基于智能控制器的泵站自动化系统研究

吴 健，韦 东

(1.福建省水利水电勘测设计研究院，福州 350001;2.南京钛能电气有限公司，南京 211800)

1 概 述

我国目前共有泵站424451座，其中装机流量不小于1m3/s或装机功率不小于50kW以上泵站89063座［1］。自20世纪90年代，随着计算机技术逐步成熟，泵站自动化技术获得了一定的发展［2］。

泵站自动化系统，在结构上经历了以工业控制计算机 (Industrial Personal Computer，IPC)为基础的集中式数据采集和监控系统、以可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)为基础的分布式计算机监控系统，到基于Internet网络实现泵站的监控和管理［3］。也有的国内企业以自主研发的综合测控装置为基础，还有以集散控制系统 (Distributed Control Systems，DCS)为基础的自控解决方案［4］。总体来讲，目前大多数泵站自动化系统的核心为PLC［3］［5］［6］［7］［8］。

PLC具有配置灵活、可靠性高、能适应各种运行环境的优点，相对也有开放性差的缺点。对于数量庞大的中小型泵站，采用PLC为核心构成自动化系统成本偏高。一些小型泵站从成本考虑不设计自动化系统，若采用信息化，需增加远动设备，施工繁琐，功能不完备。目前实际应用中的泵站自动化系统也存在一些问题和不足，如片面追求个别指标的先进性，系统整体适用性差［4］。一些泵站的自动化系统在功能设计上，仅仅把泵组的开停机操作理解为泵站自动化，用大量的配置将泵站的柜前操作移至计算机屏幕前的鼠标操作，而往往忽视与生产管理、经济运行、安全管理等相关的泵站自动化系统的核心需求［2］。泵站运行维护人员的技术力量严重不足，设备维护跟不上［6］，自动化系统大多在运行一段时间后处于瘫痪状态。而且，受计算机水平的限制，运行人员面对鼠标键盘有一种对高科技的畏惧感，使得系统的许多功能无法充分发挥。

本文提出了一种基于智能控制器的泵站运行管理环境自动化系统模式，系统采用常规的人机界面，可实现简易操作。在实现泵站自动化、信息化建设的同时，还可解决泵站无人值班时的设备安全问题。

2 泵站自动化系统功能要求

泵站自动化系统在设计上首先要满足实用性、可靠性的需求。其基本功能应包含数据采集与处理、继电保护、泵组控制、闸门控制、自动调节和视频安全预防。在满足基本功能的基础上，根据泵站具体情况，可增加设备管理、报表、远程管理等功能。

3 基于智能控制器的泵站自动化系统解决方案

鉴于前文所述的现行泵站自动化系统面临的主要问题，本文提出的泵站自动化系统以智能控制器为核心，可完成泵站的电气量采集、水位采集、报警、一键开机、一键停机、自动开机、自动停机、基于Internet的远程管理、基于短信的远程管理功能等。泵站自动化系统的操作采用与常规控制系统相同的按钮，泵站原有操作人员完全可以完成高度智能化的泵站智能系统的操作。

3.1 系统构成

自动化系统的控制器与常规电气柜融为一体，不需设置单独的自动化控制柜，节省占地和接线。系统以控制器为核心，设计了进线柜、泵控制柜、无功补偿柜、站用配电柜、安全预防系统等，组成了完善的泵站智能系统。其中，进线启动柜完成总进线电源接入、进线继电保护、泵站智能控制、泵站信息采集与对外数据交互、无功补偿控制、运行状态及参数指示等功能;泵控制柜完成泵就地自动/手动启停、电动机的继电保护、运行状态及参数指示等功能;站用配电柜完成泵站的配电功能;安全预防系统完成泵站的安全预防功能。

图1为一个具有2条进线、6台水泵的泵站自动化系统构成图。

3.2 站级智能控制器

安装于进线柜的泵站智能控制器完成全站的智能控制、无功补偿控制、全站的信息采集以及对进线的继电保护功能，并负责与通信工作站完成相关信息的交互功能，是智能控制系统的核心。

泵站智能控制器设有三种泵开机方式:一键开机、水位自动开机、远方遥控开机。一键开机功能基于水利系统传统的运行习惯而设计，方便维护人员现场操作，简单易用。水位自动开机功能，使得泵站即使在无人值班的情况下，也能自动根据水位情况进行泵开机操作。不同水位高程需启动的泵组可以通过出口编程来整定，通过灵活的设计最大程度满足用户现场的实际需求。远方遥控开机指主站对泵站智能控制器发出遥控开机的命令，便于用户远程控制泵的运行;泵站智能控制器定时将泵站运行的实时信息及报警信息送入主站，便于用户及时掌握现场运行情况。

装置在开机过程中，进行控制进水闸门打开、进水闸门全开判别、控制出水闸门打开、出水闸门全开判别、控制泵开机等操作。开机过程中如果闸门操作失败，装置发出告警信号，报出“闸门操作失败动作”的事件记录;闸门操作失败时，如果需要继续开机，必须将告警信号复归才能继续执行泵开机命令。开机总流程见图2。

图2 开机总流程

工作泵故障停车时能根据各备用泵的状态自动选择投入备用泵，降低故障造成的影响。备用泵开机流程见图3。

图3 备用泵启动流程

泵站智能控制器设有三种泵停机方式:一键停机、水位自动停机、远方遥控停机。泵停车命令发出后，对泵站智能控制器控制的所有的泵发出停车命令。

如果“出水闸门关闭控制”控制字投入，在停泵之后会完成关出水闸门的操作。在关出水闸门时间内，如果出水闸门全关，则关出水闸门控制完成，否则装置告警，同时报出“闸门操作失败动作”。如果“出水闸门关闭控制”控制字退出，则不进行相关操作。

如果“进水闸门关闭控制”控制字投入，在停泵之后会完成关进水闸门的操作。在关进水闸门时间内，如果进水闸门全关，则关进水闸门控制完成，否则装置告警，同时报出“闸门操作失败动作”。如果“进水闸门关闭控制”控制字退出，则不进行相关操作。图4为关机总流程。

图4 全停流程

控制器可根据无功功率值自动启动或退出电容器组。可设定为顺序投切方式和循环投切方式。循环投切方式是优化的切换方式，尽可能使每个电容器都得到相同的使用机会。

3.3 泵智能保护控制器

安装于泵控制柜的泵机组智能保护控制器完成泵的就地自动控制以及电动机的继电保护功能，是智能控制系统的执行单元。

装置在自动状态下，接受就地开机和主站遥控开机命令;在备用状态下，仅接受主站备用开机命令。装置在开机过程中，顺序进行判断开机条件、完成闸阀控制 (可投退)、判断闸阀位置 (可投退)、完成降压启动 (以变压器降压启动为例)、实现全压运行等操作。在开机过程中，如果开机受阻，装置发出告警信号，同时发出全停命令。

可以通过就地停车和主站遥控停车两种方式完成人为停机操作。在开机过程中出现泵故障信号，也会进行停机操作。保护动作时，发出停车命令，不会进行关闸阀操作，如果需要在保护动作停车的同时关闸阀，可以通过出口编程实现。

3.4 系统特点

泵站智能控制器与泵机组保护控制器之间采用串行通信，泵站智能控制器作为主站，最多连接16台泵机组保护控制器，完成泵组的一键开机、水位开机、远方开机等功能。

泵站智能系统采用了基于系统参数整合的泵站专家控制系统技术。泵站专家控制系统技术根据环境变量、泵机组运行状态、泵效率参数等信息，优化了泵组投退组合与无功补偿等，节能降耗，延长了设备寿命，提高了泵站运行可靠性和经济性。

泵站智能系统采用了基于泵站场景特殊事件智能机器识别的泵站安全预防技术。机器视觉系统智能识别泵站场景，并对出现的特殊情况进行判断。在开机前自动检测安全管理区域并自动判别区域内的安全，当出现非安全状态时，自动闭锁泵组启动并预警，保证人员生命安全。在无人值班期间，能够自动判别区域安全状态，实现泵站的防盗、防破坏，减少财产损失，降低社会成本。

泵站自动化系统的操作采用与常规控制系统相同的按钮，泵站原有操作人员完全可以完成高度智能化的泵站智能系统的操作。

泵站智能系统采用了基于实时嵌入式平台的泵站热点数据无线定制点播和推送技术。系统采用控制器的实时嵌入式平台，将站内通信网络接入专用或公共信息网，各级管理和运行维护人员可以通过移动终端对泵站热点数据进行定制和点播，实现与智能泵站的交互管理;同时系统支持未来水利信息化等云计算系统，提高了管理效率和水平，降低了差错率，节约了管理成本。

4 实例分析

基于智能控制器的泵站自动化系统已于2011年3月在湖北省浠水县袁湖泵站成功投运。泵站2台800kV·A主变分别接至两段0.4kV母线，每段母线接2台250kW电动机泵组。

系统除具有保护、控制功能外，还可根据无功功率进行电容器自动投切。系统具有信息化接口，可通过3G网络传输站内运行参数和安防画面。PAS651泵站智能控制器可实现水位采集并根据水位自动开停机，系统操作界面简洁，原有运行人员经简单培训即可掌握系统的所有操作功能。

系统投运两年来，运行安全可靠，提高了泵站的运行管理水平。

［1］第一次全国水利普查公报［R］.2013.

［2］宋元胜，邓华，王根喜.泵站自动化典型设计［J］.中国水利，2007(1).

［3］周小庆，唐鸿儒.泵站自动化技术研究［J］.水利水电自动化，2003(4).

［4］刘茂祥，刘军伟.回归本质——泵站自动化的发展趋势［J］.水利科技与经济，2012(3).

［5］令狐金卿，李泽滔.泵站自动化技术探讨［J］.现代计算机，2011(3).

［6］谢波.我国泵站自动化设备运行现状及建议［J］.中国水能及电气化，2009(1).

［7］李良庚.小型泵站自动化系统的设计和应用［J］.水利水文自动化，2006(12).

［8］秦冲，邹晓勇.姚坊泵站自动化改造［J］.计算机应用，2008(6).