泵站电气信息化自控装置的研制与分析

颜爱忠

摘 要：当前国家提出加快实施农村小型泵站更新改造，这是政府围绕“加强水利建设，服务‘三农发展”制定的一项利国利民的重要决策。本项目根据以上情况，结合农村小型泵站的特点，将工业泵类、风机类电机的软起软停及电机智能综合保护等技术进行结合，推出适用于各种泵站的软起保护一体化装置。

关键词：软启、保护一体化装置 创新点启停方式 社会效益 市场前景

引言

软启、保护一体化装置能够有效的解决泵站电动机起动时电流波动大、停机时“水锤”影响的难题，并能够对电机实现全面精确的保护以及防止人员触电事故的发生。同时具备远程控制、监测、调节以及抄表等功能接口，为将来实现无人泵站值守提供了基础条件。此外，考虑到农村泵站管理现场条件，该装置具有操作简单、免维护，紧急事故状态时备用启动运行功能。

一、软启、保护一体化装置研制的具体内容及创新点

1.1 硬件技术方案内容

本项目产品主要由：主控单元、软启动单元、触摸式人机界面、数据采集单元、控制单元、远程通讯接口以及其它辅助设备组成。

A、主控单元

负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分，具有高可靠性和稳定性。对于单柜式或组柜式主控单元采用进口工业控制计算机实现。该计算机配有10/100base-T以太网，intel ULV Celeron M 1GHz处理器，主控单元采用无风扇低功耗设计。壁挂式主控单元采用高性能微型计算机与软启动单元主控板集成在一体。

B、软启动单元

软启动部分采用三相反并联的可控硅功率单元作为主要执行元件，配合断路器、接触器构成整个装置的主回路。

断路器作为隔离开关方便产品的维护检修，同时能够起到短路保护作用。在电机启动过程中数字化控制板的移相触发电路控制三相反并联的可控硅模块通断改变电机的平均端电压，以实现电机的软启及软停。接触器起旁路作用，电机启动结束后如满载运行时，旁路接触器吸合，短路功率单元，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率。

数字化控制板是软启动的核心部分，它集中了电信号的滤波、放大、采集，开关量、模拟量输入输出转换，人机接口，现场总线接口，中央计算机单元，存贮单元以及移相触发电路等若干部分。

C、触摸式人机界面

触摸式人机界面是整个系统中人机对话的界面设备。美观、耐用、能清晰显示各种运行，并能进行参数设定。同时配有部分现场仪表，方便操作人员直观的查看运行数据。

D、控制单元

泵机的起停控制、真空泵的开启控制、阀门的开启控制。装置對可控制部分均提供提供自动、半自动、手动控制，现场、远程控制方式供选择。泵、阀电机必须配备适当的过流、过压、欠压保护，断电泵阀电机安全恢复启动功能，实现手动控制和自动的无扰动切换。

E、数据采集单元

该部分是装置正确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可靠性、稳定性，能实现电磁的隔离功能。数据采集与检测数据主要分为两类：一是模拟量数据和数字量数据。

模拟量检测的数据主要有：电动机的实时数据、水泵进出口水位、水泵轴温、流量等。部分数据检测需外接传感器（输出4-20MA）。

数字量检测的数据主要有：控制柜电源状态、电机运行状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力等。

数据采集主要由装置的微机控制中心实现，电动机运行的三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电度、频率等参数必须做到实时精确的检测，采用交流采样技术，在一个交流周波周期内至少要采样32个有效数据，并对这些数据进行实时处理，在数据库内复原交流曲线。水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵。电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。数字量输入模块将各种开关量信号采集到微机控制中心作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

1.2 软件技术方案内容

A、软启、软停以及轻载节能的控制策略和控制算法。

启动过程应考虑快速性和电流过载能力。所以启动时采用电压斜波和限流相结合的启动方案。对于电压斜波启动，软件控制移相触发器使得晶闸管的输出电压呈一定的斜率上升，从而起到软起的效果。限流软启动软启过程采用基于模糊控制算法的多点控制策略，控制算法的基本原理是根据电机电流偏差e（t）和其偏差变化率△e（t）进行运算得到控制电压Uk，通过移相触发器控制晶闸管输出电压实现软起动。

运行过程中随工况变化负载功率因数随之变化，采用功率因数角负反馈闭环调节进行节能控制。同时，考虑到突加负载情况，为防止突加负载引起停车现象发生，配置突增负载工况的诊断和非线性升压控制措施；在负载很轻或空载情况下，为减少电机拖动设备的无效行程，提高节电率。

B、电动机的实时数据采集。

电动机运行的三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电度、频率等参数必须做到实时精确的检测，采用交流采样技术，在一个交流周波周期内至少要采样32个有效数据，并对这些数据进行实时处理，在数据库内复原交流曲线。

C、电动机的保护控制算法。

在以上数据采集的基础上，进行全面的数据分析判断，并根据不同数据走向趋势作出不同的故障报警和跳闸命令，根据预置在计算机内的曲线、表格和计算公式进计算、对比查表等操作。

T：热容累计值

Ta：上周期热容量累计值

Iv：平均电流

Ie：额定电流

t△：时间

Ttr：过负荷曲线的理论跳闸值

1.3 产品结构设计方案

这里结构设计包括外观设计、内部构造设计、组装工艺设计、包装设计等。产品的结构设计始终兼顾外形美观、便于组装及现场安装方便等原则。

1.4 创新点及关键性技术

A.创新点

1、集成了泵站电气主回路及二次回路，软启、软停及节能控制，主设备保护，泵站各种运行参数检测，辅助设备的控制及保护，个性化人机界面的操作控制，各种泵站运行参数信息的储存及远传，远程指令的接受及控制。

2、将数字化电机的智能保护与电子软启动相互融合，研制同时能够实现电机软启与智能保护的一体化装置。采用微电子技术监测电动机运行动态，通过采集电机的各项运行参数，模拟电机的发热状况，对电机实现综合保护。

3、实现电机限流启动， 启动和停车过程中电压能够平滑上升或下降，减少了对电网冲击，防止了泵站停车时“水锤”的危害。监视电机的负载变化，轻载时控制电机的端电压以实现轻载节能。

B.关键性技术

1、软启、软停以及轻载节能的控制策略和控制算法、电机的实时数据采集及保护控制算法。

2、泵站电气信息化数据采集及上传。

3、泵站的自动化控制策略。

二、软起、保护一体化装置与传统保护及启停方式的技术比较

农村中小型泵站传统的控制方式大多采用全压、自耦降压或星-三角启动，采用熔丝或热继电器等传统保护方式。这些传统方式的优点是结构简单、价格低廉。在实际运用中，这些控制及保护方式，主要存在着以下问题：一是电机起动时启动电流较大，一般是电机额定电流6倍左右，在电机启动时影响同一供电线路上其它电气设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断，并且起动转矩基本固定不可调，对负载存在强大的机械冲击；二是热继电器及熔断器只能对电机过负荷进行简单保护，对相不平衡、缺相、漏电（触电）、接地、失流、欠过压等反应不灵敏，不能很好对电机实行保护，从而造成事故的隐患多；三是电机停机时为瞬间停电，造成剧烈的机械冲击，尤其是水泵突然停车，会发生“水锤”现象，对水泵甚至对泵站其他设备和建筑物有极大的破坏作用，影响了泵站安全运行；四是能耗较高，设备运营、维修费用较大。

本项目研制的软起、保护一体化装置与以上的传统方式比较具有以下技术优势。

①、电动机限流软起动，防止电流突然上升对电网的冲击。农村电网的特点是输电距离较远，线路损耗较大，泵站电机直接启动产生强大的启动电流会拉低电网电压，严重时会造成电力保护装置跳闸，使线路中断供电。由于软启动在启动过程中电机端电压始终可控，同时以电动机起动电流为设定值整定，在一体化装置的电路中引入电机电流反馈，通过控制电路慢慢增加输出电压，使电机电流以一定的斜率逐步上升到设定值，然后保持该电流恒定，直到起动结束。整个起动过程无冲击电流，而且起动初始的上升电流的上升速率可调。由于电机转矩与电压的平方成正比，缓慢上升的电压也保证了起动转矩缓慢上升，减小机械冲击。

②、电动机软停车，避免瞬间停电发生“水锤”危害的问题。应用本项目装置，停车时电流逐渐减小，使三相电源供给电机的电压从全电压（380V）逐渐降低，直至关断，电机的转速也逐渐变小直至停车（电压下降的速率可在一定范围内任意设定），此时水泵抽水量也逐渐减小，出水管口的拍门缓缓下落，直至完全闭合出水口，从而延长了停车时间而实现软停车，避免了普通配电控制系统中电机在快速停机时因机械负载造成的瞬间冲击力及“水锤”破坏力。根据水力学原理，当停车时间T>τ0 （τ0=2 L/ C）（τ0为水击波的相，L为水泵出水管长度，C为水击波在水中的传播速度）时，停车产生的水击就是间接水击，从而可大大地减小“水锤”的危害。

③、轻载节能，减少无功损耗提高轻载时的功率因数。普通配电系统控制交流异步电机运行时，不管负载轻重，其输入端始终施加额定电压，当电机负载很轻时，其输出的有功功率小，此时电机从电网输入的功率相当大的部分化为电机自身的损耗（铜耗与铁耗）。电机是电感性负载，输出有功功率小就造成电机的功率因数偏低，不能有效利用电网的输出容量。装置实时采集电机功率，功率较高时电机获得全电压，保证满载运行；在某一段时间内在电机运行功率较低时电机处于轻载运行，轻载时装置将自动进入节能状态，降低输出电压，使电机低于额定电压工作。这样就减小了电机的铜耗、铁耗等有功损耗，同时还降低了电机输入电流，抑制了无功分量，减少了无功损耗，功率因数得到提高，运行电流减小，达到节能目的。这对负载变化较大的电机，节能效果尤为明显。

④、电控装置无火花启闭，有效延长主控制设备的使用寿命。在电动机控制系统中，选用了本项目装置后，为了便于控制和应用，将它与交流接触器、断路器和控制电路组成一个较完整的电动机控制中心以实现电动机的软起动、软停车、故障跳闸、报警、自动控制等功能。装置功率单元两端并联接触器（KM）触头，当电动机软起动结束后，KM合上，运行电流通过KM送至电动机，若要电动机停车，一旦发出停车信号，电路先将KM分断，然后再由P装置对电动机进行软停车。由于KM通断时功率单元两端基本为等电位，且由于装置应用了功率单元，实现了无触点运行，消除了电火花，大大延长交流接触器KM的触头寿命，从而有效降低了接触器的损坏率。

⑤、实现对电机的综合保护，确保泵站稳定、可靠的运行。本项目产品不仅具有电机的软起、软停功能，同时综合了电机的各种保护功能。具体包括过载保护功、、转子堵塞/制动保护、相不平衡或缺相保护、接触器故障报警保护、低/过电压保护保护、短路保护保护、启动加速超时保护、接地/漏电保护、自身温度保护、水泵失流保护等

⑥、设有国际标准的计算机通讯接口。目前，随着工农业自动化水平的不断提供，不少泵站要求实现“无人值守”或“少人值守”，对新建或改造的泵站进行统一管理，以提供工作效率。在泵站自动化控制系统中，现场控制单元负责泵站的现场控制、电力参数及状态参量采集。本项目产品提供标准的计算机通讯接口，有Modbus-RTU、Profibus-DP等多种协议可供选择。产品可作为泵站自动化控制系统中的现场控制单元，通过标准通讯接口和协议上传自身采集的电流、电压、功率、电度等数据至主控层，同接受主控层下转的各种控制命令。可以利用3G手機或CDMA手机实现远程控制、监测、调节以及抄表等功能，为将来实现无人泵站值守提供了基础条件。

三、新产品经济、社会效益分析及市场前景预测

3.1 项目实施对地区发展的作用

近年来，国家提出加快实施农村小型泵站更新改造，这是政府围绕“加强水利建设，服务‘三农发展”制定的一项利国利民的重要决策。本项目研制的软启、保护一体化装置能够有效的解决泵站电机启动电流过大、剧烈的机械冲击、保护简单、能耗较高、运营维修费用大等缺点。确保了农村中小型泵站作为农村重要的基础设施，在抗旱排涝中发挥重要作用，为农业增效、农民增收、农村经济发展提供有力的支撑和保障。

3.2 应用前景与市场需求

如前所述，国家相关主管部门已经认识到当前农村泵站技术落后的特点，提出了加快实施农村小型泵站的改造。各地方水利部门也相继推出了小型泵站的改造计划。以江苏省为例，江苏省是农业水利大省。一个县区的辖区内平均拥有各类泵站不少于2000座。目前江苏全省有近70%以上的县市提出了农村小泵站的兴建和改造计划。据不完全统计，江苏及江苏周边地区（山东、安徽部分县市），最近几年内政府年采购小型泵站的电控设备将不低于5万台套/年，而且有逐年上升趋势。如果本项目产品能过被广泛应用，这样将超过5000万～1亿元的年产值。