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綜合泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控流程邏輯的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(無(wú)人值守泵站的工作邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用)

姚、龐傳龍、陸、

結(jié)合實(shí)例，闡述了無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)總結(jié)了多水源井向儲(chǔ)水池補(bǔ)水的自動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)，為此類給水泵站的自動(dòng)化改造提供了新的思路。

摘要:本文主要介紹其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)于無(wú)人值守的泵站，總結(jié)了多臺(tái)水泵向一個(gè)儲(chǔ)水箱供水的自動(dòng)控制邏輯。？為這類泵站的自動(dòng)化提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞:水源井改造，給水泵站，泵站，無(wú)人值守，自動(dòng)控制邏輯

1.項(xiàng)目背景

華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)生活區(qū)常住人口8萬(wàn)人，有100多棟板樓。宿舍的生活用水由分布在宿舍東、南、西、北的四個(gè)給水泵站提供。四個(gè)泵站全部采用人工值班模式，32名工人24小時(shí)值班，管理成本極高。

為了降低泵站的運(yùn)行成本，管理部門要求將所有泵站改造成無(wú)人值守的自動(dòng)化泵站，希望只需要少量的設(shè)備維護(hù)人員就能保證泵站的正常運(yùn)行。

2.設(shè)計(jì)思路和改造要求

首先要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中到中控室的電腦上，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。考慮到小區(qū)比較大，如果采用光纖傳輸，布線施工難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，成本大。鑒于生活小區(qū)手機(jī)信號(hào)好，GPRS傳輸完全可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，而且轉(zhuǎn)換速度快，成本低，最終確定了GPRS傳輸方式。

其次，需要解決給水泵站的無(wú)人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制順序和邏輯以及各種自動(dòng)故障處理機(jī)制。這些問(wèn)題在有人值班的情況下很容易解決，但一旦所有人都疏散了，保證泵站的正常運(yùn)行就比較困難了。

給水泵站概況:泵站內(nèi)水源來(lái)自地下水，每個(gè)泵站有1-3口水井供水。大部分水源井分布在站內(nèi)，部分水源井距離泵站較遠(yuǎn)。給水泵站內(nèi)安裝有1-5個(gè)不同容量的地上儲(chǔ)水箱(大儲(chǔ)水箱容量為700m3，小儲(chǔ)水箱容量為300 m3)。儲(chǔ)水箱的底部通過(guò)管道連接，水箱中的水位不斷變化。此外，站內(nèi)還安裝了三臺(tái)加壓泵，以恒定的頻率和壓力將儲(chǔ)水箱中的水輸送到小區(qū)的供水管網(wǎng)。流程圖如下:

改造思路:主監(jiān)控終端安裝在加壓泵組控制室，用于采集水池水位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制加壓泵組運(yùn)行。站內(nèi)外水源井分別安裝分監(jiān)控終端，每個(gè)分監(jiān)控終端監(jiān)控一口水源井。站內(nèi)子監(jiān)控終端通過(guò)串行電纜與主監(jiān)控終端相連，站外子監(jiān)控終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控終端相連。泵站的控制邏輯由主監(jiān)控終端處理。

主監(jiān)控終端采用DATA-7301邏輯控制器，接口豐富，I/O擴(kuò)展方便。邏輯控制器有三個(gè)RS485串口，第一個(gè)接一個(gè)DATA-6106 GPRS模塊，設(shè)置為A型，可同時(shí)與站外水源井監(jiān)控中心和監(jiān)控終端通信；第二條道路連接站內(nèi)水源井監(jiān)控終端；第三種方式是保留。同時(shí)，邏輯控制器通過(guò)CAN總線連接到三個(gè)I/O擴(kuò)展模塊(DATA-7302)，分別控制三臺(tái)變頻增壓泵。

泵站監(jiān)控框架圖:

現(xiàn)場(chǎng)控制要求:多個(gè)水源井向儲(chǔ)水箱供水，儲(chǔ)水箱內(nèi)的水由增壓泵組加壓后對(duì)外供應(yīng)。各水源井可根據(jù)儲(chǔ)水箱水位的變化趨勢(shì)(由于加壓泵無(wú)規(guī)律排水)，自動(dòng)控制潛水泵的啟停，自動(dòng)調(diào)整啟動(dòng)水泵的數(shù)量，使各水源井均衡用水，保證地下水位穩(wěn)定，延長(zhǎng)潛水泵的使用壽命，保持儲(chǔ)水箱水位始終在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)， 并在水位超限、水池過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)閉所有加壓泵。

3.控制邏輯的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水源自動(dòng)供水系統(tǒng)分為儲(chǔ)水池端和水源井端兩部分。蓄水端主要采集水箱水位，設(shè)置預(yù)期水位值、預(yù)期水位變化值△和水位報(bào)警四個(gè)限值，根據(jù)當(dāng)前水位狀態(tài)和水位變化值計(jì)算所需流量，水位過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)閉增壓泵組。水源井端主要采集水泵的水位、水源井流量、水泵狀態(tài)和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)水泵狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間選擇水泵，然后根據(jù)池端輸出的需求流量控制水泵。

3.1計(jì)算需求流量△Q

系統(tǒng)定時(shí)計(jì)算得到需要加池或減池的瞬時(shí)進(jìn)水值△Q，從而得到精確控制啟閉泵的數(shù)量和時(shí)機(jī)。因此，準(zhǔn)確及時(shí)地計(jì)算△Q值是水池邏輯控制的核心。

△Q是根據(jù)水位信息、時(shí)間信息和各種設(shè)定參數(shù)，遵循一套水位控制策略計(jì)算出來(lái)的。

要從池中加入和減去的瞬時(shí)流入值△Q的計(jì)算過(guò)程如下:

(1)計(jì)算當(dāng)前水位值l

需要過(guò)濾當(dāng)前水位值，設(shè)置水位過(guò)濾間隔T1。

每個(gè)采集周期T采集一個(gè)水位值Li，所有采集的水位值在T1時(shí)間內(nèi)取平均值。

如果采集時(shí)間小于T1，將采集的水位值求和，計(jì)算采集次數(shù)n，根據(jù)采集次數(shù)計(jì)算水位值的平均值；

如果采集時(shí)間長(zhǎng)于T1，T1內(nèi)的所有水位值總是取平均值。即每采集一個(gè)新的水位值，從上一個(gè)平均水位值中減去水位值之和，加上新的水位值；采集次數(shù)n不變，然后計(jì)算水位的平均值。

(2)計(jì)算當(dāng)前水位變化值△ L

計(jì)算當(dāng)前水位值后備份Lbak = L，然后每個(gè)T2時(shí)間取當(dāng)前水位值，計(jì)算當(dāng)前水位變化值△ l

△L = L–Lbak

△L > 0表示水位在上升；

△L < 0表示水位呈下降趨勢(shì)。

(3)計(jì)算需求流量

△Q =△L * S/T2 * 3600；

△L:上一步得到的結(jié)果。

s:池底區(qū)域。

T2:水位的間隔時(shí)間。

之后將計(jì)算結(jié)果*3600換算成每小時(shí)的需求流量。

3.2水池水位控制策略

根據(jù)水池的狀態(tài)，開(kāi)啟和關(guān)閉泵來(lái)控制水池的水位。

(1)水位下降

即水位線觸及預(yù)期水位下限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，保證水池水位繼續(xù)上升。直到水位達(dá)到所需的水位，控制器才被釋放。

在該控制階段，定期執(zhí)行邏輯操作以控制泵的啟動(dòng)操作，使得水位保持上升。在這個(gè)過(guò)程中，只開(kāi)啟泵，不關(guān)閉泵。

(2)水位上升

即水位線觸及預(yù)期水位上限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，保證水池水位繼續(xù)下降。直到水位達(dá)到期望的水位，此時(shí)控制結(jié)束。

在這個(gè)控制階段，定時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制水泵關(guān)閉，保持水位下降。在這個(gè)過(guò)程中，只關(guān)泵，不開(kāi)泵。

這一過(guò)程控制的目標(biāo)是保持水位處于持續(xù)下降的趨勢(shì)。

3.3過(guò)沖

超調(diào)量是指當(dāng)需要用開(kāi)關(guān)泵調(diào)節(jié)水位時(shí)，除了抵消△Q外，增加的流量或開(kāi)關(guān)泵的數(shù)量，以提高水位調(diào)節(jié)的速度；

△Q1=△Q+相應(yīng)水位的超調(diào)量

它是用查表法實(shí)現(xiàn)的。下表是一個(gè)示例表。

4.轉(zhuǎn)化效應(yīng)

經(jīng)過(guò)上述邏輯改造后，四臺(tái)供水泵站已經(jīng)完全滿足了無(wú)人值守泵站的要求，即無(wú)論在供水高峰期還是枯水期，都能保證水箱水位在預(yù)期范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水箱水位智能控制水源井的啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，避免水源井頻繁啟動(dòng)造成的泵損壞和增壓泵空轉(zhuǎn)，提高水泵運(yùn)行能效，節(jié)約電能，完美實(shí)現(xiàn)供水設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行和給水泵站的無(wú)人值守管理。

四臺(tái)給水泵站改造已近兩年，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。兩年內(nèi)有兩次故障，都是繼電器故障。監(jiān)控中心及時(shí)得到報(bào)警信息，故障很快得到解決。泵站無(wú)人值守改造后，去掉了29名值班人員，增加了2名維護(hù)人員，大大降低了泵站運(yùn)行成本，提高了故障響應(yīng)速度。

從2014年開(kāi)始，這套泵站自動(dòng)控制邏輯先后在山西、甘肅、內(nèi)蒙古等地的多個(gè)泵站改造工程中得到應(yīng)用。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶的好評(píng)。

泵站控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程泵站控制系統(tǒng)

適用范圍

泵站控制系統(tǒng)適用于城市供水系統(tǒng)加壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

泵站管理人員可以在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控泵站水池的水位或入口壓力、增壓泵組的工作狀態(tài)、出口流量和出口壓力；可以遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制加壓泵組的啟動(dòng)和停止；光纖通信時(shí)，可對(duì)站內(nèi)全景和重要站場(chǎng)進(jìn)行圖像監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)泵站無(wú)人值守。

構(gòu)成

系統(tǒng)功能

軟件界面

現(xiàn)場(chǎng)展示

主要設(shè)備組成

1.監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)(單個(gè)測(cè)量點(diǎn))

備注:以“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。

2。監(jiān)控中心

備注:客戶也可以直接租用平聲云平臺(tái)，詳情點(diǎn)擊“云平臺(tái)軟件”。

應(yīng)用案例

案例一。華北油田萬(wàn)莊礦區(qū)供水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

項(xiàng)目要求:

華北油田萬(wàn)莊生活區(qū)的生活用水分別由東、南、西、北四座恒壓供水泵站供給，每座泵站的水源來(lái)自1~3口水源井。供水系統(tǒng)由人工值班管理，32名工人24小時(shí)值班，管理成本極高。

為了降低泵站的運(yùn)行成本，管理部門要求將所有泵站改造成無(wú)人值守的自動(dòng)化泵站，希望只需要少量的設(shè)備維護(hù)人員就能保證泵站的正常運(yùn)行。

工藝流程圖:

系統(tǒng)描述:

1.通信和網(wǎng)絡(luò)

這四個(gè)泵站分布在居民區(qū)的東、南、西、北四個(gè)方向。如果系統(tǒng)采用有線傳輸，布線和施工難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高。鑒于小區(qū)GPRS信號(hào)較好，GPRS通信完全可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅肄D(zhuǎn)換速度快，成本低，最終采用GPRS無(wú)線傳輸。

監(jiān)控中心不具備上網(wǎng)條件，水源井監(jiān)控設(shè)備與泵站之間需要獨(dú)立通信，因此系統(tǒng)需要以VPN方式組網(wǎng)，每套設(shè)備內(nèi)安裝GPRS-VPN專網(wǎng)的SIM卡。

2.系統(tǒng)功能

①泵站DATA-9201作為主要監(jiān)控終端，安裝在供水泵站，采集儲(chǔ)水箱水位、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量、泵組運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制加壓泵組運(yùn)行。

②水源井監(jiān)控終端DATA-9201安裝在各水源井泵房?jī)?nèi)。每個(gè)分監(jiān)控終端監(jiān)控一口水源井，采集水位、流量、泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和泵的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)供水泵站的水位和每臺(tái)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)控制每口水源井向儲(chǔ)水箱補(bǔ)水。

(3)將各泵站和水源井的水泵狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)、管道壓力、管道流量、儲(chǔ)水箱水位等數(shù)據(jù)全部上報(bào)監(jiān)控中心；當(dāng)數(shù)據(jù)超限，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向管理人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

3.自動(dòng)供水的實(shí)現(xiàn)原理

自動(dòng)供水系統(tǒng)分為兩部分，即供水泵站的儲(chǔ)水池端和水源井端。

供水泵站儲(chǔ)水箱端:泵站監(jiān)控終端DATA-9201采集水箱水位，設(shè)置預(yù)期水位、預(yù)期水位變化值△和水位報(bào)警四個(gè)限值，根據(jù)當(dāng)前水位狀態(tài)和水位變化值計(jì)算所需流量。水位過(guò)低時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉泵站增壓泵組，停止外部供水。

水源端:DATA-9201，水源井監(jiān)控終端，采集水位、水源井流量、水泵狀態(tài)、水泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)水泵狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間選擇水泵(實(shí)現(xiàn)所有水源井水泵均衡運(yùn)行)，根據(jù)泵站監(jiān)控終端輸出的需求流量獨(dú)立啟停水泵，為水箱補(bǔ)水，使儲(chǔ)水箱水位始終在預(yù)期范圍內(nèi)。

應(yīng)用效果:

升級(jí)后的供水系統(tǒng)無(wú)論在供水高峰還是低峰期，都能保證水箱水位在預(yù)期范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)儲(chǔ)水箱的水位智能控制水源井水泵的啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，避免水泵頻繁啟動(dòng)和空轉(zhuǎn)。

泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，提高了水泵運(yùn)行效率，大大節(jié)約了電能，減少了27名工作人員，實(shí)現(xiàn)了用戶的無(wú)人值守需求，達(dá)到了減員增效的目的。

二、安徽省某水廠取水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

項(xiàng)目要求:

安徽某水廠的水源來(lái)自5公里外的一條河。長(zhǎng)期以來(lái)，河道內(nèi)的取水泵站一直由人工值班管理。

當(dāng)水廠內(nèi)水池水位低時(shí)，調(diào)度人員需打
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