智慧水务——无人值守泵站改造项目方案 集中控制装置

智慧水务——无人值守泵站改造项目方案

无人值守泵站工艺逻辑设计及应用

（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations） 

姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华

摘要：结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，重点总结了多口水源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计，为此类给水泵站的自动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.

关键词：水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑

1、项目背景

        华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口8万人、板式楼房100余座，小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的4个给水泵站供给。4个泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小时轮流值班，管理成本*。

        为了减少泵站运营费用，管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。

2、设计思路及改造要求

        首先要解决的就是数据传输问题，即将所有泵站的数据集中至中控室计算机，以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大，如果采用光纤传输，布线、施工难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好，采用GPRS传输完*够满足数据实时传输的要求，且改造速度快、成本低，终确定采用GPRS的传输方式。 

        其次要解决的是给水泵站无人值守改造，需要解决大量现场设备的控制顺序、逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决，一旦人员全部撤离后，如何保证泵站的正常运行就比较困难。 

        给水泵站现场概况：泵站内水源采自地下水，每个泵站均有1-3口水源井提供水源。多数水源井分布在站内，个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上蓄水罐1-5个，容量不一（大的蓄水罐容积700m³、小的蓄水罐容积为300 m³），蓄水罐底部通过管道连通，罐内水位变化一致。站内另安装有3台加压泵，将蓄水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下：

         改造思路：在加压泵组控制室安装主监控终端，用来采集水池液位、管网流量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监控终端，每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监控终端连接，站外子监控终端通过GPRS网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑均由主监控终端来处理。 

        主监控终端内采用逻辑控制器DATA-7301，该控制器接口丰富、I/O扩展方便。逻辑控制器的RS485串口有3个，路连接一台DATA-6106 GPRS模块，且设置为A型，可同时与监控中心以及站外水源井子监控终端通信；第二路连接站内水源井子监控终端；第三路预留。同时，逻辑控制器通过CAN总线连接3台I/O扩展模块（DATA-7302），分别控制3台变频加压泵。

        泵站监控框架图： 

        现场控制要求：多口水源井给蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加压泵组加压对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势（由于加压泵出水不规则）能自动控制潜水泵的启、停，且自动调整水泵启动个数，使每口水源井均衡用水，保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命，保持储水罐水位始终在一个标准值范围内，并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。 

3、控制逻辑总体结构设计

        水源井自动供水系统分为2部分，分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并设定期望水位值、期望水位变化值△、水位报警的4个限值，根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量，当水位过低时自动关停加压泵组。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵状态、泵的累计运行时间，并根据水泵状态及运行时间进行选泵，再根据水池端输出的需求流量进行控泵。

3.1 计算需求流量△Q 

        系统定时计算，得到水池需加减的瞬时流入量值△Q，从而得到精确控制开关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q值，是水池逻辑控制的核心。 

        △Q根据水位信息、时间信息及各种设定参数，遵循一套水位控制策略计算得来。 

        水池需加减的瞬时流入量值△Q的运算过程如下： 

        (1) 计算当前水位值L 

        当前水位值需要进行滤波处理，设定水位滤波间隔T1。 

        每个采集周期t采集1个水位值Li，在T1时间内对采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集时间没到T1，则对采集的水位值求和，并计算采集次数n，根据采集次数计算水位值的平均值； 

        如果采集时间大于T1，则始终对T1内的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值时，水位值的和减去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次数n不变，之后计算水位值的平均值。 

        (2) 计算当前水位变化值△L 

        计算出当前水位值后进行备份Lbak = L，之后每隔T2时间取一次当前水位值，并计算当前水位变化值△L。 

        △L = L – Lbak 

        △L > 0表示水位处于上升趋势； 

        △L < 0表示水位处于下降趋势。 

        (3) 计算需求流量 

        △Q =△L*S/ T2*3600; 

        △L:上一步求得的结果。 

        S:水池底面积。 

        T2:取水位的间隔时间。 

        后把计算结果*3600转换成每个小时的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系统根据水池状态进行开关泵动作，实现对水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即发生水位线触碰期望水位下限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续上升。直到水位触碰期望水位，解除控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制开泵操作，使水位持续上升。此过程中，只执行开泵动作，不执行关泵动作。 

        (2) 水位上升 

        即发生水位线触碰期望水位上限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续下降。直到水位触碰期望水位，此时结束控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制关泵，使水位持续下降。此过程中，只执行关泵动作，不执行开泵动作。 

        此过程控制目标：保持水位处于持续下降趋势。 

3.3 超调量 

        超调量是指需要开关泵调控水位时，除了要抵消△Q外，要增加水位调控的速度而额外增加的流量或者开关泵数： 

△Q1=△Q+对应水位的超调量 

        采用查表法实现，下表是一个表样例。 

4、改造效果 

        四个供水泵站经过以上逻辑改造，已经*符合无人值守泵站的要求，即无论在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间，避免水源井频繁启动造成的泵损坏和加压泵空转现象的发生，提高水泵运行能效、节约电能，完美实现了供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。 

        4个给水泵站改造至今已近2年的时间，整套系统运转良好、经济效益显著。2年内共发生过两次故障，均为继电器故障，监控中心及时获得了报警信息，故障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后，现场去掉了值班人员29人、增加了维护人员2人，大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。 

        自2014年以来，该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处泵站改造项目中得到运用，系统运转稳定、可靠，效果大大超出预期，得到了用户的*。

注：作者为本单位技术人员，本文已刊登在《中国给水排水》杂志  2016年6月1日出版  第32卷  第11期（总第415期），如需转载，请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权。

无人值守泵站工艺逻辑设计及应用

（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations） 

姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华

摘要：结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，重点总结了多口水源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计，为此类给水泵站的自动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.

关键词：水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑

1、项目背景

        华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口8万人、板式楼房100余座，小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的4个给水泵站供给。4个泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小时轮流值班，管理成本*。

        为了减少泵站运营费用，管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。

2、设计思路及改造要求

        首先要解决的就是数据传输问题，即将所有泵站的数据集中至中控室计算机，以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大，如果采用光纤传输，布线、施工难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好，采用GPRS传输完*够满足数据实时传输的要求，且改造速度快、成本低，终确定采用GPRS的传输方式。 

        其次要解决的是给水泵站无人值守改造，需要解决大量现场设备的控制顺序、逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决，一旦人员全部撤离后，如何保证泵站的正常运行就比较困难。 

        给水泵站现场概况：泵站内水源采自地下水，每个泵站均有1-3口水源井提供水源。多数水源井分布在站内，个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上蓄水罐1-5个，容量不一（大的蓄水罐容积700m³、小的蓄水罐容积为300 m³），蓄水罐底部通过管道连通，罐内水位变化一致。站内另安装有3台加压泵，将蓄水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下：

         改造思路：在加压泵组控制室安装主监控终端，用来采集水池液位、管网流量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监控终端，每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监控终端连接，站外子监控终端通过GPRS网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑均由主监控终端来处理。 

        主监控终端内采用逻辑控制器DATA-7301，该控制器接口丰富、I/O扩展方便。逻辑控制器的RS485串口有3个，路连接一台DATA-6106 GPRS模块，且设置为A型，可同时与监控中心以及站外水源井子监控终端通信；第二路连接站内水源井子监控终端；第三路预留。同时，逻辑控制器通过CAN总线连接3台I/O扩展模块（DATA-7302），分别控制3台变频加压泵。

        泵站监控框架图： 

        现场控制要求：多口水源井给蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加压泵组加压对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势（由于加压泵出水不规则）能自动控制潜水泵的启、停，且自动调整水泵启动个数，使每口水源井均衡用水，保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命，保持储水罐水位始终在一个标准值范围内，并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。 

3、控制逻辑总体结构设计

        水源井自动供水系统分为2部分，分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并设定期望水位值、期望水位变化值△、水位报警的4个限值，根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量，当水位过低时自动关停加压泵组。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵状态、泵的累计运行时间，并根据水泵状态及运行时间进行选泵，再根据水池端输出的需求流量进行控泵。

3.1 计算需求流量△Q 

        系统定时计算，得到水池需加减的瞬时流入量值△Q，从而得到精确控制开关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q值，是水池逻辑控制的核心。 

        △Q根据水位信息、时间信息及各种设定参数，遵循一套水位控制策略计算得来。 

        水池需加减的瞬时流入量值△Q的运算过程如下： 

        (1) 计算当前水位值L 

        当前水位值需要进行滤波处理，设定水位滤波间隔T1。 

        每个采集周期t采集1个水位值Li，在T1时间内对采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集时间没到T1，则对采集的水位值求和，并计算采集次数n，根据采集次数计算水位值的平均值； 

        如果采集时间大于T1，则始终对T1内的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值时，水位值的和减去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次数n不变，之后计算水位值的平均值。 

        (2) 计算当前水位变化值△L 

        计算出当前水位值后进行备份Lbak = L，之后每隔T2时间取一次当前水位值，并计算当前水位变化值△L。 

        △L = L – Lbak 

        △L > 0表示水位处于上升趋势； 

        △L < 0表示水位处于下降趋势。 

        (3) 计算需求流量 

        △Q =△L*S/ T2*3600; 

        △L:上一步求得的结果。 

        S:水池底面积。 

        T2:取水位的间隔时间。 

        后把计算结果*3600转换成每个小时的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系统根据水池状态进行开关泵动作，实现对水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即发生水位线触碰期望水位下限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续上升。直到水位触碰期望水位，解除控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制开泵操作，使水位持续上升。此过程中，只执行开泵动作，不执行关泵动作。 

        (2) 水位上升 

        即发生水位线触碰期望水位上限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续下降。直到水位触碰期望水位，此时结束控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制关泵，使水位持续下降。此过程中，只执行关泵动作，不执行开泵动作。 

        此过程控制目标：保持水位处于持续下降趋势。 

3.3 超调量 

        超调量是指需要开关泵调控水位时，除了要抵消△Q外，要增加水位调控的速度而额外增加的流量或者开关泵数： 

△Q1=△Q+对应水位的超调量 

        采用查表法实现，下表是一个表样例。 

4、改造效果 

        四个供水泵站经过以上逻辑改造，已经*符合无人值守泵站的要求，即无论在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间，避免水源井频繁启动造成的泵损坏和加压泵空转现象的发生，提高水泵运行能效、节约电能，完美实现了供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。 

        4个给水泵站改造至今已近2年的时间，整套系统运转良好、经济效益显著。2年内共发生过两次故障，均为继电器故障，监控中心及时获得了报警信息，故障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后，现场去掉了值班人员29人、增加了维护人员2人，大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。 

        自2014年以来，该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处泵站改造项目中得到运用，系统运转稳定、可靠，效果大大超出预期，得到了用户的*。

注：作者为本单位技术人员，本文已刊登在《中国给水排水》杂志  2016年6月1日出版  第32卷  第11期（总第415期），如需转载，请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权。