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          泵站微機自動化控制的問題及解決方案

          * 來源 : * 作者 : admin * 發表時間 : 2016-06-15 * 瀏覽 : 26

            解臺泵站是南水北調東線第一期工程江蘇省境內第八級梯級抽水站,包括抽水站和節制閘,工程采用閘站合一的布置方式,其主要任務是擴大解臺站的輸水規模,溝通駱馬湖至南四湖的調水線路,實現向北調水的的目標。泵站設計流量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,節制閘設計流量500m3 /s,共3孔,單孔凈寬10m.采用110kV專用架空線路向泵站供電,設有110,10kV戶內變電所。

            解臺泵站設置一套微機綜合自動化監控系統,其系統為分層分布開放式結構,采用環形冗余光纖快速以太網拓撲結構。

            系統控制權分為遠方,控制室,現地三級,可以進行無擾動切換,控制權限越接近設備越高,各控制單元相互獨立運行。現地級與主控級采用具有冗余功能的環形光纖以太網實現數據通信,監控單元的交換機之間采用光纖設備連接成以太網,環網中任意一處節點線路故障時,網絡可以自動選擇另一方向實現通訊,網絡速率達100Mbps,信息傳輸速率和安全可靠性很高。其主要任務是完成現場數據的采集和處理,機組設備的控制調節,故障報警,歷史數據的存儲和查詢,泵站自動抽水控制及與上位機通訊,具體為實現泵站5臺同步電動機,泵站10孔快速閘門,節制閘3孔閘門,供排水系統,風機,葉片調節系統等輔機系統,10臺回轉式清污機,1臺皮帶輸送機,戶內變電所電氣設備以及直流屏,微機勵磁裝置,微機綜合保護裝置的自動監控,達到遠程監控,數據共享,圖像遠傳瀏覽的水平;同時,與南水北調東線第l期工程調度運行管理系統連接,實現遙測,遙信,遙控,遙調,遙視等功能,并與上級220kV潘家庵變電所進行電力通信,實現遠程調度功能。

            2存在問題探討

            2.1系統網絡安全問題

            大型泵站微機綜合自動化監控系統的網絡與普通的的計算機網絡有許多不同之處,它針對性強,對網絡的穩定性,可靠性和安全性要求高。解臺泵站監控系統目前的系統網絡結構如圖1所示,系統內通訊主機兼Web發布機,監控系統網絡與局域網直接相連,易受病毒感染或黑客攻擊,給監控系統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。鑒于該結構存在的欠缺,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服務器,監控系統的通信機與Web服務器通過硬件的物理防護方式增加網絡安全隔離裝置,如SysKeeper2000,在監控系統網絡和管理所局域網及將來的廣域網之間實現安全的數據傳輸。

            通過采用網絡隔離裝置,實現2個不同安全等級區之間的數據交換,既滿足泵站對Web瀏覽的需求,又能保證監控系統的安全性,極大地提高了整個系統的可靠性與穩定性。改進的系統網絡結構如圖2所示。

            2.2水泵裝置工況點動態調節問題

            (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幅度的區間內變化著。對水泵工況點進行適當的調節使之在選定的高效率區間運行,既可以提高裝置效率和功率因數,達到節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工作,動力機超載或負荷不足或發生汽蝕等。調節水泵工況點的方法主要有變角調節,變速調節及變徑調節,對于大型全調節型軸流泵或混流泵一般采用變角調節的方法來實現。因此,水泵裝置工況點是泵站考核的一個重要的經濟指標,同時調節水泵裝置工況點也是泵站實現經濟運行管理的一個重要舉措。

            (2)靜態調節。解臺泵站(其他大型泵站)目前主要采用靜態調節的方法。即技術人員根據上下游水位組合情況及調度指令,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,系統根據預輸入的葉角值進行自動調節。當運行工況發生變化時,重復以上步驟操作。

            這種調節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)時刻在發生著變化,為確保水泵裝置在高效區工作,這項工作是不可能也無法靠人工來完成的。這種所謂的自動調節實質上是與現場控制箱手動調節加以區分的,從嚴格意義上講,實際上是一種人工的手動調節,無真正應用價值。

            (3)動態自動跟蹤調節。采用微機監控系統動態跟蹤調節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已配置的葉角傳感器,將水泵裝置性能曲線及一套具有調節裝置工況點的功能程序輸入到監控主機內,監控系統實時采集和處理由傳感器上傳的泵站進出口水位及葉片角度的數據,根據存儲在監控主機內的裝置性能曲線,再執行功能程序進行分析計算和動態跟蹤調節,即當凈揚程減小時,將葉片安裝角調大,在保持較高效率情況下增大出水量,使動力機滿載運行;當凈揚程較大時,將葉片安裝角調小,適當較小出水量,使動力機不致過載運行。這種做法的優點是不需要添加任何硬件設備,關鍵就是功能軟件的開發。

            2.3工作閘門聯動控制問題

            解臺泵站主機開停機與工作閘門的聯動完全是通過微機監控系統來實現的,現以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場手動操作方式,也可以在上位機或在現地LCU觸摸屏操作,然后將功能開關旋至聯動位置,當合上主機斷路器時,監控主機通過與現場PLC建立通訊,按照預設定的程序自動發出程序指令,由現場PLC控制輸出驅動24V繼電器(1KA4),通過1KA4出口繼電器的觸點(微機啟門節點)接通電磁換向閥(YV13)的控制回路(見圖4),從而實現了工作門的開啟。停機時,高壓斷路器分斷,同樣也有監控主機向現場PLC發送程序指令去接通電磁換向閥(YV14)的控制回路,以達到關閉工作門的目的。從以上控制過程不難看出,主機開停機與工作門的聯動控制完全是依靠監控系統的通訊網絡來實現的,但一旦系統網絡通訊出現故障,閘門聯動控制將無法實現。當開機時,由于工作門不能聯動,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荷,輕則導致定子絕緣破壞,重則燒壞電機誘發火災事故;當停機時,機組極易出現飛逸轉速,嚴重影響機組壽命。

            鑒于存在以上缺陷,建議將主機高壓斷路器(3QF)的輔助觸點并聯接入電磁換向閥YV13,YV14的控制回路中,以便在系統通訊網絡出現故障時,為正常開停機或機組正常運行提供雙保險,具體做法是:在高壓開關柜面上增加一只LW2-16D/ 49.4021.3Y型轉換開關(QT),開關分三個位置即啟門位,斷開位及閉門位。

            2.4節制閘流量自動測算與調節問題

            泵站節制閘泄洪流量的測算統計是運行管理中的一項重要任務,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,過程復雜且準確度差。節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上級防汛部門下達的調度流量,根據上下游水位的組合情況,利用相應的開啟高度-過閘流量曲線而確定,而流量的統計計算主要是采用調度流量與開閘總時間的簡單乘積,使計算結果與實際值偏差很大。

            針對以上問題,筆者認為利用微機監控系統可以完成閘門流量的自動測算及閘門的動態調節任務。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制閘油缸內已配置的開度傳感器,將閘門開度-流量關系曲線,閘門開度-下游水位關系曲線,下游水位-允許過閘流量關系曲線及一套具有自動測算和調節的功能程序輸入到監控主機內,在原節制閘監控畫面的基礎上,利用Intouch軟件繪制恒流量運行,恒開度運行,調度流量,即時流量四個控鍵并組態好。測算及調節流程為:監控系統首先判斷閘門運行方式,當采用恒流量運行方式時,選擇控鍵,在調度流量控鍵內輸入流量值,系統根據監控系統實時采集和處理由傳感器上傳的節制閘上下游水位及閘門開度的數據及存儲在監控主機內的曲線,執行功能程序自動進行閘門的開度計算和動態跟蹤調節;當采用恒開度運行方式時,選擇恒開度運行控鍵,在調度流量控鍵內與輸入流量值,系統自動地進行開度計算并執行相應的控制流程,然后將累計流量存入主機數據庫并生成報表。恒流量運行方式泄洪流量的計算比較簡單,即泄洪流量等于調度流量與時間的乘積,但動態調節的流程比較復雜;恒開度運行方式控制比較簡單,即系統根據計算出來的開度值,將閘門提升到一定高度,但泄洪流量的統計計算十分繁瑣。

            2.5自動化控制設備的選用問題

            先進的微機自動化監控方式離不開可靠的自動控制設備,目前在南水北調大型泵站中,作為控制與保護的核心部件PLC可編程控制器及微機綜合保護器基本上都是選用了國外產品,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器,其優點是安全穩定性好,故障率低,日常維護量小,其缺點一是使用及技術說明書和人機交互界面均為英文,沒有很扎實的英語基礎,閱讀及使用起來相當困難,給日常的運行管理帶來諸多麻煩;其二是設備一旦發生物理性故障,其售后服務及更換或新購設備時間相對滯后,若出現在運行期內,則嚴重影響了泵站的正常開機。究其原因主要是目前國產設備可靠穩定性能遠不如國外產品,隨著國內生產技術的不斷發展成熟,在滿足安全可靠性的基礎上,我認為優先選用國內設備是自動化設備選用的一種必然趨勢。

            2.6監控系統實用性問題

            泵站微機綜合自動化系統的主要功能之一是實現站內主輔機設備及變電系統的自動控制,有很多泵站雖然上了計算機監控系統,但往往只發揮了數據監測的功能,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人員在計算機及自動控制方面具有較高的技術水平。但是他們對水泵機組的技術特性,經濟運行的基本知識,泵站技術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要求。

            要開發出實用性強,能切實滿足大型泵站運行管理實際需要的微機自動化監控系統,其一,設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理論,泵站的經濟運行,泵站運行管理等相關基本知識的學習;其二,運行管理單位要加強對運行管理人員在自動化基礎理論等方面的學習與培訓,開展崗位練兵,技術比武等活動,切實提高他們的業務技能。

            3建議

            (1)微機綜合自動化系統的設計在滿足安全可靠的基礎上,要緊緊圍繞泵站經濟運行這個中心任務,旨在提高泵站裝68南水北調解臺泵站微機綜合自動化應用若干問題探討孟廣清趙孟博置效率上開展設計工作,切實開發出適合泵站實際運行需要的微機監控系統。

            (2)對變配電設備控制流程的設計,在邏輯上要力求嚴密,在上位機監控畫面上要設置多層確認對話框,以免運行人員誤操作,預防事故發生。

            (3)自動化設計人員要加強對水泵及水泵站相關知識的學習,以適應泵站微機綜合自動化系統設計工作的需要。

            (4)泵站設計要充分考慮雷電對系統的危害,采取可靠的防雷措施。計算機監控系統除了自身的上位機及LCU設備外,還與現場許多傳感器,變送器及其他設備相連,由于計算機,通信等設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,輕者造成系統運行故障,重者造成設備永久性損壞。

            4結語

            本文僅對解臺泵站中目前普遍存在的問題進行了分析探討,但由于作者水平有限,認識,研究的深度和廣度還不夠,僅從理論的角度出發給出了相應的改進措施或基本思路,這與具體實踐應用可能還有一定差距。隨著科技的迅猛發展,一些智能化控制,保護設備在大型泵站中的廣泛應用,人們對微機綜合自動化控制技術的要求也越來越高,隨著機組的長時間投運,可能還會出現一些新問題,因此研發出運行方式更加經濟,控制方式更加先進,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不僅是當前大型泵站提升運行管理自動化水平的迫切需要,同時也是自動化設計人員當前所面臨的一項重大研究課題。

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