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第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介郭江天津人高级工程师主要从事水电站基础自动化研究文章编号水电厂基础自动化的应用和发展郭江中国水利水电科学研究院天津机电研究所天津摘要水电厂基础自动化是一个综合的系统的工程是水电厂能否实现无人值班少人值守的关键所在基础自动化包括自动化元件装置和辅机设备自动控制单元自动化元件装置是基础辅机设备自动控制单元是实现自动控制保护和通信的平台将水电厂自动化元件装置和辅机设备自动控制单元向智能化发展是水电厂基础自动化发展的要求并逐步发展成为一个集计算机控制通信和网络为一体的综合装置将水电厂自动化元件装置从单件向系统集成发展是水电厂基础自动化创新发展的一种模式和发展趋势关键词水电厂基础自动化自动化元件装置自动控制单元中图分类号文献标识码研究概述目前国内一大批水利水电工程已建成投入运营或正在建设中随着水电厂无人值班少人值守和在线监测故障诊断及状态检修工作的不断深入开展对水电厂基础自动化的发展提出了新的要求为基础自动化推广应用开辟了广阔的空间基础自动化承担水电厂机组和辅机设备正常运行状态的监视和测量并按规定要求发出报警信号和执行自动操作任务是计算机监控系统集群调度系统的测量部分和执行部分也是计算机监控系统中?设备在计算机监控系统和集群调度系统中占有十分重要的地位基础自动化包括自动化元件装置和辅机设备自动控制单元自动化元件装置是基础辅机设备自动控制单元是实现自动控制保护和通信的平台基础自动化是为保障水轮发电机组和辅机设备安全稳定运行而设置的具有如下特点分散性根据使用目的和使用空间分散布置于厂房内任何需要的地方遍及厂房的各个位置和空间运行巡视和操作均不方便差异性由于各自使用目的和功能不同其控制对象测控原理控制流程硬件配置和外围元件组成均有较大差异不同电站因需求不同而对元件和设备的配置和功能要求也不尽相同环境恶劣由于使用对象油水气系统中普遍存在杂质油污锈蚀而测控装置及外围元件装设位置多处在阴暗潮湿的地方和强磁强电环境场合系统性自动化元件装置和辅机设备自动控制单元涉及许多方面包括液位压力压差流量位移和温度的测量电机阀门的控制与监控系统的通讯所以基础自动化元件装置和辅机设备自动控制单元必须稳定可靠灵敏并适合在水利水电特殊的强磁强电潮湿环境下长期工作基础自动化的应用水电厂基础自动化是一个综合的系统的工程是水电厂能否实现无人值班少人值守的关键所在自动化元件装置和辅机设备自动控制单元要选用符合国家标准要求的质量可靠适应潮湿环境的成熟产品同时应注意改善自动化元件装置和辅机设备控制单元的使用环境必须满足其说明书提出的要求自动化元件装置自动化元件装置担负着全厂主辅设备运行状态的监测并及时发出报警信号主要有以下几个方面转速测量装置有机械测速和电气测速两种机械测速由齿盘或钢带传感器或接近开关和仪表组成有输出或通讯接口能与电站监控计算机通讯具有断电记忆过速记忆和参数自动保护功能在转速上升或下降时应在规定的转速发出信号对机械转速信号装置同一触点的动作误差不超过油混水监测装置采用电容式油混水信号装置由测量探头和仪表组成灵敏准确探测油混水状况有含水量显示并有输出有报警点输出报警值在含水量可调水库拦污栅压差测量装置同时采集栅前栅后的水位信号同时显示个水位及其差值有断电记忆和参数自动保护功能有变送器断线检测功能有对报警点及模拟量输出能与电站监控计算机通讯流量水头效率测量装置可同时采集来自流量水头有功的信号同时显示瞬时流量累积流量水头效率和耗水率有断电记忆参数自动保护功能有变送器断线检测功能有输出能与电站监控计算机通讯自动补气装置用于电站压油装置及其他储能器系统中为组合式多功能高压空气阀组接受系统控制回路控制实现自动补气该装置由手动球阀常闭电磁阀单向阀常开电磁阀手动球阀消声器及不锈钢管路组成阀体的优化组合避免了因阀漏气致使储能器的气压逐渐升高可实现自动补气手动补气和贮能器中多余气体的排放水力控制阀主要工作原理是利用上下阀腔的压力差控制阀盘的运动再通过旁通管路和各种导阀的不同接法实现不同用途水力控制阀建议小口径选用隔膜式大口径选用活塞式全自动滤水器设备主要用于水电厂技术供水系统自动过滤排污是技术供水系统的必备装置适用于无人值班少人值守的水电厂全自动滤水器应具有自动过滤清污和排污功能其自动清污排污功能是在线完成的不影响正常的技术供水在罐体上开设置滤筒检修孔方便检修全自动滤水器由执行机构及自动控制机构组成执行机构主要由电动减速机滤水器壳体及壳体内的滤网组件反冲洗机构排污机构和排污电动阀等组成自动控制机构主要由控制箱和差压测量系统组成实现定时定差压和手动切换功能设置并输出运行故障冲洗差压报警和差压过高报警等信号具有通讯接口满足智能化要求一体化全自动技术供水系统是将全自动滤水器手?电动球阀减压阀安全阀和电气控制箱等集成在一起的技术供水设备是专门针对中小型水电厂设计生产的技术供水设备满足无人值班少人值守水电厂的需要该系统不但省去了现场安装配管和密封等并且出口压力可调供水压力平稳安全全自动密闭水循环冷却系统由补水箱自动控制循环水泵系统尾水冷却器和电气控制箱等设备组成是专门针对中小型水电厂技术洪水系统设计生产的技术供水设备满足无人值班少人值守水电厂的需要水电厂在运行过程中冷却水通过运行的机组后带走机组的热量进入布置在尾水中的尾水冷却器利用尾水冷却器外部流动的河水进行热交换作用将循环水冷却使水温降低到满足机组对冷却水水温的要求然后由循环水泵再送到机组使用冷却水通过运行的机组后又回到尾水冷却器这样不断的循环机组的热量通过尾水水流与尾水冷却器进行热交换作用带走在补水箱内装有液位开关当系统内部由于管道及水池滴漏和蒸发箱内液位过低时会发出报警信号上位机收到信号自动打开补水阀门进行补水保证系统正常运行同时补水箱上还装有液位计可以在现场直观的看到内部水位变化本系统设计水流畅通安装检修方便管路上安装自动排气阀本系统使用清洁水建议采用生活水全自动四通换向阀双向供水用是一种四通球阀结构阀门由电动执行机构和四通球阀及控制箱组成电动执行机构带动球阀阀芯转动通过球阀阀芯内部双流道的旋转实现水电厂发电机和变压器冷却用水的正反向技术供水防止单向供水引起冷却器堵塞使发电机冷却效率降低而影响机组正常运行配置可编程控制单元实现定时定差压和手动切换功能设置并输出运行故障切换动作和差水电厂基础自动化的应用和发展郭江压报警等信号具有通讯接口满足智能化要求变频调速恒压供水系统用变频器调速来实现恒压供水与用调节阀门来实现恒压供水相比节能效果好其优点是起动平衡起动电流可限制在额定电流以内从而避免了起动时对电网的冲击由于泵的平均转速降低了从而可延长泵和阀门等的使用寿命可以消除起动和停机时的水锤效应节电优化的节能控制软件使水泵实现昀大限度地节能运行节水根据实际用水情况设定管网压力自动控制水泵出水量减少了水的跑漏现象运行可靠由变频器实现泵的软起动使水泵实现由工频到变频的无冲击切换防止管网冲击避免管网压力超限管道破裂辅机设备自动控制单元辅机设备主要包括水电厂压油排水压缩空气闸门自控和机组自动测温刹车制动等其作用如下水电厂压油设备自动控制单元以可编程序控制器为控制核心由软启动器交直流双路控制电源触摸屏等组成控制单元通过液位压力等外围检测设备检测压油罐油压和油位通过控制软启动器控制油泵和自动补气装置实现自动补油和自动补气自动完成油压装置各种工况的控制和信息传递油压意外超高时组合阀安全保护功能可自动控制回油保证系统功能正常设备安全水电厂排水设备自动控制单元以可编程序控制器为控制核心由接触器或软启动器交直流双路控制电源触摸屏等组成控制单元通过液位流量等外围检测设备检测集水井水位和管内流体状态通过控制接触器或软启动器控制水泵启动和停止自动完成集水井各种工况的控制和信息传递由于水泵电机启动不频繁工作周期相对较长其控制保护可采用先进可靠的接触器组件实现对于功率较大的电机则昀好使用软启动器完成水电厂压缩空气设备自动控制单元以可编程序控制器为控制核心由软启动器双路控制电源触摸屏等组成控制单元通过压力温度流量等外围检测设备检测储气罐压力空压机及气缸的压力气缸温度以及冷却水流量通过软启动器启停空压机自动控制贮气罐内的气压在规定的工作压力范围内在空压机的启停过程中实现卸荷启动自动供停冷却水自动排污控制以及备用空压机的自动投切控制完成空压机各种工况的控制和信息传递闸门自动控制单元安装在闸门启闭机室由开度传感器荷重传感器智能闸门测控仪表控制电器逻辑保护电路操作按钮状态指示灯电流电压显示表等组成可以根据用户要求进行闸门的单控群控机组自动测温刹车制动单元具有机组自动测温和机组刹车制动两种功能测温单元可实现机组多点温度的自动监测并输出的模拟量信号和温度报警的开关量信号机组制动单元可完成机组的刹车制动制动复位等功能机械部分采用进口电磁阀和不锈钢管路水电厂工业电视监视系统是现代化管理监视的重要手段它的主要用途是及时而真实准确地反应被监控对象的实际信息从而为决策提供依据水电站的监控人员借助于工业电视监控系统的辅机监视作用对设备进行控制操作能大大提高设备远方操作的安全性及生产管理效率和自动化水平并在一定程度上起到安全保卫的作用为防止影响或干扰一般水电站工业电视系统不与计算机监控系统结合工业电视监视系统前端设备获取的信息经本系统网络传送到主控室或分控室主机基础自动化的发展随着科学技术的发展自动化元件装置大致经历了机械模拟数字和智能等几个阶段模拟测量技术就是在机械机构基础上采用机电一体化控制用指针来显示测量结果数字化是随着大规模集成电路的发展使电测部分由模拟技术逐步演化为数字技术如数显仪表等智能化是随着微电子技术微计算机技术的迅速发展嵌入式微机的运用使设备具有控制存储运算逻辑判断以及自动化操作等智能特征并在测量的准确度灵敏度可靠性自动化程度运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面均取得重大进步水电厂基础自动化的发展方向是向智能化方向发展以满足机组故障诊断和在线状态检修的水电厂基础自动化的应用和发展郭江需要向集成化方向发展是基础自动化创新发展的要求和发展趋势减轻设计选型采购安装调试的工作量向优化配置的方向发展现阶段水电厂机组自动化元件装置没有一个完善的配置标准应根据不同的装机容量不同的水轮机结构形式通过研究进行优化配置调研不同产品的安装使用注意事项提高自动化元件装置工作的稳定性和可靠性基础自动化的智能化发展基础自动化元件装置按功用分为测量及显示元件执行元件测量及显示元件按用途分类温度压力流量液位位移转速轴电流油混水压力脉动水位差流量水头效率等测量传感器变送器测量仪表和控制器开关等执行元件包括各种电磁阀电磁空气阀和执行机构等基础自动化元件装置的特殊性表现在运行时间长和不易维护重要程度高运行环境恶劣电磁干扰的强度相当大基础自动化元件装置智能化的发展方向是能检测测量分析和处理在各种生产环境下发生的变化如位置长度高度移动和外形等方面的变化其有助于对未来发生的情况做出预测和预防并具有通信与诊断等功能为监控系统或操作员提供相关信息以提高工作效率及减少维护成本智能化的基础自动化元件和装置是融合了计算机通信和控制简称技术的现场总线式的智能化仪表具有智能化测控功能和开放的通信接口各种检测设备利用网络资源可以实现信息共享提高检测效率智能化自动化元件装置具有自校零自标定和自校正功能自动补偿功能能够自动采集数据并对数据进行预处理能够自动进行检验自选量程和自寻故障数据存储记忆与信息处理功能双向通讯标准化数字输出或者符号输出功能判断和策处理功能智能仪表和智能传感器一般是用在现场总线系统中这种仪表和传感器内部嵌入的有通讯模块和控制模块可以完成数据采集数据处理和数据通讯功能智能传感器由硬件和软件两大部分组成不同厂家的硬件部分和软件部分的系统程序与用户程序大致相同所不同的是传感器器件类型电路形式程序编码和软件功能等方面与传统传感器及其所构成的系统相比智能传感器其未来的发展方向是智能网络化与传统的仪器仪表之间已经没有明显的界限智能传感器的接口是传感器智能网络化的关键智能网络化传感器将是未来传感器发展的必然方向给出智能网络化的传感器的内部结构模型和基于现场总线网络网