無(wú)人值守泵站的流程邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用
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)了幾口水源井向儲(chǔ)水池供水的自動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)，為此類供水泵站的自動(dòng)化改造提供了一種新的思路。
文摘:主要介紹了無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，總結(jié)了多臺(tái)水泵向一個(gè)儲(chǔ)水池供水的自動(dòng)控制邏輯。為這類泵站的自動(dòng)化提供了一種新的思路。
1.項(xiàng)目背景
華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)生活區(qū)有8萬(wàn)居民，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)泵站都有人值守，32名工人24小時(shí)輪流值班，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，希望可以只調(diào)配少量的設(shè)備維護(hù)人員，保證泵站的正常運(yùn)行。
2.設(shè)計(jì)思路和改造要求
首先要解決的是數(shù)據(jù)傳輸問題，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?？紤]到小區(qū)面積比較大，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)相對(duì)較好，GPRS傳輸完全可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，且轉(zhuǎn)換速度快，成本低，最終決定采用GPRS傳輸方式。
其次，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、邏輯和各種自動(dòng)故障處理機(jī)制。這些問題在有人值班的情況下都可以輕松解決。一旦所有的人都被疏散，保證泵站的正常運(yùn)行就更加困難了。
給水泵站場(chǎng)地概況:泵站內(nèi)水源來(lái)自地下水，每個(gè)泵站有1-3口水源井供水。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)不同容量的地面儲(chǔ)水箱(大儲(chǔ)水箱容量為700m3，小儲(chǔ)水箱容量為300 m3)。儲(chǔ)水箱底部通過(guò)管道連接，箱內(nèi)水位變化一致。此外，站內(nèi)安裝三臺(tái)增壓泵，將儲(chǔ)水箱中的水恒頻恒壓輸送至小區(qū)供水管網(wǎng)。流程圖如下:
思路:在增壓泵組控制室安裝主監(jiān)控終端，用于采集水池水位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制增壓泵組運(yùn)行。站內(nèi)和站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)控終端連接。泵站的控制邏輯由主監(jiān)控終端處理。
主監(jiān)控終端采用邏輯控制器DATA-7301，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)連接一個(gè)DATA-6106 GPRS模塊，設(shè)置為A類，可同時(shí)與監(jiān)控中心和站外水源井監(jiān)控終端通信。第二路連接站內(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總線與三個(gè)I/O擴(kuò)展模塊(DATA-7302)相連，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:若干水源井向儲(chǔ)水箱供水，儲(chǔ)水箱內(nèi)的水由增壓泵組加壓后向外供應(yīng)。各水源井可根據(jù)儲(chǔ)水箱水位的變化趨勢(shì)(由于加壓泵出水量不規(guī)律)，自動(dòng)控制潛水泵的啟停，自動(dòng)調(diào)整泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，使各水源井均勻用水，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)，并支持水位超限報(bào)警和水池過(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、預(yù)期水位變化△和水位報(bào)警四個(gè)極限值，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)閉增壓泵機(jī)組。水源端主要采集水源井的水位、水源井的流量、泵的狀態(tài)和泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)泵的狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間選擇泵，然后根據(jù)池端輸出的需求流量控制泵。
3.1計(jì)算需求流量δq
定時(shí)計(jì)算，得到池內(nèi)需要加減法的瞬時(shí)流入值△Q，進(jìn)而得到精確控制開關(guān)泵的次數(shù)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)，按照一套水位控制策略計(jì)算出來(lái)的。
要從池中增加或減少的瞬時(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。
在每個(gè)收集周期T中收集一個(gè)水位值Li，并且在T1中對(duì)所有收集的水位值進(jìn)行平均。
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)間大于T1，T1內(nèi)的所有水位值總是取平均值。即每次采集一個(gè)新的水位值，水位值之和減去上一次的平均水位值，再加上新的水位值；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δl
計(jì)算出當(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:取水水位間隔時(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)，系統(tǒng)打開和關(guān)閉泵以控制水池的水位。
(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)，保證水池水位保持上升。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)行邏輯運(yùn)算以控制泵的運(yùn)行，從而水位繼續(xù)上升。在該過(guò)程中，僅執(zhí)行泵啟動(dòng)動(dòng)作，而不執(zhí)行泵關(guān)閉動(dòng)作。
(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)到所需水位，此時(shí)控制結(jié)束。
在這個(gè)控制階段，每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次邏輯運(yùn)算，控制水泵停機(jī)，使水位繼續(xù)下降。在這個(gè)過(guò)程中，只關(guān)泵，不開泵。
這個(gè)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)是指當(dāng)需要開關(guān)泵調(diào)節(jié)水位時(shí)，除了補(bǔ)償△Q外，增加開關(guān)泵的流量或數(shù)量，以提高水位調(diào)節(jié)和控制的速度；
△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。
序列號(hào)
高水位(米)
低水位(米)
過(guò)沖(噸/小時(shí))
一個(gè)
100
三
0
2
三
2
0
三
2
1.3
50
四
1.3
一個(gè)
100
五
一個(gè)
0.5
150
六
0.5
-100
200
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低峰期，都能保證水箱水位在預(yù)期范圍內(nèi)。主從監(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)現(xiàn)象，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)行和供水泵站的無(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)出現(xiàn)過(guò)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。
2014年以來(lái)，這套泵站自動(dòng)控制邏輯已經(jīng)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，獲得了用戶的一致好評(píng)。
注:本文已發(fā)表于2016年6月1日出版的《中國(guó)給水排水雜志》第32卷第11期(第415期)。如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明轉(zhuǎn)載來(lái)源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)。
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