一體化技術(shù)在中小型泵站中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

劉華平　馬衣峰　孫丹丹　王　剛

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一體化技術(shù)在中小型泵站中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

劉華平1馬衣峰2孫丹丹1王剛1

根據(jù)我國水利灌排、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、城市防洪及水處理的發(fā)展需要，針對目前大多數(shù)中小型泵站存在的設(shè)備老化、自動化程度低、信息化不配套和運行管理不科學等問題，提出了泵站一體化控制技術(shù)。

一、中小型泵站的現(xiàn)狀及發(fā)展

中小型泵站作為水利設(shè)施的重要組成部分，它承擔著區(qū)域性防洪除澇、抗旱減災(zāi)、調(diào)水和供水的重任。目前絕大部分中小型泵站建設(shè)于20世紀60、70年代，經(jīng)過30～40年的運行，超期服役，運行效率下降，再加上運行管理及設(shè)備控制自動化水平低下，以致經(jīng)濟和社會效益不明顯，嚴重制約了當?shù)貒窠?jīng)濟的發(fā)展。

中小型泵站在電氣信息方面的常規(guī)設(shè)計方法是：配置配電柜、動力箱、電容補償柜、LCU單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、站級計算機工作站及數(shù)據(jù)服務(wù)器等。在新形勢下的水利現(xiàn)代化建設(shè)要求，需要提高水利技術(shù)裝備水平、提高水資源調(diào)控、水利管理和工程運行的信息化水平。穩(wěn)步快捷實現(xiàn)信息化、數(shù)字化和智能化。

實現(xiàn)信息化，就是通過各種信息采集技術(shù)和手段，全面或較為全面地獲取灌區(qū)內(nèi)的雨情、水情、工情、墑情等信息，并通過通信鏈路和計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸給需要這些數(shù)據(jù)的職能部門和管理人員，借助必要的軟件，使這些部門和人員能夠瀏覽、查詢所需要的信息，并可以統(tǒng)計、匯總，形成報表等，以此作為灌區(qū)建設(shè)和管理的依據(jù)或參考。

實現(xiàn)數(shù)字化，就是系統(tǒng)地融合水、肥、作物等學科及專家的知識，在信息化的基礎(chǔ)上，針對灌區(qū)各種作物，以及具體的土壤、氣候等條件，建立科學合理、精準的供水（供肥等）過程模型（節(jié)水并在邊界條件約束下達到最優(yōu)化）。該模型應(yīng)能夠根據(jù)供水過程中發(fā)生的情況變遷，以參數(shù)變化的形式對模型作隨機調(diào)整并運用，以此指導灌區(qū)灌溉（還有生活、工業(yè)、防洪等）水資源的調(diào)配。

實現(xiàn)智能化，就是根據(jù)信息化所獲得的各種數(shù)據(jù)作為參數(shù)去選擇匹配的模型，通過編制的軟件由計算機及各種控制設(shè)備和設(shè)施自動執(zhí)行模型，從而控制供水（供肥）建筑物、設(shè)備、設(shè)施的運行，實現(xiàn)供水、供肥過程自動化和智能化。

二、一體化技術(shù)簡介

所謂“一體化”技術(shù)，是指多個原來相互獨立的主權(quán)實體通過某種方式逐步在同一體系下彼此包容、相互合作，結(jié)合成為一個單一實體的過程。且在機電一體化的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合信息技術(shù)，乃至結(jié)合到作為安裝體的土建單元上，以實現(xiàn)機、電、信息一體化，逐步完成灌區(qū)建設(shè)從“工程化”到“工業(yè)化”直至“現(xiàn)代化”的發(fā)展過程。

中小型泵站一體化控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、集成度高、功能全、技術(shù)先進、抗干擾性強和操控簡單等特點。針對中小型泵站的一體化控制，如果從泵站整個系統(tǒng)的觀點出發(fā)將電氣控制、微機保護、計算機監(jiān)控、視頻監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通訊等在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上有機地加以合成，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的基礎(chǔ)上使整個泵站控制系統(tǒng)達到最優(yōu)化的系統(tǒng)工程控制技術(shù)稱之為中小型泵站的一體化控制技術(shù)。

中小型一體化泵站由井筒、格柵、水泵、管道、閥門、傳感器、控制系統(tǒng)和通風系統(tǒng)等部件組成，全部在工廠預制完成，并組裝好整體運送至現(xiàn)場吊裝。中小型一體化泵站可采用遠程控制，不需要配備現(xiàn)場值班人員，維護人員可隨時通過手機短信或互聯(lián)網(wǎng)了解泵站的運行參數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上隨時對泵站的運行參數(shù)進行修改，實現(xiàn)了真正的無人值守，大大減少了運行維護成本，也保證了泵站管理人員的安全。

三、一體化控制技術(shù)特點

泵站電氣信息化自控裝置，采用一體化的設(shè)計理念，高度集成了泵站電氣主回路及二次回路、軟啟/軟?？刂啤⒆冾l控制、主設(shè)備控制與保護、泵站各種運行參數(shù)檢測、輔助設(shè)備的控制及保護、人機界面操作、各種泵站運行參數(shù)信息的采集與處理、遠程指令的接受及執(zhí)行、視頻監(jiān)視、安全防盜報警和無功功率因素補償?shù)取?/p>

其主要特點有：一是多項微機控制技術(shù)的應(yīng)用，測量、保護和控制功能全面，自動化及信息化程度高，標準化的通訊協(xié)議，提供多種通信接口；二是多項技術(shù)的集合，電氣控制、智能保護、軟起動/軟停機（變頻）控制、過程自動化控制及信息化管理，視頻監(jiān)視、安全防盜報警和無功功率補償?shù)?；三是操控簡單，普遍采用一鍵式操作，個性化的人機界面直觀、簡單、方便。

從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械動力技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標優(yōu)化組織，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

一體化控制裝置集成了軟啟動控制，實現(xiàn)主機的軟啟、軟?？刂?，它不僅能實現(xiàn)主機的平滑起動，避免啟動電流過大對電網(wǎng)的沖擊及急速啟動對設(shè)備的沖擊，同時也避免了水泵在快速停車時的水錘效應(yīng)，功率模塊選擇在線運行方時，可實現(xiàn)輕載節(jié)能。如果要求恒壓供水或水渠恒水位供水，對輸出水流量控制可選用變頻功能模塊，通過設(shè)置合適的管道壓力或水渠水位，自動調(diào)節(jié)水泵出水量，達到節(jié)水節(jié)能的功能。

過程自動化測控及信息化管理模塊，是由若干個智能RTU、工業(yè)液晶平板計算機、信號處理及隔離裝置等組成的一個過程計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了友好的人機界面，觸控屏顯示更直觀，操作更簡便，主要顯示泵站的運行數(shù)據(jù)，自動統(tǒng)計主要設(shè)備的運行時間、運行效率、動作次數(shù)、事故和故障次數(shù)等數(shù)據(jù)，方便操作人員隨時了解泵機組的運行狀況。

考慮到建設(shè)和運營成本，小型泵站特別是農(nóng)村小型泵站（單機功率小于50kW），一般不設(shè)獨立配電容補償柜，但沒有電容補償會影響電網(wǎng)的質(zhì)量和用電效率，因此在整個裝置上增選無功功率因素補償功能模塊作為選擇。

四、泵站一體化控制的發(fā)展趨勢

泵站一體化控制技術(shù)是集機械、電子、控制、計算機、信息、通信等多學科的交叉綜合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步?？v觀國內(nèi)外各行業(yè)一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，中小泵站一體化控制將朝著模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、數(shù)字化等方向發(fā)展。

所謂模塊化，是不同泵型、不同用途甚至不同建設(shè)時期的中小型泵站的控制要求并不相同，這就要求將泵站電氣自動化控制、信息化管理所涉及的功能設(shè)計成不同模塊，使得泵站一體化控制設(shè)備根據(jù)功能的不同自由實現(xiàn)模塊組合，以滿足設(shè)計要求。這樣做的目的不僅能做提高設(shè)備生產(chǎn)制造效率，縮短泵站的建設(shè)周期，而且能根據(jù)建設(shè)要求的提升對控制設(shè)備進行模塊化升級。

所謂智能化，是21世紀技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向，日益得到重視。智能化是指產(chǎn)品自己會思考，會做出正確判斷并執(zhí)行任務(wù)。泵站的信息化并不是簡單的信息采集和堆砌，而是以信息資源為基礎(chǔ)，通過采集、整理、分析和量化各種指標作為決策依據(jù)，自動化控制技術(shù)為手段，模擬人類智能，使泵站系統(tǒng)自身具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，實現(xiàn)在無人值守的情況下泵站自動優(yōu)化運行。

所謂網(wǎng)絡(luò)化，就是在長距離無線通信（GPRS/CDMA/3G）和近距離無線通信（ZigBee/BlueTooth/）相結(jié)合中，使信息采集呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化趨勢，采集的范圍更廣；而電子產(chǎn)品制造工藝的提升以及物聯(lián)網(wǎng)的普及，促使設(shè)備成本下降，這使得信息采集與控制的網(wǎng)絡(luò)化成為可能。因此一體化控制設(shè)備必然朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

所謂節(jié)能化，是泵站高效運行。以前建設(shè)的泵站控制只是追求滿足功能就行，卻往往忽視泵站的運行效率。近年現(xiàn)場測得的中小型泵站的效率一般為30%～40%表明泵站效率低，運行費用高，能源浪費大。泵站一體化控制技術(shù)采用軟啟動或變頻調(diào)速技術(shù)，帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

所謂數(shù)字化，是在控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展起來的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計與應(yīng)用鋪平了道路，如虛擬設(shè)計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。

中小泵站的最終發(fā)展趨勢，以目前形式看，國家正在計劃進行中小型泵站改造與建設(shè)，中小型泵站自動化與信息化建設(shè)也面臨最好的機遇。中小型泵站不可能照搬大型泵站的建設(shè)模式，必須按照自身的特點與要求來規(guī)劃與建設(shè)。一體式泵站在國內(nèi)近幾年推廣過程中，雖有較多成功例子，但是目前尚無相關(guān)專門的規(guī)范、規(guī)程指導一體化泵站的設(shè)計、生產(chǎn)、產(chǎn)品檢測等，目前產(chǎn)品的選擇和定型靠設(shè)計方與廠家協(xié)調(diào)確定，實施過程復雜，難免反復，產(chǎn)品生產(chǎn)過程沒有相關(guān)的規(guī)范及要求檢測產(chǎn)品是否達標，后期安裝及調(diào)試也沒有相應(yīng)規(guī)范指導。為了進一步推廣一體化泵站的應(yīng)用，需出臺相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程，有效規(guī)范一體化泵站的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝及后期運行等環(huán)節(jié)的工作■

（作者單位：1.徐州市水利建筑設(shè)計研究院2210002.徐州市豐縣水利局221000）