天津市自來水集團有限公司  孫有春

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

　　關鍵詞：送水泵站、引進、技術設備、國產化、改造

　　一 引言

　　天津自來水集團公司新開河水廠在十年前進行二期建設時，曾利用日本政府OECF貸款，大規模地引進了國外技術與設備。十多年過去了，設備已進入老化期，計算機控制系統亦需要升級更新，自然引進技術與設備的改造工作提到日程上來了。2003年底我們進行了這方面的工作，本文僅就該泵站引進技術與設備國產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狀：

　　新開河水廠是1983年天津市“引灤”工程配套建設的日產水100萬噸能力的大型水廠。其中一期工程86年建成投產，日產水能力50萬噸，采用的是國產化設備；二期工程95年建成投產，日產水能力50萬噸，采用的大部分是引進國外的技術設備。其中二泵站具體引進的有：ABB公司的一套6KV開閉站配電設備，兩套2KV GTO技術變頻調速設備，兩套6KV降壓啟動設備，兩臺2KV調速電機與兩臺6KV定速電機，電機功率均為1650KW。為實現計算機自動化控制，引進了ABB DCS System一套，包括硬件設備與軟件程序以及相應的儀器儀表。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套液壓驅動多功能球閥，共同組成了二期加壓送水泵站，并全部實現了計算機自動化監測與控制。

　　特別需要說明的是引進ABB公司的變頻調速設備，是1992年世界領先技術的2KV電壓等級的GTO可關斷晶閘管逆變變頻器，三電平、單橋、六脈波、SPWM技術。但兩臺逆變變壓器的聯結組別卻分別是Ｙ／Δ_－１１和Ｙ／Ｙ_－１２兩種組別，只有其并聯在一個電源下時可成雙橋并聯１２脈波，方可獲得很好的抑制基本諧波的效果。但為方便水泵調速調度工藝著想，實際安裝卻是一臺調速水泵和一臺定速水泵分別組合聯結在兩段電源母線上。即1#調速泵與３＃定速泵接在一個電力專用電源上；而２＃調速泵與４＃定速泵接在一個電力公用電源上。由于該產品沒能按照ＧＢ中國標準制造，其電源電壓適用范圍是±５％Ｕｅ，但國內電網電壓實際波動范圍是≥±１０％Ｕｅ，又因為該產品采用的繼電保護是ＳＰＡ系列高靈敏度智能綜合保護裝置，所以當欠電壓或過電壓時，保護相當嚴格和靈敏。所以Ｔ接在公共電源上的２＃調速泵和4#定速泵的電機開關經常保護跳閘。而T接在專用電源上的1#調速泵和3#定速泵的電機運行相對穩定。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，但負載是恒轉矩水泵負載，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標準和IEC標準設計制造的，其設計裕量太小、絕緣強度較低，均低于GB中國國家標準。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計算機控制系統的硬件設備是其專用的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，其應用程序是用ABB Master系統專用的編程工具軟件編寫的，同時該硬件和軟件是93年引進的產品，所以其通用性和兼容性幾乎沒有，自成系統無法和其他系統聯接，并且自己無法開發升級換代。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、高壓配電設備、變頻調速設備和水泵電機機組一直是穩定運行的。2002年因為二泵站ABB計算機系統需要與水廠Siemens WinCC計算機調度系統聯網，同時ABB公司Master 系統專用的CRT已損壞報廢需更新，無法找到同類產品。提出了ABB計算機系統升級改造、更換計算機后臺設備為通用的開放型的硬件設備與軟件平臺。同時由于定速電機啟動變壓器燒毀需更新，進口同型號產品價格太昂貴，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，聯接3#、4#兩臺定速水泵電機，既可以變頻調速、又可以做軟啟動使用。結合此次重大改造，同時解決ABB GTO變頻器外接電源電壓適用范圍窄，調整1#、2#調速水泵變頻器上口電源使其適合國內電源電壓波動范圍寬的問題。幾方面的改造結合在一塊，花一次錢同時解決幾個問題，使得二泵站的計算機系統、調速系統和供電系統的整體技術水平就有了一個質的升華提高。

　　三 送水泵站引進設備改造方案概述

　　（一）6KV配電系統結線方式的改造

　　6KV配電系統結線方式的改造比較簡單，原來的結線方式是：6KV電源是雙回路進線，聯絡開關不投入、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調速泵電機和4# ABB 6KV定速泵電機。此次6KV配電系統結線方式改造，就是將3#定速水泵電機饋線與2#調速水泵電機饋線對調，使得1#、2# ABB GTO變頻調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配電系統結線方式的改造比較簡單，但是由此而引起的計算機Master系統的改造就顯得復雜了。因為該泵站已經實現了對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的完全計算機自動化控制。如此的改造就要求將ABB Master系統原來的程序讀懂、分解、刪除、重編、調整，然后再空載與帶載重新調試新編寫的程序。可見程序軟件改造的工程量與難度要遠遠超過6KV配電系統結線方式的改造。此工作一并并入ABB Master系統硬件與軟件的統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型水風冷式電機，其額定電流Ie=203^A。因為負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，是常規和可用的。只是其在設計制造時，遵循的是EN歐洲標準與IEC國際標準，電壓波動范圍窄。雖然ABB電氣設備電壓適用范圍是≤±5%Ue，仍低于GB標準。實際上電網供電電壓波動范圍經常是±10%Ue，甚至還要超過此范圍。故使該產品在實際電網供電的條件下，使用不久即燒毀報廢了。若同型號更新肯定是錯誤的選擇，其進口或國內制造報價均在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速使用，使其適應水泵變揚程、變流量供水的調度方式，同時可以降低配水電耗，一舉多得。經過反復的方案論證、技術性能/價格比，決定采用這種改造方案。

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

　　（1），三電平、IGBT技術產品、多為單橋或雙橋、6脈波或12脈波、PWM脈寬調制技術，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV標準電壓等級，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，應考慮加裝專用的諧波濾波器，同時功率因數不理想。

　　（2）三電平、IGCT技術產品、多為單橋或雙橋、6脈波或12脈波、PWM脈寬調制技術，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV標準電壓等級，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，不強調加裝諧波濾波器與功率因數補償裝置。

　　（3）多電平、IGBT技術產品、通過移相變壓器構成五橋以上的多橋電路并獲得30以上脈波、PWM脈寬調制技術，直接作到6KV和10KV標準電壓等級，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補償裝置。

　　（4）近兩年還有一種直接串聯IGBT元件構成高壓變頻器的技術產品,其直接輸入與輸出高壓電源,電壓可達6KV、10KV,作到直接輸出變頻高壓電源用于電機調速。由于此種技術理論還待討論、其產品商業化后的實際應用尚待考察，暫時不敢貿然承擔風險使用。

　　上述四種高壓變頻調速技術產品進一步的技術原理、技術細節、技術參數指標等在此不做展開討論，這里僅概要的介紹其基本技術上的差異。經論證比較后決定選用上述第三種技術：即多電平、幾乎無諧波的IGBT技術產品。目前此種產品形成規模生產的有兩家，一家是美國的ROBICON公司，另一家是中國的利德華福公司。兩家產品的技術路線基本上是一致的、屬于同一類型。但是在具體的技術細節、使用的標準、人機界面與適用的現場環境還是有很大差異的。考慮后者在電源電壓波動適用范圍較寬、人機界面全漢化、售后服務較方便，尤其是兩者的商業報價竟然相差40%的差別，最后權衡技術性能/價格比后，決定選用北京利德華福公司的產品。確定采用其6KV、2000KVA、多電平、IGBT技術的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。

　　（三）   泵站計算機自動化系統升級改造方案

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

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

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

　　（3）此次由于6KV配電系統結線方式改造，將3#定速水泵電機饋線與2#調速水泵電機饋線對調，使得1#、2# ABB GTO變頻調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計算機控制系統進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計算機控制系統進行升級改造。從計算機控制系統的角度考慮，改造后的系統應該實現與ABB Advant系統接軌，與上位水廠調度SCADA Siemens計算機系統聯網，另一方面實現對6KV配電系統、改造后的ABB GTO 1#、2#水泵變頻調速系統、新裝的利德華福多電平 IGBT 3#、4#水泵“一拖二”變頻調速系統、KUBOTA多功能液壓球閥系統等的監測、數字采集與自動化控制。其具體改造方案如下：

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

　　AC410是ABB OCS 系統中的中等規模的全功能控制站。其控制功能有邏輯控制、順序控制、數據處理、數學運算、PID調節等等。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總線及遠程I/O可帶2500個I/O。AC410通訊功能較強，可通過MB300以太網總線與Advant OCS系統的監控顯示操作站及控制站聯網。

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

　　ABB Advant Windows NT新系統不僅支持原有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，為實現與水廠調度SCADA系統使用的Siemens上位機聯網，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聯接到Sinmens  PLC S7-300上加裝的CP341通訊板，且該板支持Siemens 3964R通訊協議。現在通訊距離≤15m。通訊數據＜100個。如果需要遠距離數據傳輸，需要在兩端加入2個Modom調制解調器，此時通訊距離可達10Km。

　　當然還有另外一種方法，就是使用Profibus通訊協議，采用主從式數據傳遞。可以在ABB AC410上加一塊CI541V1通訊卡，與Siemens S7-PLCT通訊，實現兩個不同系統的通訊與數據轉換傳遞。但這里必須要求兩家各自公開自己的底層通訊協議方可實現。限于當時的條件我們沒有實現此種做法。

　　四結束語

　　此次新開河水廠送水二泵站引進設備的國產化改造，投資近300萬元、歷時兩年、分兩期工程進行實施與完成。現在已全部完工并交付使用，正在積累運行參數，測算節電數據。實踐證明此次引進設備的國產化技術改造，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，有經驗也有教訓，初步體會如下：

　　1，改造以前必須對引進的技術設備進行全面的學習、消化，達到完全掌握的程度。

　　2，必須對準備采用的廠家、公司的技術設備有特別深入的調查研究，在選擇廠家和技術設備時，一定要選擇“大型廠商、知名品牌”成熟的技術、產品。

　　3，在制訂技術改造方案階段必須多方面接觸、反復論證比較、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速技術設備，其發展之快是異忽尋常的。所以我們在選擇該類技術產品時，一方面要考慮其高可靠性和高穩定性，另一方面還要強調技術的前瞻性、先進性。

　　5，在最終確定技術改造方案和技術設備選型后，同時還要作好改造工程的深入細致、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試方案。后兩種方案是技術改造方案的落實與結果，在某種意義上決定著技術改造的成與敗，切勿忽視。

　　上述內容是筆者主持該項技術改造工程的經過與體會，整理出來與水工業同仁共同研討，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有限公司副總工程師、設備部部長，教授級高級工程師，現天津自動化學會理事、天津市政府采購中心特聘專家評委、中國電工學會水工業專委會委員、中國土木工程學會機電委員會委員、中國水協企管委設備管理信息中心主任、中國水協科技委電氣自動化專委會副主任，早年畢業于天津理工學院工業電氣自動化專業，長期從事企業供電、計算機、自動化、儀器儀表、電機拖動與水泵調速的研究與應用。