一體化控制裝置在中小型灌排泵站中的應用

史湘琨，宋成法，李端明

（1.中國灌溉排水發(fā)展中心，100054，北京；2.江蘇科工科技有限公司，211100，南京）

目前，我國中小型灌排泵站量大、面廣，是農業(yè)基礎設施的重要組成部分，對農業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、保障國家糧食安全等發(fā)揮著不可替代的作用。針對我國中小型泵站控制技術與設備落后的狀況，中國灌溉排水發(fā)展中心指導開發(fā)了中小型泵站一體化控制裝置（COCON-PU系列泵站電氣信息化自控裝置），并在江蘇、安徽等地中小型灌排泵站、節(jié)水灌溉工程中應用，取得了很好的經(jīng)濟與社會效益，為解決中小型泵站的控制問題提供了有效的解決方案。

一、一體化控制裝置結構及工作原理

一體化是指多個原來相互獨立的主權實體通過某種方式逐步結合成為一個單一實體的過程。一體化控制裝置主要由主控模塊、功率單元、工業(yè)平板計算機、遠程信息終端RTU模塊、視頻監(jiān)視模塊、安防報警模塊、無功功率補償模塊、GPRS模塊以及其他輔助設備組成。

①主控模塊負責發(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。②功率單元主要實現(xiàn)電機軟啟及軟停，主回路采用可控功率元器件，控制電機輸出端電壓，實現(xiàn)輕載節(jié)能；如需恒壓供水選變頻功率單元。③RTU模塊是裝置準確接收信息和發(fā)出指令的關鍵設備，要求有高可靠性及穩(wěn)定性，能實現(xiàn)電磁的隔離功能。④工業(yè)平板計算機是整個系統(tǒng)中人機對話的界面設備。美觀耐用，能清晰顯示各種運行數(shù)據(jù)，并能進行參數(shù)設定，同時配有部分現(xiàn)場儀表，方便操作人員直觀地查看運行數(shù)據(jù)。⑤控制單元實現(xiàn)泵站主輔機的集中、聯(lián)鎖啟停控制，電動閘、閥控制等。⑥裝置提供以太網(wǎng)、RS232、RS485等接口，實現(xiàn)與后臺控制中心組網(wǎng)。通過GPRS模塊提供數(shù)據(jù)遠程傳送，實現(xiàn)無線遠程監(jiān)控。

二、一體化控制裝置用途及使用范圍

一體化控制裝置可廣泛應用于中小型供水泵站、排澇泵站、灌溉泵站、排灌結合泵站、排污泵站和節(jié)水灌溉工程首部的電氣控制、自動化及信息化管理。

一體化控制裝置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。通過有線或無線的通信網(wǎng)絡將泵站信息傳輸?shù)焦芾碇行模瑢崿F(xiàn)多泵站群控，運行無人值守，大大降低了中小型泵站運行、維護費用，有效提高了泵站運行可靠性。

中小型泵站采用該裝置后，可有效地提高運行效率，節(jié)能節(jié)水，提高泵站的自動化控制及信息化管理水平。特別是根據(jù)用戶要求不同，可進行不同功能模塊的組合，通過增加模塊的方式進行功能擴展和提高，以實現(xiàn)從簡單到齊全、從基本到先進的提升。

此外，一體化控制裝置特別注重用戶操控簡易性和設備運行的可靠性，普遍采用一鍵式操作，對小型農用泵站還增設了故障運行功能，即在任何狀態(tài)下都確保設備能安全運行。

三、一體化控制裝置主要特點及優(yōu)勢

①高效節(jié)能，提高輕載時的功率因數(shù)。隨著電機負載率的變化，軟啟動自動調整電機的轉速，使電機運行功率因數(shù)相應提高，同時降低電機運行時的功率損耗。對經(jīng)常啟動且負載變化頻繁的電機，節(jié)能效果顯著。

②安全可靠，維護方便。該裝置嚴格按照國家相關標準設計，保證抗靜電干擾、電磁干擾及射頻干擾，可防塵、防潮。裝置大電流運行無觸點，采用可控功率單元無級調壓，消除了系統(tǒng)中接觸不良的影響，有效降低了主開關的損壞率，延長設備的使用壽命。同時，調壓范圍寬，過載能力強，軟啟動能有效降低啟動機械應力，減少對傳動元件的機械沖擊，在液流系統(tǒng)中能有效消除喘振或液擊問題，提高設備利用率。

③測量保護功能全面，自動化程度高。數(shù)據(jù)測量包括電動機的實時數(shù)據(jù)、水泵進出口水位、水泵軸溫、流量、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。保護功能包括：過載、轉子堵塞/制動、相不平衡或缺相、接觸器故障、低/過電壓、短路、啟動加速超時、接地/漏電、泵軸超溫、失流、電動閘閥故障等。

④防止啟動時對電網(wǎng)的沖擊。水泵電機實現(xiàn)真正的軟啟動，避免了電機啟動對電網(wǎng)的沖擊，裝置引入電機電流反饋，通過控制輸出電壓，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，直到啟動結束。整個啟動過程無沖擊電流，而且啟動初始上升電流的上升速率可調。

⑤標準化的通信協(xié)議，可提供無線遠程通信接口。隨著工農業(yè)自動化水平的不斷提高，不少泵站要求實現(xiàn)“無人值班”或“少人值守”，對新建或改造的泵站進行統(tǒng)一管理，以提高工作效率。裝置提供標準的計算機通信接口，有 TCP/IP、Modbus-RTU、Profibus-DP等多種協(xié)議可供選擇，可作為泵站自動化控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制單元，通過標準通信接口和協(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，同時接受主控層發(fā)出的各種控制命令。

⑥個性化人機界面，操作簡單方便。除配有簡單的啟?？刂瓢粹o外，裝置同時配置超大觸摸式液晶屏。液晶屏采用全面漢化的顯示，工作界面清晰簡單，易學易懂。人性化的菜單界面可方便地查閱運行數(shù)據(jù)或修改參數(shù)，為泵站的監(jiān)控處理過程提供更高精度的監(jiān)視和控制。

四、一體化控制裝置的應用

一體化控制裝置（泵站電氣信息化自控裝置）填補了國內中小型泵站一體化控制技術和設備的空白，獲得了多項國家專利和計算機軟件著作權，通過了水利部部級新產(chǎn)品鑒定，并取得了國家智能產(chǎn)品3C安全認證證書，被水利部列為全國重點推廣新技術產(chǎn)品。該裝置研發(fā)成功并投入實際應用，受到了全國各地水利系統(tǒng)領導和專家的一致認可，包括江蘇、安徽、江西和內蒙古在內的近300座中小型泵站共1 000多臺一體化自動監(jiān)控設備投入了實際應用。