅僅將泵站控制集中在調(diào)度還是不夠的，還應(yīng)引入“模糊控制+PID控制變頻器的機制”才能使梯級泵站獨立于輸水系統(tǒng)運行，實現(xiàn)真正的泵站智能控制，達到“無人值班，少人值守”的目的。