天津市自來水集團(tuán)有限公司  孫有春

　　摘要：本文通過理論與實踐的結(jié)合，闡述了天津水司新開河水廠送水泵站十年前引進(jìn)的ABB公司設(shè)計制造的設(shè)備的技術(shù)狀況與缺陷，以及對其進(jìn)行國產(chǎn)化技術(shù)改造的方案和工程實施的具體做法。

　　關(guān)鍵詞：送水泵站、引進(jìn)、技術(shù)設(shè)備、國產(chǎn)化、改造

　　一 引言

　　天津自來水集團(tuán)公司新開河水廠在十年前進(jìn)行二期建設(shè)時，曾利用日本政府OECF貸款，大規(guī)模地引進(jìn)了國外技術(shù)與設(shè)備。十多年過去了，設(shè)備已進(jìn)入老化期，計算機控制系統(tǒng)亦需要升級更新，自然引進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的改造工作提到日程上來了。2003年底我們進(jìn)行了這方面的工作，本文僅就該泵站引進(jìn)技術(shù)與設(shè)備國產(chǎn)化改造的方案和措施做一介紹。

　　二 天津水司新開河水廠送水二泵站現(xiàn)狀：

　　新開河水廠是1983年天津市“引灤”工程配套建設(shè)的日產(chǎn)水100萬噸能力的大型水廠。其中一期工程86年建成投產(chǎn)，日產(chǎn)水能力50萬噸，采用的是國產(chǎn)化設(shè)備；二期工程95年建成投產(chǎn)，日產(chǎn)水能力50萬噸，采用的大部分是引進(jìn)國外的技術(shù)設(shè)備。其中二泵站具體引進(jìn)的有：ABB公司的一套6KV開閉站配電設(shè)備，兩套2KV GTO技術(shù)變頻調(diào)速設(shè)備，兩套6KV降壓啟動設(shè)備，兩臺2KV調(diào)速電機與兩臺6KV定速電機，電機功率均為1650KW。為實現(xiàn)計算機自動化控制，引進(jìn)了ABB DCS System一套，包括硬件設(shè)備與軟件程序以及相應(yīng)的儀器儀表。此外還有西班牙Sulzer公司4臺大型水泵，其流量是10800m³/_h、揚程是45m，還有日本KUBOTA公司4套液壓驅(qū)動多功能球閥，共同組成了二期加壓送水泵站，并全部實現(xiàn)了計算機自動化監(jiān)測與控制。

　　特別需要說明的是引進(jìn)ABB公司的變頻調(diào)速設(shè)備，是1992年世界領(lǐng)先技術(shù)的2KV電壓等級的GTO可關(guān)斷晶閘管逆變變頻器，三電平、單橋、六脈波、SPWM技術(shù)。但兩臺逆變變壓器的聯(lián)結(jié)組別卻分別是Ｙ／Δ_－１１和Ｙ／Ｙ_－１２兩種組別，只有其并聯(lián)在一個電源下時可成雙橋并聯(lián)１２脈波，方可獲得很好的抑制基本諧波的效果。但為方便水泵調(diào)速調(diào)度工藝著想，實際安裝卻是一臺調(diào)速水泵和一臺定速水泵分別組合聯(lián)結(jié)在兩段電源母線上。即1#調(diào)速泵與３＃定速泵接在一個電力專用電源上；而２＃調(diào)速泵與４＃定速泵接在一個電力公用電源上。由于該產(chǎn)品沒能按照ＧＢ中國標(biāo)準(zhǔn)制造，其電源電壓適用范圍是±５％Ｕｅ，但國內(nèi)電網(wǎng)電壓實際波動范圍是≥±１０％Ｕｅ，又因為該產(chǎn)品采用的繼電保護(hù)是ＳＰＡ系列高靈敏度智能綜合保護(hù)裝置，所以當(dāng)欠電壓或過電壓時，保護(hù)相當(dāng)嚴(yán)格和靈敏。所以Ｔ接在公共電源上的２＃調(diào)速泵和4#定速泵的電機開關(guān)經(jīng)常保護(hù)跳閘。而T接在專用電源上的1#調(diào)速泵和3#定速泵的電機運行相對穩(wěn)定。此其缺陷之一。

　　因為ABB公司在3#、4# 6KV定速電機的啟動方式采用的是自耦變壓器降壓啟動方式，但負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩水泵負(fù)載，所以啟動電流較大。但ABB公司制造的自耦變壓器是按歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的，其設(shè)計裕量太小、絕緣強度較低，均低于GB中國國家標(biāo)準(zhǔn)。所以在95年3#、4#兩臺定速電機在帶水試泵時該兩臺自耦變壓器即先后被燒毀，后來兩臺自耦變壓器是當(dāng)時又重新繞制的。再后來3#水泵電機在99年的一次啟動過程中，由于dv/dt較高，操作過電壓較大，致使該自耦變壓器再次燒毀。此其缺陷之二。

　　由于ABB計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備是其專用的ABB Masterpiece 200/1型主控站計算機和ABB Masterview830/1型操作計算機和專用CRT，其應(yīng)用程序是用ABB Master系統(tǒng)專用的編程工具軟件編寫的，同時該硬件和軟件是93年引進(jìn)的產(chǎn)品，所以其通用性和兼容性幾乎沒有，自成系統(tǒng)無法和其他系統(tǒng)聯(lián)接，并且自己無法開發(fā)升級換代。此其缺陷之三。

　　客觀上講，盡管其有上談的三點缺陷，但ABB公司的計算機系統(tǒng)、高壓配電設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備和水泵電機機組一直是穩(wěn)定運行的。2002年因為二泵站ABB計算機系統(tǒng)需要與水廠Siemens WinCC計算機調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，同時ABB公司Master 系統(tǒng)專用的CRT已損壞報廢需更新，無法找到同類產(chǎn)品。提出了ABB計算機系統(tǒng)升級改造、更換計算機后臺設(shè)備為通用的開放型的硬件設(shè)備與軟件平臺。同時由于定速電機啟動變壓器燒毀需更新，進(jìn)口同型號產(chǎn)品價格太昂貴，提出了原定購兩臺啟動變壓器改為購置一臺高壓變頻器“一拖二”使用，聯(lián)接3#、4#兩臺定速水泵電機，既可以變頻調(diào)速、又可以做軟啟動使用。結(jié)合此次重大改造，同時解決ABB GTO變頻器外接電源電壓適用范圍窄，調(diào)整1#、2#調(diào)速水泵變頻器上口電源使其適合國內(nèi)電源電壓波動范圍寬的問題。幾方面的改造結(jié)合在一塊，花一次錢同時解決幾個問題，使得二泵站的計算機系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的整體技術(shù)水平就有了一個質(zhì)的升華提高。

　　三 送水泵站引進(jìn)設(shè)備改造方案概述

　?。ㄒ唬?KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式的改造

　　6KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式的改造比較簡單，原來的結(jié)線方式是：6KV電源是雙回路進(jìn)線，聯(lián)絡(luò)開關(guān)不投入、分列運行。一路來自35KV電站313線路的水廠專用電源，在二泵站6KVⅠ段饋出下接1#ABB GTO 2KV調(diào)速泵電機和3# ABB 6KV定速泵電機；另一路來自35KV電站314線路的社會公用電源，在二泵站6KVⅡ段饋出下接2#ABB GTO 2KV調(diào)速泵電機和4# ABB 6KV定速泵電機。此次6KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式改造，就是將3#定速水泵電機饋線與2#調(diào)速水泵電機饋線對調(diào)，使得1#、2# ABB GTO變頻調(diào)速裝置上口電源接在313線路的水廠專用電源上，而3#、4# 6KV定速泵電機改為高壓變頻調(diào)速“一拖二”使用時，要求高壓變頻器的電源電壓波動適用范圍要拓寬，使其上口電源接在314線路的社會公用電源上。這樣就解決了上述的缺陷之一的問題。

　　雖然6KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式的改造比較簡單，但是由此而引起的計算機Master系統(tǒng)的改造就顯得復(fù)雜了。因為該泵站已經(jīng)實現(xiàn)了對6KV高壓斷路器、2KV高壓斷路器、GTO變頻器、電動機、KUBOTA多功能球閥及其液壓控制系統(tǒng)的完全計算機自動化控制。如此的改造就要求將ABB Master系統(tǒng)原來的程序讀懂、分解、刪除、重編、調(diào)整，然后再空載與帶載重新調(diào)試新編寫的程序?？梢姵绦蜍浖脑斓墓こ塘颗c難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式的改造。此工作一并并入ABB Master系統(tǒng)硬件與軟件的統(tǒng)一升級改造工作之中。

　　（二）   定速水泵電機加裝高壓變頻器“一拖二”調(diào)速使用的改造

　　二泵站在裝的3#、4#2臺6KV 1650KW的電機是ABB公司630M-10型水風(fēng)冷式電機，其額定電流Ie=203^A。因為負(fù)載為水泵其電機啟動電流很大，所以必須采用降壓或軟啟動方式。ABB公司原采用自耦變壓器降壓啟動方式，是常規(guī)和可用的。只是其在設(shè)計制造時，遵循的是EN歐洲標(biāo)準(zhǔn)與IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，電壓波動范圍窄。雖然ABB電氣設(shè)備電壓適用范圍是≤±5%Ue，仍低于GB標(biāo)準(zhǔn)。實際上電網(wǎng)供電電壓波動范圍經(jīng)常是±10%Ue，甚至還要超過此范圍。故使該產(chǎn)品在實際電網(wǎng)供電的條件下，使用不久即燒毀報廢了。若同型號更新肯定是錯誤的選擇，其進(jìn)口或國內(nèi)制造報價均在120萬元左右。針對此我們大膽地提出采購按裝一臺高壓變頻器“一拖二”使用。既可以做軟啟動又可以做水泵調(diào)速使用，使其適應(yīng)水泵變揚程、變流量供水的調(diào)度方式，同時可以降低配水電耗，一舉多得。經(jīng)過反復(fù)的方案論證、技術(shù)性能/價格比，決定采用這種改造方案。

　　方案確定后的關(guān)鍵問題是高壓變頻器的選型確定。至目前為止作為中、高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品制造技術(shù)的突破和實現(xiàn)商業(yè)化使用只不過15年的時間，雖有成熟的產(chǎn)品問世使用，但各家的技術(shù)路線卻完全不同。目前國內(nèi)外基本有如下幾種類型：

　　（1），三電平、IGBT技術(shù)產(chǎn)品、多為單橋或雙橋、6脈波或12脈波、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，要求配套電機最好是專用電機、一般電機也可以。由于其整流波形是6脈波或12脈波，存在5次或11次以上諧波，故其諧波污染較厲害、諧波電流較大，應(yīng)考慮加裝專用的諧波濾波器，同時功率因數(shù)不理想。

　?。?）三電平、IGCT技術(shù)產(chǎn)品、多為單橋或雙橋、6脈波或12脈波、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，不要求專用電機、一般電機就可以。存在5次或11次以上諧波但抑制得好，有一定的諧波污染和諧波電流，不強調(diào)加裝諧波濾波器與功率因數(shù)補償裝置。

　?。?）多電平、IGBT技術(shù)產(chǎn)品、通過移相變壓器構(gòu)成五橋以上的多橋電路并獲得30以上脈波、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，直接作到6KV和10KV標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，不要求專用電機、一般電機就可以。由于其整流波形是30脈波以上，存在29次以上諧波，幾乎無諧波污染，無須加裝諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。

　　（4）近兩年還有一種直接串聯(lián)IGBT元件構(gòu)成高壓變頻器的技術(shù)產(chǎn)品,其直接輸入與輸出高壓電源,電壓可達(dá)6KV、10KV,作到直接輸出變頻高壓電源用于電機調(diào)速。由于此種技術(shù)理論還待討論、其產(chǎn)品商業(yè)化后的實際應(yīng)用尚待考察，暫時不敢貿(mào)然承擔(dān)風(fēng)險使用。

　　上述四種高壓變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)一步的技術(shù)原理、技術(shù)細(xì)節(jié)、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)等在此不做展開討論，這里僅概要的介紹其基本技術(shù)上的差異。經(jīng)論證比較后決定選用上述第三種技術(shù)：即多電平、幾乎無諧波的IGBT技術(shù)產(chǎn)品。目前此種產(chǎn)品形成規(guī)模生產(chǎn)的有兩家，一家是美國的ROBICON公司，另一家是中國的利德華福公司。兩家產(chǎn)品的技術(shù)路線基本上是一致的、屬于同一類型。但是在具體的技術(shù)細(xì)節(jié)、使用的標(biāo)準(zhǔn)、人機界面與適用的現(xiàn)場環(huán)境還是有很大差異的?？紤]后者在電源電壓波動適用范圍較寬、人機界面全漢化、售后服務(wù)較方便，尤其是兩者的商業(yè)報價竟然相差40%的差別，最后權(quán)衡技術(shù)性能/價格比后，決定選用北京利德華福公司的產(chǎn)品。確定采用其6KV、2000KVA、多電平、IGBT技術(shù)的5橋30脈波的變頻器一臺，“一拖二”使用。用來拖動新開河水廠二泵站3#與4#原6KV、1650KW的定速水泵電機。

　?。ㄈ?nbsp;  泵站計算機自動化系統(tǒng)升級改造方案

　　天津水司新開河水廠二泵站的計算機控制系統(tǒng)使用的是ABB DCS系統(tǒng)，它是由ABB Masterpiece 200/1主控站系統(tǒng)（簡稱MP200/1）作為全泵站的控制，ABB Masterview830/1人機界面后臺系統(tǒng)（簡稱MV830/1）作為計算機控制系統(tǒng)的監(jiān)控操作。該系統(tǒng)自1995年投產(chǎn)到現(xiàn)在已經(jīng)運行多年，運行狀況一直良好。雖然因為種種原因沒有實現(xiàn)閉環(huán)控制，但是作為狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)字采集與送水泵站開環(huán)控制系統(tǒng)，該計算機控制系統(tǒng)是非常成功的。但此次改造是基于如下三點原因，即：

　?。?）目前該系統(tǒng)中的MV830/1及其兩臺監(jiān)控專用CRT顯示器有故障，現(xiàn)場操作員使用非常不方便。而ABB公司現(xiàn)已不再生產(chǎn)MV830/1及其專用CRT顯示器，現(xiàn)在全部升級為ABB Advant station 500產(chǎn)品。采用普通的CRT顯示器與ABB原系統(tǒng)不兼容，所以無法使用，必須升級更換。

　　（2）現(xiàn)在新開河水廠二級調(diào)度的SCADA計算機系統(tǒng)已經(jīng)由原來的DEC公司主控站+TI565 PLC的系統(tǒng)更新升級為SIEMENS WiCC C/S+Siemens S₇PLC系統(tǒng)。原來的ABB公司Masterview830/1系統(tǒng)就沒有實現(xiàn)與調(diào)度原DEC公司主控站+TI565 PLC系統(tǒng)的聯(lián)接與通訊。但是此次升級改造必須作到ABB Advant station 500系統(tǒng)與SIEMENS WiCC C/S+Siemens S₇PLC系統(tǒng)的聯(lián)接與通訊。

　?。?）此次由于6KV配電系統(tǒng)結(jié)線方式改造，將3#定速水泵電機饋線與2#調(diào)速水泵電機饋線對調(diào)，使得1#、2# ABB GTO變頻調(diào)速裝置上口電源接在313線路的水廠專用電源上，同時使得3#、4# 6KV定速泵電機改為高壓變頻調(diào)速“一拖二”使用，要求高壓變頻器的電源電壓波動適用范圍要拓寬，使其上口電源接在314線路的社會公用電源上。如此的高壓供配電系統(tǒng)的改造與高壓大功率水泵電機拖動的改造，必然要求ABB DCS計算機控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和重新編制程序。

　　基于以上原因，我們必須對新開河水廠二泵站的ABB DCS計算機控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。從計算機控制系統(tǒng)的角度考慮，改造后的系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)與ABB Advant系統(tǒng)接軌，與上位水廠調(diào)度SCADA Siemens計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，另一方面實現(xiàn)對6KV配電系統(tǒng)、改造后的ABB GTO 1#、2#水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)、新裝的利德華福多電平 IGBT 3#、4#水泵“一拖二”變頻調(diào)速系統(tǒng)、KUBOTA多功能液壓球閥系統(tǒng)等的監(jiān)測、數(shù)字采集與自動化控制。其具體改造方案如下：

　　1，將現(xiàn)有的MP200/1的CPU主機板、內(nèi)存板升級為Advant410，原有的MP200/1的機柜和電源系統(tǒng)、I/O接口等繼續(xù)使用。修改后的主機系統(tǒng)升級為Advant系統(tǒng)。此時的編程工具軟件使用的是ABB AMP1.7。

　　AC410是ABB OCS 系統(tǒng)中的中等規(guī)模的全功能控制站。其控制功能有邏輯控制、順序控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)學(xué)運算、PID調(diào)節(jié)等等。CPU處理器為Motorola 68020 32位機，主頻25MHz，RAM是4M，可帶480個I/O，通過Field Bus 100總線及遠(yuǎn)程I/O可帶2500個I/O。AC410通訊功能較強，可通過MB300以太網(wǎng)總線與Advant OCS系統(tǒng)的監(jiān)控顯示操作站及控制站聯(lián)網(wǎng)。

　　2，將現(xiàn)有MV830/1及兩臺專用監(jiān)控顯示器更換為ABB Advant Windows NT系統(tǒng)和普通的顯示器，該系統(tǒng)硬件選用適合于工業(yè)現(xiàn)場使用的普通工業(yè)PC機，（最后選用的是Sinmens工控機），以便于維護(hù)和更換。操作員站軟件選用的是AdvaCommand for Windows NT系統(tǒng)。AC410與ABB Advant Windows NT聯(lián)接使用MB300總線，其速度為10M/s，原系統(tǒng)MB200速度僅為153.6Kbit/s。

　　ABB Advant Windows NT新系統(tǒng)不僅支持原有MV830/1的各種顯示圖形，如：過程控制流程圖、趨勢圖、組態(tài)顯示、報警顯示等等，還支持三維立體圖形畫面，其軟件具有強大的三維圖形庫可以調(diào)用，且該圖形庫可以由用戶自行補充。而做圖軟件為通用的Windows界面，作圖簡單，畫面直觀且更新時間為1秒。

　　3，為實現(xiàn)與水廠調(diào)度SCADA系統(tǒng)使用的Siemens上位機聯(lián)網(wǎng)，在AC410處加裝一塊通訊板C1532VO3，其通訊速度為每秒19.2Kbit/s。該塊通訊板從AC410聯(lián)接到Sinmens  PLC S7-300上加裝的CP341通訊板，且該板支持Siemens 3964R通訊協(xié)議。現(xiàn)在通訊距離≤15m。通訊數(shù)據(jù)＜100個。如果需要遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，需要在兩端加入2個Modom調(diào)制解調(diào)器，此時通訊距離可達(dá)10Km。

　　當(dāng)然還有另外一種方法，就是使用Profibus通訊協(xié)議，采用主從式數(shù)據(jù)傳遞?？梢栽贏BB AC410上加一塊CI541V1通訊卡，與Siemens S7-PLCT通訊，實現(xiàn)兩個不同系統(tǒng)的通訊與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳遞。但這里必須要求兩家各自公開自己的底層通訊協(xié)議方可實現(xiàn)。限于當(dāng)時的條件我們沒有實現(xiàn)此種做法。

　　四結(jié)束語

　　此次新開河水廠送水二泵站引進(jìn)設(shè)備的國產(chǎn)化改造，投資近300萬元、歷時兩年、分兩期工程進(jìn)行實施與完成。現(xiàn)在已全部完工并交付使用，正在積累運行參數(shù)，測算節(jié)電數(shù)據(jù)。實踐證明此次引進(jìn)設(shè)備的國產(chǎn)化技術(shù)改造，其效果與效益非常良好。證明方案的選擇是正確的、改造是成功的，有經(jīng)驗也有教訓(xùn)，初步體會如下：

　　1，改造以前必須對引進(jìn)的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)、消化，達(dá)到完全掌握的程度。

　　2，必須對準(zhǔn)備采用的廠家、公司的技術(shù)設(shè)備有特別深入的調(diào)查研究，在選擇廠家和技術(shù)設(shè)備時，一定要選擇“大型廠商、知名品牌”成熟的技術(shù)、產(chǎn)品。

　　3，在制訂技術(shù)改造方案階段必須多方面接觸、反復(fù)論證比較、制訂切實可行的方案。

　　4，作為電氣、計算機、自動化與高壓變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)備，其發(fā)展之快是異忽尋常的。所以我們在選擇該類技術(shù)產(chǎn)品時，一方面要考慮其高可靠性和高穩(wěn)定性，另一方面還要強調(diào)技術(shù)的前瞻性、先進(jìn)性。

　　5，在最終確定技術(shù)改造方案和技術(shù)設(shè)備選型后，同時還要作好改造工程的深入細(xì)致、切實可行的實施方案和工程完成后的模擬各種工藝運行工況的調(diào)試方案。后兩種方案是技術(shù)改造方案的落實與結(jié)果，在某種意義上決定著技術(shù)改造的成與敗，切勿忽視。

　　上述內(nèi)容是筆者主持該項技術(shù)改造工程的經(jīng)過與體會，整理出來與水工業(yè)同仁共同研討，可能存在不妥之處，懇望批評指正。

　　 作者簡介：孫有春，原天津市自來水集團(tuán)有限公司副總工程師、設(shè)備部部長，教授級高級工程師，現(xiàn)天津自動化學(xué)會理事、天津市政府采購中心特聘專家評委、中國電工學(xué)會水工業(yè)專委會委員、中國土木工程學(xué)會機電委員會委員、中國水協(xié)企管委設(shè)備管理信息中心主任、中國水協(xié)科技委電氣自動化專委會副主任，早年畢業(yè)于天津理工學(xué)院工業(yè)電氣自動化專業(yè)，長期從事企業(yè)供電、計算機、自動化、儀器儀表、電機拖動與水泵調(diào)速的研究與應(yīng)用。