一體化技術在中小型泵站中的應用和發展趨勢

劉華平　馬衣峰　孫丹丹　王　剛

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一體化技術在中小型泵站中的應用和發展趨勢

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根據我國水利灌排、農業節水灌溉、城市防洪及水處理的發展需要，針對目前大多數中小型泵站存在的設備老化、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。

一、中小型泵站的現狀及發展

中小型泵站作為水利設施的重要組成部分，它承擔著區域性防洪除澇、抗旱減災、調水和供水的重任。目前絕大部分中小型泵站建設于20世紀60、70年代，經過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備控制自動化水平低下，以致經濟和社會效益不明顯，嚴重制約了當地國民經濟的發展。

中小型泵站在電氣信息方面的常規設計方法是：配置配電柜、動力箱、電容補償柜、LCU單元、視頻監控系統、站級計算機工作站及數據服務器等。在新形勢下的水利現代化建設要求，需要提高水利技術裝備水平、提高水資源調控、水利管理和工程運行的信息化水平。穩步快捷實現信息化、數字化和智能化。

實現信息化，就是通過各種信息采集技術和手段，全面或較為全面地獲取灌區內的雨情、水情、工情、墑情等信息，并通過通信鏈路和計算機網絡傳輸給需要這些數據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，并可以統計、匯總，形成報表等，以此作為灌區建設和管理的依據或參考。

實現數字化，就是系統地融合水、肥、作物等學科及專家的知識，在信息化的基礎上，針對灌區各種作物，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（節水并在邊界條件約束下達到最優化）。該模型應能夠根據供水過程中發生的情況變遷，以參數變化的形式對模型作隨機調整并運用，以此指導灌區灌溉（還有生活、工業、防洪等）水資源的調配。

實現智能化，就是根據信息化所獲得的各種數據作為參數去選擇匹配的模型，通過編制的軟件由計算機及各種控制設備和設施自動執行模型，從而控制供水（供肥）建筑物、設備、設施的運行，實現供水、供肥過程自動化和智能化。

二、一體化技術簡介

所謂“一體化”技術，是指多個原來相互獨立的主權實體通過某種方式逐步在同一體系下彼此包容、相互合作，結合成為一個單一實體的過程。且在機電一體化的基礎上，進一步結合信息技術，乃至結合到作為安裝體的土建單元上，以實現機、電、信息一體化，逐步完成灌區建設從“工程化”到“工業化”直至“現代化”的發展過程。

中小型泵站一體化控制系統具有結構簡潔、集成度高、功能全、技術先進、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的觀點出發將電氣控制、微機保護、計算機監控、視頻監視、網絡通訊等在系統工程的基礎上有機地加以合成，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的基礎上使整個泵站控制系統達到最優化的系統工程控制技術稱之為中小型泵站的一體化控制技術。

中小型一體化泵站由井筒、格柵、水泵、管道、閥門、傳感器、控制系統和通風系統等部件組成，全部在工廠預制完成，并組裝好整體運送至現場吊裝。中小型一體化泵站可采用遠程控制，不需要配備現場值班人員，維護人員可隨時通過手機短信或互聯網了解泵站的運行參數，在網絡上隨時對泵站的運行參數進行修改，實現了真正的無人值守，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、一體化控制技術特點

泵站電氣信息化自控裝置，采用一體化的設計理念，高度集成了泵站電氣主回路及二次回路、軟啟/軟?？刂?、變頻控制、主設備控制與保護、泵站各種運行參數檢測、輔助設備的控制及保護、人機界面操作、各種泵站運行參數信息的采集與處理、遠程指令的接受及執行、視頻監視、安全防盜報警和無功功率因素補償等。

其主要特點有：一是多項微機控制技術的應用，測量、保護和控制功能全面，自動化及信息化程度高，標準化的通訊協議，提供多種通信接口；二是多項技術的集合，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，視頻監視、安全防盜報警和無功功率補償等；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。

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

一體化控制裝置集成了軟啟動控制，實現主機的軟啟、軟停控制，它不僅能實現主機的平滑起動，避免啟動電流過大對電網的沖擊及急速啟動對設備的沖擊，同時也避免了水泵在快速停車時的水錘效應，功率模塊選擇在線運行方時，可實現輕載節能。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，通過設置合適的管道壓力或水渠水位，自動調節水泵出水量，達到節水節能的功能。

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。系統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據，自動統計主要設備的運行時間、運行效率、動作次數、事故和故障次數等數據，方便操作人員隨時了解泵機組的運行狀況。

考慮到建設和運營成本，小型泵站特別是農村小型泵站（單機功率小于50kW），一般不設獨立配電容補償柜，但沒有電容補償會影響電網的質量和用電效率，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展趨勢

泵站一體化控制技術是集機械、電子、控制、計算機、信息、通信等多學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步?？v觀國內外各行業一體化的發展現狀和趨勢，中小泵站一體化控制將朝著模塊化、智能化、網絡化、節能化、數字化等方向發展。

所謂模塊化，是不同泵型、不同用途甚至不同建設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計成不同模塊，使得泵站一體化控制設備根據功能的不同自由實現模塊組合，以滿足設計要求。這樣做的目的不僅能做提高設備生產制造效率，縮短泵站的建設周期，而且能根據建設要求的提升對控制設備進行模塊化升級。

所謂智能化，是21世紀技術發展的一個重要發展方向，日益得到重視。智能化是指產品自己會思考，會做出正確判斷并執行任務。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，通過采集、整理、分析和量化各種指標作為決策依據，自動化控制技術為手段，模擬人類智能，使泵站系統自身具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，實現在無人值守的情況下泵站自動優化運行。

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

所謂節能化，是泵站高效運行。以前建設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采用軟啟動或變頻調速技術，帶來可觀的經濟效益和社會效益。

所謂數字化，是在控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎上，不斷發展起來的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與應用鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產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。數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。

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

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