智慧水務(wù)——無(wú)人值守泵站改造項(xiàng)目方案

無(wú)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(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(dòng)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(wú)人值守、自控邏輯

1、項(xiàng)目背景

        華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬(wàn)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(gè)給水泵站供給。4個(gè)泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時(shí)輪流值班，管理成本*。

        為了減少泵站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，管理部門要求將所有泵站改造成為無(wú)人值守自動(dòng)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(wèn)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(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號(hào)比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅腋脑焖俣瓤?、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(wú)人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動(dòng)處理機(jī)制。這些問(wèn)題在有人員值班的時(shí)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(chǎng)概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個(gè)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(gè)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(gè)，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(guò)管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺(tái)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(lái)采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動(dòng)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(gè)子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺(tái)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(guò)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(lái)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(gè)，路連接一臺(tái)DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時(shí)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(shí)，邏輯控制器通過(guò)CAN總線連接3臺(tái)I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺(tái)變頻加壓泵。

        泵站監(jiān)控框架圖： 

        現(xiàn)場(chǎng)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(duì)外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢(shì)（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動(dòng)控制潛水泵的啟、停，且自動(dòng)調(diào)整水泵啟動(dòng)個(gè)數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長(zhǎng)潛水泵的使用壽命，保持儲(chǔ)水罐水位始終在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報(bào)警、水池過(guò)低時(shí)自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(guò)低時(shí)自動(dòng)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(shí)間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)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(shí)計(jì)算，得到水池需加減的瞬時(shí)流入量值△Q，從而得到精確控制開(kāi)關(guān)泵的數(shù)量與時(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根據(jù)水位信息、時(shí)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(lái)。 

        水池需加減的瞬時(shí)流入量值△Q的運(yùn)算過(guò)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(gè)采集周期t采集1個(gè)水位值Li，在T1時(shí)間內(nèi)對(duì)采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集時(shí)間沒(méi)到T1，則對(duì)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(shí)間大于T1，則始終對(duì)T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時(shí)，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(shí)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(shì)； 

        △L < 0表示水位處于下降趨勢(shì)。 

        (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(shí)間。 

        后把計(jì)算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個(gè)小時(shí)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(kāi)關(guān)泵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開(kāi)泵操作，使水位持續(xù)上升。此過(guò)程中，只執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作，不執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)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(shí)結(jié)束控制。 

        在該控制階段，定時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過(guò)程中，只執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)作，不執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作。 

        此過(guò)程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢(shì)。 

3.3 超調(diào)量 

        超調(diào)量是指需要開(kāi)關(guān)泵調(diào)控水位時(shí)，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(kāi)關(guān)泵數(shù)： 

△Q1=△Q+對(duì)應(yīng)水位的超調(diào)量 

        采用查表法實(shí)現(xiàn)，下表是一個(gè)表樣例。 

4、改造效果 

        四個(gè)供水泵站經(jīng)過(guò)以上邏輯改造，已經(jīng)*符合無(wú)人值守泵站的要求，即無(wú)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(dòng)個(gè)數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，避免水源井頻繁啟動(dòng)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(dòng)化運(yùn)行和給水泵站的無(wú)人值守管理。 

        4個(gè)給水泵站改造至今已近2年的時(shí)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(guò)兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時(shí)獲得了報(bào)警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過(guò)無(wú)人職守改造后，現(xiàn)場(chǎng)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(yíng)成本并提高了故障響應(yīng)速度。 

        自2014年以來(lái)，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(guó)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(qǐng)標(biāo)注轉(zhuǎn)載來(lái)源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)。

無(wú)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(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(dòng)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(wú)人值守、自控邏輯

1、項(xiàng)目背景

        華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬(wàn)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(gè)給水泵站供給。4個(gè)泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時(shí)輪流值班，管理成本*。

        為了減少泵站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，管理部門要求將所有泵站改造成為無(wú)人值守自動(dòng)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(wèn)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(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號(hào)比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(wú)人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動(dòng)處理機(jī)制。這些問(wèn)題在有人員值班的時(shí)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(chǎng)概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個(gè)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(gè)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(gè)，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(guò)管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺(tái)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(lái)采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動(dòng)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(gè)子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺(tái)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(guò)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(lái)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(gè)，路連接一臺(tái)DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時(shí)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(shí)，邏輯控制器通過(guò)CAN總線連接3臺(tái)I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺(tái)變頻加壓泵。

        泵站監(jiān)控框架圖： 

        現(xiàn)場(chǎng)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(duì)外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢(shì)（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動(dòng)控制潛水泵的啟、停，且自動(dòng)調(diào)整水泵啟動(dòng)個(gè)數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長(zhǎng)潛水泵的使用壽命，保持儲(chǔ)水罐水位始終在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報(bào)警、水池過(guò)低時(shí)自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(guò)低時(shí)自動(dòng)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(shí)間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)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(shí)計(jì)算，得到水池需加減的瞬時(shí)流入量值△Q，從而得到精確控制開(kāi)關(guān)泵的數(shù)量與時(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根據(jù)水位信息、時(shí)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(lái)。 

        水池需加減的瞬時(shí)流入量值△Q的運(yùn)算過(guò)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(gè)采集周期t采集1個(gè)水位值Li，在T1時(shí)間內(nèi)對(duì)采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集時(shí)間沒(méi)到T1，則對(duì)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(shí)間大于T1，則始終對(duì)T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時(shí)，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(shí)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(shì)； 

        △L < 0表示水位處于下降趨勢(shì)。 

        (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(shí)間。 

        后把計(jì)算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個(gè)小時(shí)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(kāi)關(guān)泵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開(kāi)泵操作，使水位持續(xù)上升。此過(guò)程中，只執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作，不執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)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(shí)結(jié)束控制。 

        在該控制階段，定時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過(guò)程中，只執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)作，不執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作。 

        此過(guò)程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢(shì)。 

3.3 超調(diào)量 

        超調(diào)量是指需要開(kāi)關(guān)泵調(diào)控水位時(shí)，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(kāi)關(guān)泵數(shù)： 

△Q1=△Q+對(duì)應(yīng)水位的超調(diào)量 

        采用查表法實(shí)現(xiàn)，下表是一個(gè)表樣例。 

4、改造效果 

        四個(gè)供水泵站經(jīng)過(guò)以上邏輯改造，已經(jīng)*符合無(wú)人值守泵站的要求，即無(wú)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(dòng)個(gè)數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，避免水源井頻繁啟動(dòng)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(dòng)化運(yùn)行和給水泵站的無(wú)人值守管理。 

        4個(gè)給水泵站改造至今已近2年的時(shí)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(guò)兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時(shí)獲得了報(bào)警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過(guò)無(wú)人職守改造后，現(xiàn)場(chǎng)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(yíng)成本并提高了故障響應(yīng)速度。 

        自2014年以來(lái)，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(guó)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(qǐng)標(biāo)注轉(zhuǎn)載來(lái)源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)。