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1、试谈泵站综合自动化系统的功能与选型 长沙华能自控集团有限公司 卢任文摘要 ：泵站改造时，应根据泵站的情况选用合适的计算机网络系统；泵站群的调度系统更应该根据本身的具体情况，选择合适的通讯方式。泵站的运行应该注重效率和节能，在改造时应选用合适型号的泵组，选定控制模式（手动调节、变角调节或是变速调节）。关键词 ：分层分布式、现场总线网、高速以太网、环形以太网、GPRS网、无线扩频网、变角调节、变速调节。一、前言水利是我国国民经济的重要基础产业，而泵站工程是水利工程的重要组成部分，在解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化等三大水资源问题的今天，承担防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任。 新中国成立60年来
2、，我国机电排灌泵站工程获得长足的发展。但是许多泵站年久失修，自然老化严重，有的泵站原来的规划设计不合理，标准偏低，都需要重新改造。 在泵站改造中，应充分利用先进的计算机技术、自动控制技术、通讯技术、电力电子技术、故障诊断技术和现代管理技术。本文就计算机技术在泵站改造、设计、选型中的应用，谈谈个人的陋见。二、泵站的自动控制系统21 对泵站自动控制系统的要求 泵站的自动控制系统、机组性能和效率应达到先进水平，自动化系统具有技术先进、安全可靠、经济合理、管理方便等特点。在保证设备运行可靠性、稳定性、安全性的同时，注重提高效率、降低能耗、降低维护成本。通过改造，使泵站安全运行率达到98%以上，并提高管
3、理信息化水平。设计标准按“无人值班（少人值守）”进行。 泵站自动控制系统建设包括计算机监控系统、微机保护系统、视频监控系统以及网络通讯系统，主要实现对泵站的主要设备的动态监视、测量、自动控制与微机保护，调度通信和视频监控自动化，以及计算机联网调度及管理等功能。系统结构宜采用分层分布式网络结构，由现地控制层、泵站主控层、调度控制层等三级构成。22 泵站自动控制系统的组成泵站自动控制系统可由下列三部分组成。1、第一级现地控制层，通过各种传感器、开入量等全方位采集泵组、辅助设备、电气设备及周边设施、水工建筑物和环境数据和信息；负责对泵站各种数据进行采集，通过下位机对变电部分、主机泵、辅机、闸门进行控
4、制，对变压器、电动机、电容器、高压馈线等电气设备进行保护；将现地控制层的信息上传到泵站控制层，并接受泵站主控层的命令。 2、第二级泵站主控层，对第一级现场采集的所有数据进行处理、分析计算、存储、报表，完成运行控制指令的收集和发布，保护动作的分析和指示；将泵站主控层的信息远传到调度控制层，并接受调度控制层的命令。3、第三级调度控制层，接收泵站主控层送来的各种实时数据或者历史数据，可以直接指挥泵站设备。具有调度、决策、安全监督等功能。23 泵站自动控制系统的功能现地控制层主要功能如下：1、数据采集和处理、安全运行监视、控制和调整、数据通信、设备诊断、水泵与电机的轴承温度监控、电机绕组与铁芯温度的监
5、视、技术供水压力监视、枢纽上下游与前池水位监视、真空泵抽真空能力、水泵进水口真空度监视、水泵出口压力、流量、排水池水位等的监视；2、水泵的启动、控制、调速、停泵等的控制；水泵的状态与故障报警；3、微机保护功能：按照相关规程配置电动机、主变压器、母线、线路、电容器、站用变等设备的保护； 4、辅机自动控制功能 ：油压装置的自动控制、压缩空气装置的自动控制、技术供水装置的自动控制、集水井排水装置的自动控制、电动机的软起动、软停车控制（需选配软启动装置）；油、气、水的压力、液位、流量检测；开关量位置的监测；辅机设备的故障状态监视、故障状态的报警等。5、闸门的自动控制功能 ：包括格栅除污机的控制、压榨机
6、/输送机的控制、检修闸门的自动控制、防洪闸门的自动控制；实时采集闸前、闸后水位，闸门开度、闸门荷重，并显示、处理及越限报警； 6、同步电动机励磁系统的控制与调节；7、变频调速器的控制与监测；8、现场的视频监视系统；9、防火、防盗安全监控系统；泵站主控层的功能如下 ：1、数据采集和处理泵站主控层应能自动实时采集泵站主要电气量、非电气量及有关过程参数，包括温度量、模拟量、状态量、报警量、SOE量和电度量等。系统应对采集的数据进行必要的处理计算，存入实时数据库，并用于画面显示、刷新、控制调节、记录检索、统计、操作、管理指导等。 2、安全运行监视与报警安全运行监视应包括状态监视、越限监视与报警、过程监
7、视和监控系统异常监视与报警。3、控制与调节泵站主控层应可根据预定的原则，或按照运行人员、远方调度的命令进行泵组的手动或自动调节，包括泵组启动停止控制、同步电动机的无功功率调整、断路器的分/合操作；辅助设备及公用设备的开/停操作等。 4、人机接口泵站值守人员应可通过显示器、键盘、打印机、报警装置等设备实现人机联系，对泵站生产过程进行安全监控、在线诊断，对监控系统进行调试、参数设定、程序修改、技术开发和技术培训等。不同职责的运行管理人员在计算机上具有不同安全等级操作权限。5、运行维护管理泵站主控层应在实时采集全站各设备的运行参数和工况的基础上，进一步完成统计制表等一系列运行管理的工作、历史数据库存
8、储及归档，为提高泵站运行、维护水平提供依据。6、系统通信 泵站主控层应实现与上一级调度中心的通信。通信方式可采用光纤通信、GPRS网络、无线扩频等。7、系统自诊断 泵站主控层应具有完善的系统自检、在线诊断和自恢复等功能。进行在线诊断时，应不影响计算机系统对泵站设备的监控功能。8、远程诊断 泵站主控层应能接受远方在线诊断的功能，为防止病毒的感染，设置必要的软硬件防火墙，保证网络信息传输的高度安全。9、培训仿真 泵站主控层应具有人员培训仿真功能，可提供操作培训、仿真培训和软件开发培训，如泵站主设备运行工况及工况转换模拟、事故处理仿真模拟以及对监控系统结构、各种操作和运行维护的培训等。 调度控制层的
9、功能如下 ：1、调度控制层应实现对下端各泵站整体合理规划、集中调度与控制，并可与其他监控中心联网（例如水情测报系统、气候监测系统、MIS系统等）；2、调度控制层控制系统应支持WEB服务器浏览功能，可实现基于Internet网络进行远程监视和控制，此时应设置必要的软硬件防火墙，保证网络信息传输的高度安全。3、可以在调度系统中实时显示图形画面：如全区实时灌排区水流图、排灌区地理图、泵站实时工况图等，可以显示相应的遥测量、遥信量、累计量、考核量等动态值和其它静态参数的显示，最大限度为调度人员实现了各种泵站实时信息的共享。4、事故处理辅助功能：可以将事故追忆的内容在大屏幕上进行回放，为调度人员和相关专
10、家事故分析和讨论提供了一个高分辨率、大画面、多信息的交互式显示平台。5、仿真培训功能 ：可以将泵站群的信息在大屏幕上显示，为调度员的培训和技能提高提供了一个现代化的演示平台。6、视频监视功能 ：可以实时地显示各泵站的现场情况。实现大屏幕显示集中监控与切换。主要包括：图像监控及信息显示分系统、图像显示系统、大屏幕显示系统等。 图1 现场总线网原理图7、视频监视/会议系统 ：为调度中心提供实时可视化监控平台，并可即时召开视频会议。三、泵站计算机网络选型 31 现场总线网泵站的各种LCU屏采用小型PLC，只具有RS485通讯口，采用屏蔽双绞线做通讯线，网络简单，投资较省；通讯速率较慢，多采用9600
11、bps；上位机采用单机，适用小型泵站。32 以太网加现场总线网1、各泵机LCU屏的PLC采用以太网接口，通讯速率达10 100 Mhz；2、许多现场设备只有RS485接口，要采用通讯管理机（规约转换器），与以太网接口；整个泵站通讯速度大为提高，各RS485通讯口基本处在同时工作状态；3、一般均采用二台（或二台以上）上位机；投资性价比较高，适用于中型泵站。 图2 以太网加现场总线网33 环形高速以太网 图3 环形以太网泵站的通讯网络连成环行，通讯线有一处断线不影响通讯，50 ms级别的故障恢复水平是能够满足业务连续性要求的。一般可采用赫斯曼通讯模块，也可采用国内生产的环行通讯模块；通讯可靠、但投
12、资较大，适用于大中型泵站。34 双高速以太网双高速以太网通讯速率高（100Mbps1000Mbps），工作可靠；一般采用光纤通讯；有多台上位机，除操作员工作站外，尚有工程师工作站、总经理工作站、通讯工作站、Web工作站等等；通讯网络复杂，通讯规约繁多；维护较困难；投资大，大中型泵站采用。 图4 双高速以太网四、泵站群调度系统的选型一个地区的泵站群，可以用计算机网络连接在一起，建立一个调度中心，实现远距离控制与监测。通讯通道可采用光纤以太网、GPRS、无线扩频网、Internet网络等方式。 41泵站群光纤以太网调度系统光纤作为通道介质,具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、传输信息稳定可靠
13、、传输容量大、频带宽、衰耗低和资源丰富等优点。但是，架设光纤是个艰巨的工程，维护工作量也较大。光纤可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤的传输距离只有5公里左右，单模光纤传输距离可达100公里。目前电力光纤网络使用的光缆主要有三种:普通非金属光缆、自承式光缆和架空地线复合光缆 。 采用光纤组成泵站群调度系统的示意图如下。为了信息能远距离传输，需要使用光纤收发器。 图5泵站群光纤以太网调度系统 42泵站群GPRS网络调度系统GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，是中国移动公司的通讯网络。它的数据传输速度为115kbps，可以传输数据、声音和视频
14、信号。GPRS的特点是永远在线always online ，仅按数据流量计费，即根据您传输的数据量来计费，而不是按上网时间计费。也就是说，只要不进行数据传输，哪怕您一直“在线”，也无需付费。由于中国移动公司的发射塔在城市星罗密布，故在城市的泵站群利用GPRS网络最为有利，不用架设通讯电缆或光纤。为了使用GPRS网络，每个泵站需要配置GPRS通讯模块。 图6 泵站群GPRS网络调度系统采用GPRS网络组成泵站群调度系统的示意图如下。43 泵站群无线扩频调度系统无线扩频技术它具有很强的抗干扰能力 ，可进行多址通信 ，安全保密强，抗多径干扰。它使用国际自由频道，不用申请无线电频道使用权。目前，多采用2.8G和5.8G的通讯频率。 图7 泵站群无线扩频调度系统无线扩频不用架设通讯电缆或光纤，它的有效传输距离为50公里，不宜在高山地区使用（高山地区使用应架设中继站）。在城市地区，应将天线架设在高楼的楼顶，但要注意防雷措施。采用无线扩频网络组成泵站群调度系统的示意图如下。五、泵站的运行与调节51 泵站PLC的控制模式 一般有三种控制模式 ：1、手动控制 ：在泵机组调试使用，并作为自动控制的后备方式；2、按水位的自动控制 ：在水位经
