智慧水務(wù)——無人值守泵站改造項(xiàng)目方案
無人值守泵站工藝邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用
（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations）
姚妍彬、龐傳龍、盧成偉、張曉華
摘要：結(jié)合實(shí)例闡述了無人值守泵站的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)總結(jié)了多口水源井為蓄水罐補(bǔ)水的自控邏輯設(shè)計(jì)，為此類給水泵站的自動化改造提供了新思路。
Abstract: The paper mainly introduces the design and realization?for unattended water-pumping stations,summarizes the auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank.?It provides a new thought for this kind of pump stations’automation.
關(guān)鍵詞：水源井、給水泵站、泵站改造、無人值守、自控邏輯
1、項(xiàng)目背景
華北油田廊坊萬莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本*。
為了減少泵站運(yùn)營費(fèi)用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運(yùn)行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運(yùn)行。
2、設(shè)計(jì)思路及改造要求
首先要解決的就是數(shù)據(jù)傳輸問題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中至中控室計(jì)算機(jī)，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控?？紤]到小區(qū)占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線、施工難度大且時間長、費(fèi)用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊?，且改造速度快、成本低，終確定采用GPRS的傳輸方式。
其次要解決的是給水泵站無人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機(jī)制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運(yùn)行就比較困難。
給水泵站現(xiàn)場概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數(shù)水源井分布在站內(nèi)，個別水源井離泵站較遠(yuǎn)。給水泵站內(nèi)安裝地上蓄水罐1-5個，容量不一（大的蓄水罐容積700m3、小的蓄水罐容積為300 m3），蓄水罐底部通過管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內(nèi)的水變頻恒壓輸送至小區(qū)給水管網(wǎng)。工藝示意圖如下：
改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監(jiān)控終端，用來采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動控制加壓泵組的運(yùn)行。在站內(nèi)、站外水源井處分別安裝子監(jiān)控終端，每個子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺水源井。站內(nèi)子監(jiān)控終端采用串口電纜與主監(jiān)控終端連接，站外子監(jiān)控終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控終端聯(lián)網(wǎng)。泵站控制邏輯均由主監(jiān)控終端來處理。
主監(jiān)控終端內(nèi)采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴(kuò)展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個，路連接一臺DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時與監(jiān)控中心以及站外水源井子監(jiān)控終端通信；第二路連接站內(nèi)水源井子監(jiān)控終端；第三路預(yù)留。同時，邏輯控制器通過CAN總線連接3臺I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺變頻加壓泵。
泵站監(jiān)控框架圖：
現(xiàn)場控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調(diào)整水泵啟動個數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報(bào)警、水池過低時自動關(guān)停所有加壓泵。
3、控制邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
水源井自動供水系統(tǒng)分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報(bào)警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計(jì)算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計(jì)運(yùn)行時間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時間進(jìn)行選泵，再根據(jù)水池端輸出的需求流量進(jìn)行控泵。
3.1 計(jì)算需求流量△Q
系統(tǒng)定時計(jì)算，得到水池需加減的瞬時流入量值△Q，從而得到精確控制開關(guān)泵的數(shù)量與時機(jī)。因此準(zhǔn)確及時地計(jì)算△Q值，是水池邏輯控制的核心。
△Q根據(jù)水位信息、時間信息及各種設(shè)定參數(shù)，遵循一套水位控制策略計(jì)算得來。
水池需加減的瞬時流入量值△Q的運(yùn)算過程如下：
(1) 計(jì)算當(dāng)前水位值L
當(dāng)前水位值需要進(jìn)行濾波處理，設(shè)定水位濾波間隔T1。
每個采集周期t采集1個水位值Li，在T1時間內(nèi)對采集到的所有水位值求平均值。
如果采集時間沒到T1，則對采集的水位值求和，并計(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；
如果采集時間大于T1，則始終對T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數(shù)n不變，之后計(jì)算水位值的平均值。
(2) 計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L
計(jì)算出當(dāng)前水位值后進(jìn)行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當(dāng)前水位值，并計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L。
△L = L – Lbak
△L > 0表示水位處于上升趨勢；
△L < 0表示水位處于下降趨勢。
(3) 計(jì)算需求流量
△Q =△L*S/ T2*3600;
△L:上一步求得的結(jié)果。
S:水池底面積。
T2:取水位的間隔時間。
后把計(jì)算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個小時的需求流量。
3.2 水池水位控制策略
系統(tǒng)根據(jù)水池狀態(tài)進(jìn)行開關(guān)泵動作，實(shí)現(xiàn)對水池水位的控制。
(1) 水位下降
即發(fā)生水位線觸碰期望水位下限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。
在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開泵操作，使水位持續(xù)上升。此過程中，只執(zhí)行開泵動作，不執(zhí)行關(guān)泵動作。
(2) 水位上升
即發(fā)生水位線觸碰期望水位上限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)下降。直到水位觸碰期望水位，此時結(jié)束控制。
在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過程中，只執(zhí)行關(guān)泵動作，不執(zhí)行開泵動作。
此過程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢。
3.3 超調(diào)量
超調(diào)量是指需要開關(guān)泵調(diào)控水位時，除了要抵消△Q外，要增加水位調(diào)控的速度而額外增加的流量或者開關(guān)泵數(shù)：
△Q1=△Q+對應(yīng)水位的超調(diào)量
采用查表法實(shí)現(xiàn)，下表是一個表樣例。
4、改造效果
四個供水泵站經(jīng)過以上邏輯改造，已經(jīng)*符合無人值守泵站的要求，即無論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水罐水位智能控制水源井的啟動個數(shù)及運(yùn)行時間，避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運(yùn)行能效、節(jié)約電能，完美實(shí)現(xiàn)了供水設(shè)備的自動化運(yùn)行和給水泵站的無人值守管理。
4個給水泵站改造至今已近2年的時間，整套系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2年內(nèi)共發(fā)生過兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時獲得了報(bào)警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過無人職守改造后，現(xiàn)場去掉了值班人員29人、增加了維護(hù)人員2人，大幅度降低了泵站運(yùn)營成本并提高了故障響應(yīng)速度。
自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內(nèi)蒙等地的多處泵站改造項(xiàng)目中得到運(yùn)用，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶的*。
注：作者為本單位技術(shù)人員，本文已刊登在《中國給水排水》雜志 2016年6月1日出版 第32卷 第11期（總第415期），如需轉(zhuǎn)載，請標(biāo)注轉(zhuǎn)載來源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)。
無人值守泵站工藝邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用
（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations）
姚妍彬、龐傳龍、盧成偉、張曉華
摘要：結(jié)合實(shí)例闡述了無人值守泵站的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)總結(jié)了多口水源井為蓄水罐補(bǔ)水的自控邏輯設(shè)計(jì)，為此類給水泵站的自動化改造提供了新思路。
Abstract: The paper mainly introduces the design and realization?for unattended water-pumping stations,summarizes the auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank.?It provides a new thought for this kind of pump stations’automation.
關(guān)鍵詞：水源井、給水泵站、泵站改造、無人值守、自控邏輯
1、項(xiàng)目背景
華北油田廊坊萬莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本*。
為了減少泵站運(yùn)營費(fèi)用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運(yùn)行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運(yùn)行。
2、設(shè)計(jì)思路及改造要求
首先要解決的就是數(shù)據(jù)傳輸問題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中至中控室計(jì)算機(jī)，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控?？紤]到小區(qū)占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線、施工難度大且時間長、費(fèi)用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊?，且改造速度快、成本低，終確定采用GPRS的傳輸方式。
其次要解決的是給水泵站無人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機(jī)制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運(yùn)行就比較困難。
給水泵站現(xiàn)場概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數(shù)水源井分布在站內(nèi)，個別水源井離泵站較遠(yuǎn)。給水泵站內(nèi)安裝地上蓄水罐1-5個，容量不一（大的蓄水罐容積700m3、小的蓄水罐容積為300 m3），蓄水罐底部通過管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內(nèi)的水變頻恒壓輸送至小區(qū)給水管網(wǎng)。工藝示意圖如下：
改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監(jiān)控終端，用來采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動控制加壓泵組的運(yùn)行。在站內(nèi)、站外水源井處分別安裝子監(jiān)控終端，每個子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺水源井。站內(nèi)子監(jiān)控終端采用串口電纜與主監(jiān)控終端連接，站外子監(jiān)控終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控終端聯(lián)網(wǎng)。泵站控制邏輯均由主監(jiān)控終端來處理。
主監(jiān)控終端內(nèi)采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴(kuò)展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個，路連接一臺DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時與監(jiān)控中心以及站外水源井子監(jiān)控終端通信；第二路連接站內(nèi)水源井子監(jiān)控終端；第三路預(yù)留。同時，邏輯控制器通過CAN總線連接3臺I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺變頻加壓泵。
泵站監(jiān)控框架圖：
現(xiàn)場控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調(diào)整水泵啟動個數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報(bào)警、水池過低時自動關(guān)停所有加壓泵。
3、控制邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
水源井自動供水系統(tǒng)分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報(bào)警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計(jì)算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計(jì)運(yùn)行時間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時間進(jìn)行選泵，再根據(jù)水池端輸出的需求流量進(jìn)行控泵。
3.1 計(jì)算需求流量△Q
系統(tǒng)定時計(jì)算，得到水池需加減的瞬時流入量值△Q，從而得到精確控制開關(guān)泵的數(shù)量與時機(jī)。因此準(zhǔn)確及時地計(jì)算△Q值，是水池邏輯控制的核心。
△Q根據(jù)水位信息、時間信息及各種設(shè)定參數(shù)，遵循一套水位控制策略計(jì)算得來。
水池需加減的瞬時流入量值△Q的運(yùn)算過程如下：
(1) 計(jì)算當(dāng)前水位值L
當(dāng)前水位值需要進(jìn)行濾波處理，設(shè)定水位濾波間隔T1。
每個采集周期t采集1個水位值Li，在T1時間內(nèi)對采集到的所有水位值求平均值。
如果采集時間沒到T1，則對采集的水位值求和，并計(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；
如果采集時間大于T1，則始終對T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數(shù)n不變，之后計(jì)算水位值的平均值。
(2) 計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L
計(jì)算出當(dāng)前水位值后進(jìn)行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當(dāng)前水位值，并計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L。
△L = L – Lbak
△L > 0表示水位處于上升趨勢；
△L < 0表示水位處于下降趨勢。
(3) 計(jì)算需求流量
△Q =△L*S/ T2*3600;
△L:上一步求得的結(jié)果。
S:水池底面積。
T2:取水位的間隔時間。
后把計(jì)算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個小時的需求流量。
3.2 水池水位控制策略
系統(tǒng)根據(jù)水池狀態(tài)進(jìn)行開關(guān)泵動作，實(shí)現(xiàn)對水池水位的控制。
(1) 水位下降
即發(fā)生水位線觸碰期望水位下限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。
在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開泵操作，使水位持續(xù)上升。此過程中，只執(zhí)行開泵動作，不執(zhí)行關(guān)泵動作。
(2) 水位上升
即發(fā)生水位線觸碰期望水位上限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)下降。直到水位觸碰期望水位，此時結(jié)束控制。
在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過程中，只執(zhí)行關(guān)泵動作，不執(zhí)行開泵動作。
此過程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢。
3.3 超調(diào)量
超調(diào)量是指需要開關(guān)泵調(diào)控水位時，除了要抵消△Q外，要增加水位調(diào)控的速度而額外增加的流量或者開關(guān)泵數(shù)：
△Q1=△Q+對應(yīng)水位的超調(diào)量
采用查表法實(shí)現(xiàn)，下表是一個表樣例。
4、改造效果
四個供水泵站經(jīng)過以上邏輯改造，已經(jīng)*符合無人值守泵站的要求，即無論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水罐水位智能控制水源井的啟動個數(shù)及運(yùn)行時間，避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運(yùn)行能效、節(jié)約電能，完美實(shí)現(xiàn)了供水設(shè)備的自動化運(yùn)行和給水泵站的無人值守管理。
4個給水泵站改造至今已近2年的時間，整套系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2年內(nèi)共發(fā)生過兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時獲得了報(bào)警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過無人職守改造后，現(xiàn)場去掉了值班人員29人、增加了維護(hù)人員2人，大幅度降低了泵站運(yùn)營成本并提高了故障響應(yīng)速度。
自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內(nèi)蒙等地的多處泵站改造項(xiàng)目中得到運(yùn)用，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶的*。
注：作者為本單位技術(shù)人員，本文已刊登在《中國給水排水》雜志 2016年6月1日出版 第32卷 第11期（總第415期），如需轉(zhuǎn)載，請標(biāo)注轉(zhuǎn)載來源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)。
