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某大型泵站自动控制系统的设计与研究 摘要 计算机监控系统和早期常规的自动化系统有着本质的不同，它具有响应速 度快、大容量信息存储和记忆、复杂运算和逻辑思维判断、管理能力丰富、组 网能力强等一系列优点。因此，采用计算机监控技术已经开始成为当前泵站自 动化的热门课题，国内外有了诸多的应用研究与实施案例。 为了顺应时代的要求和形势的发展，本论文所要研究设计的这套抽水泵站 ， 自动控制系统主要采用全计算机监控方式，按无人值班( 或少人值守) 运行方 式设计，整个系统采用开放式全分布结构，由泵站控制中心系统和现地控制单 元( l c u ) 组成，通过1 0 1 0 0 m 光纤以太网与省防汛广域网及相关站点连接， 实现与省水利厅监控网的数据共享；使用p l c 可编程序控制器取代传统的继电 保护控制，以满足目前臼益繁重的灌溉任务；通过对机组控制策略的研究，获取 最优机组控制策略，对提高泵站的稳定性和经济效益都具有重要的意义。 本论文研究的是一套全新理念的泵站计算机监控和保护系统，可实现远程 遥控开停机，大大提高泵站运行的安全可靠性。该系统建成以后在安徽省内泵 站中处于领先地位，成为安徽水利工程管理现代化的一个亮点。 关键词：泵站计算机监控系统 继电传护系统e c 2 0 0 0 可编程控制器 控制策略 d e s i g na n d r e s e a r c ho fal a r g ep u m p i n gs t a t i o na u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ef a s tr e s p o n s e ，h i g hc a p a c i t yi ni n f o r m a t i o ns t o r e ，c o m p l e xo p e r a t i o n a n dl o g i c a lj u d g m e n t ，e x c e l l e n tm a n n g e m e m a b i l i t ya n dp o w e r f u ln e t w o r k i n ga b i l i t y , c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi se s s e n t i a l l yd i f f e r e n tf r o mt h ee a r l ya u t o m a t i cs y s t e m t h e r e f o r e ，a d o p t i n gc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yb e c o m e so n eo ft h eh o tr e s e a r c h s u b j e c t si np u m p i n gs t a t i o na u t o m a t i o na n dt h e r ea l ev a r i o u sa p p l i e dr e s e a d c h c sa n d i m p l i e dc a s e si nc h i n aa n da b r o a d t os a t i s f yt h et i m e sd e m a n da n d d e v e l o p m e n to fs i t u a t i o n , t h ep a p e rd e a l sw i t h ap u m p i n gs t a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m , w h i c ha d o p t sc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dm sw i t h o u tp e o p l e ( o rw i t hf e wp e o p l e ) a d o p t so p e na n de n t i r e d i s t r i b u t e dp a t t e r n , i sc o m p o s e do fp u m p i n gs t a t i o nc o n t r o lc e n t e rs y s t e ma n dl o c a l c o n t r o lu n i t , c o n n e c t sw i t hp r o v i n c e sf l o o df i g h t i n gw i d ew e bo rr e l e v a n tw e bs i t e s t h r o u g hi o i o o mf i b e re t h e r n e ta n dr e a l i z e sd a t as h a r ew i t ht h ew e bo f d e p a r t m e n t o fw a t e rr e s o u r c e so fa n h u i p r o v i n c e t os a t i s f yh e a v i e ri r r i g a t i o nt a s k sf o rt h e d m eb e i n g , t h es y s t e ma d o p t sp l cp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rt ot a k ep l a c eo f t r a d i t i o n a lr e l a yp r o t e c t i o no f p o w e rs y s t e m b yr e s e a r c h i n go f c o n t r o ls t r a t e g yo f s e t , w ea c q u i r eo p t i m u ms e tc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v es t a b i l i t yo f p u m p i n gs t a t i o na n de c o n o m i cb e n e f i t i nt h i sp a p e r , a t t e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do na na l t o g e t h e rn e wc o m p u t e rc o n t r o l a n dp r o t e c t i o ns y s t e mo fp u m p i n gs t a t i o n , t h es y s t e mr e a l i z e st or e m o t cc o n t r o lo n s t a r t i n ga n ds t o p p i n gm a c h i n e s ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f p u m p i n gs t a t i o n a f t e rt h es y s t e mi sc o m p l e t e d ，i tw i l lb ea h e a di nt h ep u m p i n g s t a t i o n si na n h u ip r o v i n c ea n db e c o m eah i g hs p o ti n t h ew a t e rp r o j e c t m a n a g e m e n tm o d e r n i z a t i o no f a n h u i p r o v i n c e k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，r e l a yp r o t e c t i o no fp o w e r s y s t e m ，e c 2 0 0 0 ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , c o n t r o ls t r a t e g y 插图清单 图2 1 泵站自动控制系统组成8 图2 2 集中式处理系统9 图2 - 3 分层分布式处理系统1 0 图2 - 4 泵站监控系统结构i i 图2 - 5 泵站计算机保护系统基本构成1 5 图3 - 1 该泵站计算机监控系统结构图2 2 图3 2 该泵站计算机保护系统结构图2 7 图3 3 泵站计算机监控系统画面索引3 6 图3 - 4 泵站单机监视图3 7 图3 - 5 泵站全站电气监视图( 停机状态) 3 7 图3 - 6 泵站辅助系统监视图3 8 图3 7 泵站监控系统数据库测点表图3 9 图3 - 8 系统自诊断表图3 9 图4 - lp l c 基本结构框图4 3 图4 - 2p l c 盘柜型式示意图4 6 图5 1 两段直线变化规律5 5 图5 2 指数曲线变化规律5 5 图5 3 泵站开机操作流程图5 8 图5 4 泵站停机操作流程5 9 表格清单 表3 - 1l c u 调试情况一览表2 6 表3 2 上位机调试一览表2 6 表3 3 保护调试一览表3 0 表3 4 励磁系统调试一览表3 l 表3 - 5 直流系统调试一览表3 2 表3 - 6 低压系统调试一览表3 2 表3 7 系统联合调试一览表：3 3 表4 - 1 继电器控制与p l c 梯形图差异表4 4 表4 - 2x 站监控系统模拟量测点定值表4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字嗍审年月宕日 电话： 邮编： 始啪 j r ， 名 年 签 7 睹 矽 文 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 本人在三年的工程硕士研究生学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师杜世俊教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了杜世俊老师的心血，在此，由衷感谢杜世俊老师 在学业指导及各方面所给予我的关心和帮助，杜世俊老师高尚的道德情操，广 博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，让我深受 感染，使我终身受益，并激励我前进。 同时，真诚感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院的全体老师，他们的 教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢 ： 安徽省水利厅下属的上桥水利枢纽的领导和同仁们，特别是上桥抽水站的宋长 松站长和与我一同参加实践的钱锋同志在我论文撰写和调研期间，给予我的大 力支持。 感谢所有给予我帮助的人。 憾彩 2 0 0 7 年5 月1 日 第一章导论 1 1 课题的选题背景 随着世界经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效 利用和有效管理越来越得到世界各国政府的高度重视。我国是农业大国，也是 水利大国，水利在国民经济发展中占有举足轻重的地位。 泵站水的唯一人工动力来源，泵站根据其作用不同，可分为机电排灌 泵站、城镇供排水泵站、工业供水泵站和增压泵站等类型。作为重要的工程措 施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。 随着水泵机组设计制造技术水平的不断提高，大容量水泵机组、大中型水 泵站在我国的应用日益增多。如我国长江流域、黄河流域的不少省份都是水利 大省，由于经济建设的需要，往往建有几万甚至几十万千瓦装机容量的大型泵 站。这些泵站的运行一般具有操作次数多、启停频繁等特点。对于泵站来说， 它既有泵站机组间优化调度的要求，也有同一地区或同流域不同泵站间的优化 调度的要求。这些大中型水泵站在运行中也面临着可靠性、稳定性、安全性和 经济性的闯题【”。 1 1 1 国外泵站的现状 国外泵站在运行、管理方面自动化程度高，监控系统完善。这样，既提高 了泵站运行的安全性、可靠性和经济性，又节约了人力资源，为工程的维护提 供了可靠依据。其中，在泵站运行、管理方面自动化水平高的有美国、日本、 英国、荷兰和前苏联等国家。 ( 1 ) 技术装备好 国外水泵的性能指标明显优于国内，机组的结构、配套和传动方式也丰富 多彩。国外大型水泵生产企业制造出来的泵，一般具有转速高、体积小、重量 轻等优点，其流量是我国同口径水泵流量的1 5 2 倍。如荷兰1 8 m 的水泵与我 国2 8 m 的水泵性能相同，但前者的重量为2 3 1 吨，后者的重量却是4 8 吨，两 者相差一倍以上。另外，采用齿轮传动，可以大幅度地减小电动机的体积和重 量。如荷兰口径3 6 m 的贯流泵，采用齿轮变速传动的结构设计后，与其配套的 高速电机直径仅1 2 m ，电机和齿轮箱的总重量是1 5 吨。如果将这台泵改用我 国的直接传动，其电机直径将由原来的1 2 m 增加到6 1 m ，重量由1 5 吨增加到 4 9 吨。由此可见，国外机组的高速化，不仅使机组的体积减小、重量变轻，而 且还使厂房和土建投资大幅度降低，特别是考虑不同机组的装置形式( 立、卧、 斜式) 对泵房结构的影响后，这种效果更明显。 ( 2 ) 泵站自动化程度高 国外泵站的自动化程度较高，对泵站运行的各种指标、长期跟踪、监测和 记录，随时发现问题可随时加以解决。同时，记录下来的数据也将成为水泵开 发和性能完善的依据。另外，自动化大大减少了事故的发生，也减少了泵站的 管理工作人员。如美国，几十公里的输水干线上，只有几个工作人员。 美国加州调水工程于1 9 6 4 1 9 7 4 年安装了计算机自动控制系统，该系统可 对1 7 座泵站和电厂，7 1 座节制闸的1 9 8 个闸门和其他各种设备、设施实行计算 机通信、监控、检测和调度。 日本现已完成六七十年代兴建的水利工程的设备改造和扩建，并安装了新 的计算机监控系统。监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个 水系上设有中央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置对各种泵站、水工建筑 物、渠道等进行集中监控，以达到水资源综合利用的目的。例如，新川河口排 水站的6 台贯流式轴流泵及其他设备均由中央控制室远距离操作。为保证新川 河口的水位稳定在设计范围内，采用了自动调节水泵叶片安装角和自动选择运 转台数的控制机构，并根据内外水位差的变化，可发出开启自动排水闸的信号： 该站的其他辅助设备和自动清污装置，也均由中央控制室操作。 荷兰、奥地利的一些泵站，基本上都实现了全自动监控。荷兰泵站采用的 自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等能长 期进行自动记录。 ( 3 ) 运行管理人员少、素质好、分工严密 国外泵站一般雇用懂专业、有经验的管理人员，运行、管理人员普遍具有 较高的专业技能，在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事 件。运行管理人员总数只相当于我国的1 1 0 左右，但运行管理有条不紊，长期 保持正常运转。以荷兰为例，水泵制造厂不仅负责核心部件的生产和总装，还 负责机组的大修，泵站的管理人员只负责值班运行、小规模的检修和大规模的 检查 2 1 。 1 1 2 我国泵站的现状 我国的机电排灌工程在数量上已居于世界首位，在工程规模上也已接近国 外先进水平，我国已拥有大型泵站三百余座，在我国大型泵站比较集中的湖北， 江苏、安徽、湖南、广东等省份，已初步形成了以大型泵站为骨干的防洪排涝 以及跨流域调水工程体系、以重点中型泵站为主体的流域性调水、排灌工程体 系和以中小型泵站为主导地位的地区性排涝，灌溉工程网络。机电排灌事业的 发展，特别是大型泵站的发展，有力地提高了各地抗御自然灾害的能力，促进 了国民经济快速、稳定、健康地发展。 我国的大多数泵站始建于上个世纪，虽然它们在建成后发挥了巨大的社会 经济效益，但在技术水平，工程质量、工程管理以及经济效益指标等方面与国 外先进水平相比，还有一定的差距。而且由于建设年代久远，已经难以适应水 利工程现代化的要求。主要体现在以下几个方面： 一是安全性、可靠性不能满足现代水利系统高标准的要求。传统的抽水泵 2 站大多数采用常规的设备，尤其是二次设备中的继电保护采用电磁型或晶体管 装置，结构复杂、可靠性不高，本身又没有故障自诊断的能力，只能靠一年一 度的校验发现问题，才进行调整与检修或必须等到保护装置发生拒动或误动后 才能发现问题。 二是不适应实时控制的要求。抽水泵站要做到优质、安全、经济运行，必 须及时掌握系统的运行状况，才能采取一系列的自动控制和调节手段。但传统 的抽水泵站不能满足及时提供运行参数的要求，没法进行实时控制，不利于水 电工程的安全、稳定运行。 三是控制室占地面积大。实现了综合自动化的抽水泵站与传统的抽水泵站 相比，在一次设备方面，目前还没有多大的差别，而差剐较大的是二次设备。 传统的抽水泵站，二次设备多数采用电磁式或晶体管式，体积大、笨重，主控 制室、继电保护室占地面积大。如果能实现综合自动化，则会大大减少占地面 积。 四是维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动化水 平。 五是值班人员较多、运行效率低下、运行成本较高。 以某水泵站为例；安徽省北方某抽水泵站始建于7 0 年代，是安徽省大型抽 水泵站之一。该抽水泵站自投入运行以来，发挥了巨大的社会经济效益。可承 担2 9 7 万亩农田灌溉和7 0 0 多平方公里排涝任务，6 台套泵机装机容量9 6 0 0 千 瓦，设计流量每秒1 2 0 立方米。由于长年运行，控制、保护、测量及信号系统 磨损老化严重，控制系统中大多数继电器存在绝缘老化、触点接触不良，炭化 严重、测量表计精度下降、度数误差大、自动化元件动作失灵、维修难度大且 费用高等一系列问题，难以满足安全运行需要，亟待进行技术改造。 另外，整个抽水泵站采用的是现场分散控制方式，没有中控室，自动化程 度较低，值班运行人员工作环境恶劣，劳动强度大。随着计算机技术、专家系 统、网络通信技术、现代控制技术、智能测量传感技术等高新技术的不断发展 和应用，建立综合自动化程度高、完善可靠的泵站计算机自动控制系统已迫在 眉睫。 1 1 3 我国泵站自动控制系统的发展及存在问题 泵站控制技术经历了常规自动化控制、计算机辅助控制和计算机监控三个 阶段。与此相对应，在我国泵站工程的发展进程中，泵站自动化技术的应用经 历了几个不同的发展阶段。比如：5 0 6 0 年代，泵站一般采用继电器常规自动 控制方式，该方式自动化程度低下、元器件繁多、体积庞大、操作相对复杂， 很难发挥应有的生产效益；7 0 - 8 0 年代，泵站一般采用晶体管集成电路控制技 术，该方式的自动化程度有所提高，但操作过程基本没有改变，功能低下，生 3 产效益不明显：9 0 年代以来，泵站控制系统均采用计算机监控技术。随着对泵 站运行自动化技术要求的不断提高，计算机监控系统在泵站的应用也越来越多， 并越来越体现出其响应速度快、可以进行信息存储和记忆、也可以进行运算和 逻辑思维判断等一系列优点。通过泵站计算机监控系统可完成对泵站主机、变 电所运行参数和水情数据的测量处理、分析计算，实现泵站运行参数、状态的 实时记录，以及远程操作控制、保护等。如对水泵机组的启停控制、泵站辅机 设备( 如供排水泵、油气系统等) 的控制、上下游阀门的控制、变电所的主变 和站用变的控制保护、励磁调节与控制等。 因此，采用计算机监控技术已经开始成为当代泵站自动化的热门课题，我 国近几年新建泵站时都会考虑不同程度的自动化设计方案。但实际使用的结果 多半是不如人意的。很多新建泵站的自动化系统使用不久就出现故障，最后可 能处于无法使用的瘫痪状态。究其原因主要有以下几个方面 3 j ： ( 1 ) 功能不齐全。现在的计算机自动监控自动化和以往的相比，设备配置 较简单、体积较小、信息资源容易共享等。但从功能看，目前泵站中的计算机 监控系统大部分还处于巡回检测、数据处理、事故报警、制表打印等，有的开 始用计算机保护代替以往的继电保护。但计算机的计算速度快，以及储存、运 算、和逻辑判断等功能并没有得到很好发挥。因此，大部分泵站的计算机监控 系统仍然难以具备故障分析和处理、安全运行、经济运行等方面的功能。 ( 2 ) 效益不明显。泵站效益即泵站的投入产出的关系。目前不少计算机监 控方案投资很大，少则几十万，多贝几百万，甚至几于万元。而泵站效益主要 体现在维护管理费用和耗电费用的减少。由于目前的不少泵站计算机自动化在 自动开停机和计算机保护方面的投资占有很大比例，其效益主要体现在用计算 机监控系统代替开停机的手工操作和人工抄表等。即便减少运行抄表人员，但 维修管理人员仍无法减少。所以，泵站总的人员编制和人员工资仍然难以减少； 有的泵站虽然有了计算机自动化系统，系统储存和打印出来的数据一股仍限于 电流、电压、温度等参数，而最基本的水泵机组参数，如流量、扬程、功率、 转速、效率和能耗等还是无法显示和打印，更谈不上故障分析及处理，安全运 行和优化运行等，节省耗电费用和维修管理费用的目标也难以实现。因此，目 前大部分泵站计算机监控自动化的效益仍然不很明显。 ( 3 ) 资金投入不足。目前，由于泵站自动化的效益不明显，再加上水费征 收困难，资金来源并没有得到根本解决，因此，排灌泵站的改造和维护管理赘 金投入严重不足已是普遍存在的问题。不少泵站在职工工资发放尚存在困难的 情况下，要拿出钱来去搞那些被认为是花架子的计算机监控系统，就更加困难。 但是，各行各业在微型计算机及其监控技术在近十几年的发展速度可以称得上 是突飞猛进，一年一个新品牌，不等泵站自动化功能的全面发挥，所选用的自 动化设备就被淘汰。一旦设备损坏或被淘汰后，又需要增加维修或改造经费， 4 给管理单位带来很大困难。 ( 4 ) 技术力量不足。从目前的计算机自动化项目实施情况看，参与项目的 不少技术人员在计算机及自动控制方面具有较高的技术水平。但是，他们对水 泵机组的技术特性、经济运行的基本知识、泵站技术管理基本要求等方面的了 解较少，而泵站技术人员又对计算机自动化方面的知识比较缺乏。对计算机自 动化提不出很具体的技术要求。因此，目前的计算机监控系统，多半是建立一 个数据处理的平台，若要使其功能得到更大的发挥，必须请泵站方面的专家， 另行安排项目。另外，由于系统功能没有充分得到发挥，自动化效益不明显， 改造和维修管理经费不足，和社会上其他部门相比，泵站本身的技术人员的待 遇不可能很高，因此，能够掌握自动化的这部分技术人员，很容易流失。这样， 即使建立了计算机监控系统，结果还是管理不好，或无人管理，已经建立起来 的自动化系统很快将会无法持续使用。 另外，泵站保护系统一般采用的是由常规继电器组成继电保护系统，因继 电器固有的缺陷，经常造成接点抖动、粘连、误动，给安全生产带来极大的威 胁。由于大部分继电器为六、七十年代产品，已极难找到相应配件，给运行维 护造成很大困难。泵站励磁装置一般也是在老的励磁装置基础上加上微机励磁 控制器组成的，运行基本稳定，但仍然存在很多缺陷，如励磁变压器老化严重， 柜体结构陈旧，柜门变形、脱落严重。更关键的是，旧励磁装置无法与目前飞 速发展的计算机监控系统通信，无法实现对电机的全面控制和监视 综上所述，目前泵站计算机自动化的问题很多。关键问题在于投入不少而 效益不大，如果我们能在总结以往的经验教训的前提下，使今后的泵站计算机 自动化的效益显著提高，使之成为泵站工程中人工不可代替的重要组成部分， 那么泵站自动化的才能得到更好的推进。因此，本论文立足于探讨我国大型泵 站新型、性价比高的计算机自动控制系统的设计与研究。 1 2 课题的工作任务、拟解决问题及研究意义 1 2 1 工作任务及主要内容 鉴于以上背景，本课题所要研究设计的这套大型泵站计算机自动控制系统 的主要任务是：通过对某泵站中控系统进行改造，可实现泵站运行数据采集与 处理、安全运行监视、事故追忆和相关量记录、正常操作指导、电流保护、系 统诊断等全部自动化及泵站无人或少人值守的目标。改造后的泵站中控系统实 行计算机网络管理，可实现远程遥控开停机，可大大提高泵站运行的安全可靠 性，减少运行人员三分之二。其主要内容包括： ( 1 ) 泵站计算机监控及计算机保护系统的设计与研究 主要包括：计算机监控系统、计算机继电保护系统、计算机励磁系统、计 算机直流系统、免维护密封低压系统、辅助设备自动化系统等。 ( 2 ) 可编逻辑控制器( p l c ) 在泵站中的应用 主要包括：p l c 系统配置，p l c 流程编制、调试等。 ( 3 ) 控制策略的研究及故障分析 主要包括：机组启停控制策略、运行常见故障等的分析。 1 2 2 拟解决问题 针对该泵站以前所采用现场分散控制方式，没有中控室，值班人员工作环 境极差，劳动强度大。控制、保护、测量及信号系统磨损、老化严重，系统中 存在大多数继电器绝缘老化，触点接触不良，炭化严重，测量表计精度下降， 度数误差较大，自动化元件动作不灵等一系列关系到机组安全运行的闯题，对 该泵站进行继电保护、监控系统等进行技术改造。计算机监控系统主要采用全 计算机监控方式，按无人值班( 少人值守) 运行方式设计，整个系统采用开放 式全分布结构，由泵站控制中心系统和现地控制单元组成，通过l o l o o m 光纤 以太网与省防汛广域网及相关站点连接，实现与省水利厅网的数据共享：继电 保护改造使用p l c 可编程序控制器取代传统的继电器控制，以能满足目前日益 繁重的灌溉任务；通过对机组控制策略的研究，获取最优机组控制策略，对提 高泵站的稳定性和经济效益都具有重要的意义。 1 2 3 本课题的研究意义 对于实施技术改造的泵站来说，主要有以下几个方面的意义【4 】： ( 1 ) 提高泵站运行的安全性、可靠性 计算机监控系统可实时监视泵站运行状况，快速准确地检测并自动处理故 障，防止事故的发生并保护运行设备。 计算机监控系统具有严格的操作程序及逻辑闭锁功能，对防止运行人员的 误操作极为有利，可减少人为事故的发生。 通过计算机监控系统的事件顺序记录和事故追忆功能，有助于事故原因的 分析判断及反事故措施的制订。 ( 2 ) 提高泵站的自动化水平，改善泵站运行的稳定性 计算机监控系统运用元件编程实现逻辑控制，不受接线复杂程度的限制， 可以将控制逻辑编制的比较完善，提高自动化水平；另外，计算机监控系统能 及时反映机组运行状态，并迅速精确地自动调节机组的有功和无功功率平衡， 使电站稳定运行，保持良好的运行质量。 ( 3 ) 优化运行，提高经济效益 计算机监控系统可以根据泵站机组的状况，上下游的水位，灌溉用水量， 系统电价等因素，经过计算机优化程序的精确计算，确定最优运行方式，使机 组运行于最高效率区，从而使泵站长期保持较高的经济效益，同时能自动躲避 不良工况。 计算机监控系统具有故障自诊断功能，可以诊断出故障模块及时提示工作 6 人员进行更换。由于取消了常规继电器、仪表、信号灯、光字牌等常规设备， 省去了对这些常规设备的例行检查试验工作，因此减轻了维护工作量。 计算机监控系统可自动完成泵站操作、控制、监测、记录、打印等工作， 提高了运行管理的自动化水平，减少了运行人员，做到无人( 或少人) 值班， 这样将大大降低人员年运行费用并减少生活配套设施。以装机容量为3x 2 0 0 0 k w 的机组为例，若采用传统的控制系统约需运行人员2 0 多人，而采用计 算机控制系统后只需1 0 人左右，可大大节约人员的工资、福利、生活设施等相 关费用约1 3 万元，年。 ( 4 ) 节约投资成本 与常规系统相比，计算机监控系统结构紧凑，接结简单，可减少有关屏柜 的数量并缩小控制室的面积。上例中的泵站，如采用常规设备，需各类电气屏 柜约2 6 台( 不包括高压开关柜) ，采用计算机监控系统，只需1 6 台，从而节 省土建费用，同时还可减少一半以上的二次电缆，这些都给设备安装调试提供 了方便，有效地缩短了基建工期，节约了安装费用，降低了基建投资成本 ( 5 ) 操作方便 与常规系统相比，计算机监控系统运行操作极为方便、直观，即使不懂计 算机的入，经过短时间的现场培训便能操作自如。 更为重要的是，课题的研究也能为今后类似的泵站设计与改造提供借鉴。 7 第二章泵站计算机自动控制系统结构及原理 2 1 泵站计算机自动控制系统的结构 泵站计算机自动控制系统一般由计算机监控系统、计算机继电保护系统、 计算机直流系统、计算机励磁系统、计算机视频监控系统等构成，如图2 1 所 示。图中虚线左边为计算机监控系统，通过工作站负责对现地控制单元( l c u ) 打 厂 通 一一 计算机保护系统 印 长工 信 服 终 作 服一- 一计算机励磁系统 务 端站 务 器器 4 - - 计算机直流系统 i ：i ii 机组 视频 和公 监控 用设 系统 备 l c u 图2 - 1 泵站自动控制系统构成 实行监视和控制，以实现对全站设备的数据采集和实时控制；通过通信服务器 负责对监控系统以外的所有设备如保护、直流、励磁等站内计算机自动化设备 及整个枢纽中其他工程的自动化设备的数据采集与部分控制，并实时传送给泵 站内各监视站点；通过厂长终端使领导能及时了解到泵站机组运行工况，以实 现对泵站机组的远方启停控制；通过视频监控系统将现场图像实时传送至中控 室，以直观视频图像信号及时了解现场环境、人员工作、设备运行情况、安全 保卫等。 2 2 泵站计算机控制系统分类 从目前采用计算机控制系统的泵站来看，常见的计算机控制系统类型主要 有集中式处理系统和分层分布式处理系统两种阁。 8 2 2 1 集中式处理系统 集中式处理系统指将该系统的各种功能，如数据采集、数据处理、人机通 信等均集中完成。这里既包括逻辑上的集中，同时也含有物理上集中的意思。 集中式处理系统是通过数据采集系统对水泵站运行过程及参数进行采集、 处理、分析计算，并将结果用于控制水泵站的自动化运行操作和监督报警。该 系统通常是全泵站只设置一台或二台监控计算机，对整个泵站进行集中监视、 控制。由于水泵站所有信息都要送到计算机进行处理，所有操作、控制命令都 由计算机发出，因而计算机的工作负荷大，对计算机可靠性要求很高，若计算 机出现故障，将导致全系统瘫痪。其次，生产过程所需采集的状态和参数均直 主 控 室 厂 房 丽 1 _ j 集中控制计算机i ，千+ 模入ll 模出| l 开入il 开出l 7jfj 泵站生产过程 图2 2 集中式处理系统 接引入计算机，当泵站机组台数较多时，现场敷设电缆会过多过长，不仅成本 高，安装维护不方便，而且抗干扰能力差，信号误差大，且系统的可扩展性和 可维护性较差。目前大型水泵站均不采用集中式处理系统，但在一些泵机组台 数不多、控制功能要求较简单的中小型水泵站中，仍然可以采用这种方式的监 控系统，如图2 - 2 所示。其控制计算机的配置方式可采用双机冗余配置方式。 2 2 2 分层分布式处理系统 美国电工电子学会计算机学会给分布系统的定义为：“分布计算系统是这样 一种系统，其中包含多个相连的物理资源，它们能够在全系统范围的统一控制 下，对单一问题进行合作，而最少依赖集中的处理、集中的数据或集中的硬件”。 而英国国家科学研究委员会下属计算科学委员会的定义为：“分布计算系统是这 样一种系统，其中包含多个独立但又有交互作用的计算机，它们对一个共同问 题进行合作。这种系统的特性是包含多个控制路径，它们执行一个程序的不同 部分而又相互作用”。分布式系统最基本要求是：多个分布的资源；统一的操作 系统；资源独立而又相互作用。可按功能、对象以及两种方式结合构成应用系 统。 9 分层控制理论是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新理论，它是控制系统理 论的一个分支，是从控制论的角度来研究多个互相影响的系统的控制方法。它 把“中央的控制中心”对“各予系统的控制中心”的监视，以及确定“各子系 统控制中心”的控制方向问题提高到理论上来，从控制命令的产生、命令执行 结果信息的反馈流向、被采集的信息上传关系、各级的操作权限等来看，是一 个典型的正置三角形的、中央地方模式的、带有一定程度中央集权性质的 控制室 生产现场 至上级控制中心 图2 - 3 分层分布式处理系统 系统。 分层分布式处理系统是目前大中型水泵站较多采用的控制方式，如图2 3 所示。它以控制对象分散为主要特征，即以水泵机组、变电站、公用设备( 如 辅机设备) 、阀门等按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水泵站的现地 控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、泵机组等主要设备的控制和调节， 并可通过网络完成泵站各装置的数据通信功能。该系统有以下特点： ( 1 ) 可使水泵站受控设备大量的信息实现就地采集处理并完成控制任务， 提高信息处理的效率和实时性，避免了因向控制室传送大量信息而使电缆线过 多而导致的一些不良后果。 ( 2 ) 受控设备可以独立完成其功能。当某一台受控设备的控制系统出现故 障时，不影响全站其他设备的正常工作；而当主控计算机出现故障时，虽说全 站的功能会受到影响，但各子系统依然能够照常工作。 2 2 3 全开放、全分布式监控系统 i e e e 对开放系统的定义是“按照开放的接口、服务和支持格式规范而实现 的系统，它使应用软件能以最少修改，实现在不同系统中的移植；能同本地的 l o 或远程系统中的应用实现互操作：能以方便用户迁移的方式实现用户间的交 互”，即开放系统是指一个综合性的有关信息方面的国际标准集，考虑数据、人 员互操作性及可移植性而描述的对接口、格式、功能所作的规定。是建立在“正 式的标准”和“事实上的标准”基础之上的有关计算机和通信系统的公用协议。 开放系统的特点主要是系统扩充或升级时最大限度地保护用户的硬件投资，最 大限度地利用已有的软件资源，能以最简便的方法升级，且具有非常友好完善 的人机界面。开放技术的应用，极大地提高了系统开发与集成效率1 6 1 全开放、全分布式监控系统是近年来发展并得到广泛采用的一种工业控制 系统。这种新系统是围绕着应用软件接口标准、网络通信接口标准和用户操作 接口标准，遵循国际组织i e e e 、i s o 、i e c 等的有关标准组成一个开放式的总 线网络，采用以u n i x 操作系统为基础的操作系统；根据分布控制对象而设置 的现地控制单元( l c u ) ，也按标准通用规约接入总线网络。这样形成的系统， 除了具有上述各类模式的优点外，最大的特点是具有开放性，同时系统扩展、 升级更新都非常方便，其应用软件可以在新设备、新环境下运行，保护了用户 的利益，实现了应用软件的移植。 2 3 泵站计算机监控系统的一般结构和功能 2 3 1 系统结构 计算机监控系统通常分为三层，即泵站控制层、现地控制层和网络及网络 以太网 图2 - 4 泵站监控系统结构 接口m ，如图2 4 所示。 ( 1 ) 泵站控制层 泵站控制层是整个监控系统的核心。其站控级主要由主控机和工作站等数 台计算机构成，一般配有一台打印机等辅助设备，并由一个单总线以太网形式 联成一个计算机网络系统。在这一级上，硬件的配置比较灵活，一般可根据需 要增加或减少工作站的个数。使用总线形网络，增加或减少具有某些功能的工 作站可在任意时间( 系统组建或系统投运后) 进行。在图示的系统中，主控机 主要用于完成计算机监控系统在这一级上的各种任务，如：安全监视、运行管 理、系统自诊断与上、下层通讯等。而图形工作站则主要完成人机接口功能， 如各种画面的显示，各种控制命令的发出等。此外，当系统硬件资源较为紧张 时还可增设：培训工作站，用于人员的培训；工程师工作站，用于系统的设置 和软件调试、开发；通信工作站实现与保护系统、励磁系统及直流系统等的通 信，通过串行口进行上述设备的实时数据采集和设备操作的控制：模拟屏工作 站，用于模拟屏的控制等。 ( 2 ) 现地控制单元层l c u 计算机监控系统的现地控制层在分布式控制系统中，主要是指针对某一特 定的控制对象而设置的远方终端设备( r t u ) ，又称现地控制单元( l c u ) 。它 们分别通过各自的网络硬件设备( 网卡) ，在相应的软件支持下，与站控级一起 连成一个计算机局域网。它主要负责完成现场设备各种数据的采集、处理及事 件的记录，信息传输，设备控制、保护等工作，并通过以太网通讯协议与站控 级计算机相连，传送各运行设备的实时数据。一般主要有泵机组现地控制单元、 公用现地控制单元和开关站现地控制单元等组成【蜘。在图2 - 4 中，四台机组现地 控制单元分别对四台机组实施监控；一台公用现地控制单元用于对泵站的公用 系统，如油、水、风系统等进行监测和控制，而一台开关站的现地控制单元对 开关站实现监控。 。 现地控制单元是计算机监控系统非常重要的环节之一。首先，它直接面向 具体的控制对象，把设备的运行情况经过必要的信息加工处理后及时向上级计 算机传送；同时对各上层计算机发来的控制命令在这里最终得以实现。其次， 它本身也具有对受控对象直接监控的能力，这一方面可以减轻上级计算机负担， 提高系统实时性；另一方面，当上级计算机出现故障时，它可以脱离上级计算 机直接完成对受控对象的监测和控制，增加系统的可靠性。 ( 3 ) 网络及网络接口 泵站监控系统的网络通信分为两类以太网通信和串行数据通信嘲。监控 系统内部的上位机与各台l c u 之间可通过1 0 0 m 光纤以太网形式通信，以实现各 种实时数据和控制命令的快速传输。 由于泵站的励磁、保护、模拟屏等其他装置或设备的通信能力受装置本身 硬件配置的限制，无法采用统一的总线方式联接起来，因此与这些设备的通信 采用串行数据通信方式，由通信工作站等承担此功能，采集的信息经预处理， 经以太网送各上位机供画面显示和打印。 2 3 2 系统功能 泵站计算机监控系统的功能主要依靠系统硬件和相应的组态软件来实现， 它的功能主要有： ( 1 ) 监测功能 1 2 系统能实现对站用变电所、水泵机组、泵站辅助设备和配套水工建筑物的 各种电量、非电量运行数据及水情数据进行巡回检测和采集，并且根据这些参 数的给定限值进行监视、报警、记录等。采集数据主要包括： 电量采集和监视：如电动机三相电压、电流、有功、无功、频率和母线 的电压与频率等参数。 开关量采集和监视：如断路器位置、刀闸位置、保护动作信号、闸门开 关状态等参数。 脉冲量采集和累计：如电动机和主变的有功、无功脉冲电度信号等。 非电量采集和监视：如水位、温度、油压、水压、叶片角度、水泵转速、 闸门高度等参数。 趋限报警：主要有故障报警、事故报警等。 ( 2 ) 控制功能 系统能够根据泵站的运行状态，按照给定的控制模型或控制规律进行自动 控制，包括水泵机组间的优化运行等。为了保证控制方式的灵活性，主要设备 的控制都设有自动控制和手动控制二种方式，二者可以互相切换。泵站计算机 监控系统的主要控制功能有： 变电所的主变压器、站用变压器的控制； 主机机组的起停顺序控制和强制开机控制； 事故门、工作门以及上下游闸门的开启、关闭操作控制； 断路器合、跳操作控制； 叶片角度、励磁闭环调节控制； 。 制动回路操作控制； 冷却水的投入和切除操作控制； 泵站辅机设备如供水泵、排水泵、供油系统、压缩空气系统等的控制； 励磁设备的调节与控制。 ( 3 ) 保护功能 系统的计算机保护装置可实现机组电机、主变压器、站用变压器以及母线 的保护。泵站计算机保护系统功能主要有： 电动机保护：包括差动保护( 具有差动速断) ，c t 断线闭锁，过流保护， 过负荷保护，转子一点接地保护，电动机失磁保护和电动机失步保护等； 母线保护：包括低电压保护，母线绝缘检查和母线正序电压保护等； 主变保护；包括二段折线式比率制动特性差动保护( 具有差动速断、c t 断线闭锁等功能) ，复合电压起动过流保护，零序过电压保护，过负荷保护，过 电流保护，瓦斯保护和温度保护等； 站变保护：包括电流速断保护，过负荷保护等； 水泵机组保护：主要有推力瓦、导轴瓦、定子线圈等的温度过高保护和 供水、供油、供气系统异常保护等。 可以看出，泵站自动化应用技术的发展主要体现在其硬件技术进步和软件 功能的强化提高上，二者的有效结合使得泵站运行管理实现了从单一的监测功 能到今天的监测、控制和管理一体化的综合功能【l o l 。 在系统监测功能上，从早期的泵站运行参数的实时检测，发展到现在能实 时检测记录机组运行、机组起动或者故障时的动态参数，以实现机组运行状况 的分析、故障预测和故障诊断等功能。 在系统控制功能上，从早期只能对机组、辅机设备等的启停进行控制操作， 发展到现在能够自动判断机组的启停