无人值守泵站的流程逻辑设计及应用

结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，重点总结了几口水源井向储水池供水的自动控制逻辑设计，为此类供水泵站的自动化改造提供了一种新的思路。

文摘:主要介绍了无人值守泵站的设计与实现，总结了多台水泵向一个储水池供水的自动控制逻辑。为这类泵站的自动化提供了一种新的思路。

1.项目背景

华北油田廊坊万庄矿区生活区有8万居民，100多栋板楼。宿舍的生活用水由分布在宿舍东、南、西、北的四个给水泵站提供。四个泵站都有人值守，32名工人24小时轮流值班，管理成本极高。

为了降低泵站的运行成本，管理部门要求将所有泵站改造成无人值守的自动化泵站，希望可以只调配少量的设备维护人员，保证泵站的正常运行。

2.设计思路和改造要求

首先要解决的是数据传输问题，即将所有泵站的数据集中到中控室的电脑上进行远程监控。考虑到小区面积比较大，如果采用光纤传输，布线施工难度大，耗时长，成本大。鉴于生活小区手机信号相对较好，GPRS传输完全可以满足实时数据传输的要求，且转换速度快，成本低，最终决定采用GPRS传输方式。

其次，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、逻辑和各种自动故障处理机制。这些问题在有人值班的情况下都可以轻松解决。一旦所有的人都被疏散，保证泵站的正常运行就更加困难了。

给水泵站场地概况:泵站内水源来自地下水，每个泵站有1-3口水源井供水。大部分水源井分布在站内，部分水源井距离泵站较远。给水泵站内安装有1-5个不同容量的地面储水箱(大储水箱容量为700m3，小储水箱容量为300 m3)。储水箱底部通过管道连接，箱内水位变化一致。此外，站内安装三台增压泵，将储水箱中的水恒频恒压输送至小区供水管网。流程图如下:

思路:在增压泵组控制室安装主监控终端，用于采集水池水位、管网流量、管网压力，自动控制增压泵组运行。站内和站外水源井分别安装分监控终端，每个分监控终端监控一口水源井。站内子监控终端通过串行电缆与主监控终端连接，站外子监控终端通过GPRS网络与主监控终端连接。泵站的控制逻辑由主监控终端处理。

主监控终端采用逻辑控制器DATA-7301，接口丰富，I/O扩展方便。逻辑控制器有三个RS485串口。第一个连接一个DATA-6106 GPRS模块，设置为A类，可同时与监控中心和站外水源井监控终端通信。第二路连接站内水源井监控终端；第三种方式是保留。同时，逻辑控制器通过CAN总线与三个I/O扩展模块(DATA-7302)相连，分别控制三台变频增压泵。

泵站监控框架图:

现场控制要求:若干水源井向储水箱供水，储水箱内的水由增压泵组加压后向外供应。各水源井可根据储水箱水位的变化趋势(由于加压泵出水量不规律)，自动控制潜水泵的启停，自动调整泵的启动台数，使各水源井均匀用水，保证地下水位稳定，延长潜水泵的使用寿命， 保持储水箱水位始终在标准范围内，并支持水位超限报警和水池过低时自动关闭所有加压泵。

3.控制逻辑的总体结构设计

水源自动供水系统分为储水池端和水源井端两部分。蓄水端主要采集水箱水位，设置预期水位、预期水位变化△和水位报警四个极限值，根据当前水位状态和水位变化值计算所需流量，水位过低时自动关闭增压泵机组。水源端主要采集水源井的水位、水源井的流量、泵的状态和泵的累计运行时间，根据泵的状态和运行时间选择泵，然后根据池端输出的需求流量控制泵。

3.1计算需求流量δq

定时计算，得到池内需要加减法的瞬时流入值△Q，进而得到精确控制开关泵的次数和时机。因此，准确及时地计算△Q值是水池逻辑控制的核心。

△Q是根据水位信息、时间信息和各种设定参数，按照一套水位控制策略计算出来的。

要从池中增加或减少的瞬时流入值△Q的计算过程如下:

(1)计算当前水位值l

需要过滤当前水位值，设置水位过滤间隔T1。

在每个收集周期T中收集一个水位值Li，并且在T1中对所有收集的水位值进行平均。

如果采集时间小于T1，将采集的水位值求和，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，T1内的所有水位值总是取平均值。即每次采集一个新的水位值，水位值之和减去上一次的平均水位值，再加上新的水位值；采集次数n不变，然后计算水位的平均值。

(2)计算当前水位变化值δl

计算出当前水位值后，备份Lbak= L，然后每个T2时间取当前水位值，计算当前水位变化值△ L

△L= L - Lbak

△L> 0表示水位在上升；

△L< 0表示水位呈下降趋势。

(3)计算需求流量。

△Q =△L * S/T2 * 3600；

△L:上一步得到的结果。

s:池底区域。

T2:取水水位间隔时间。

之后将计算结果*3600换算成每小时的需求流量。

3.2水池水位控制策略

根据水池的状态，系统打开和关闭泵以控制水池的水位。

(1)水位下降

即水位线触及预期水位下限后，系统进入控制状态，保证水池水位保持上升。直到水位达到所需的水位，控制器才被释放。

在该控制阶段，定期执行逻辑运算以控制泵的运行，从而水位继续上升。在该过程中，仅执行泵启动动作，而不执行泵关闭动作。

(2)水位上升

即水位线触及预期水位上限后，系统进入控制状态，保证水池水位继续下降。直到水位达到所需水位，此时控制结束。

在这个控制阶段，每隔一段时间进行一次逻辑运算，控制水泵停机，使水位继续下降。在这个过程中，只关泵，不开泵。

这个过程控制的目标是:保持水位处于持续下降的趋势。

3.3过冲

超调是指当需要开关泵调节水位时，除了补偿△Q外，增加开关泵的流量或数量，以提高水位调节和控制的速度；

△Q1=△Q+相应水位的超调量

它是用查表法实现的。下表是一个示例表。

序列号

高水位(米)

低水位(米)

过冲(吨/小时)

一个

100

三

0

2

三

2

0

三

2

1.3

50

四

1.3

一个

100

五

一个

0.5

150

六

0.5

-100

200

4.转化效应

经过上述逻辑改造后，四台供水泵站完全满足了无人值守泵站的要求，即无论在供水高峰期还是低峰期，都能保证水箱水位在预期范围内。主从监控终端根据水箱水位智能控制水源井的启动次数和运行时间，避免水源井频繁启动造成的泵损坏和增压泵空转现象，提高水泵运行能效，节约电能，完美实现供水设备的自动化运行和供水泵站的无人值守管理。

四台给水泵站改造已近两年，整个系统运行良好，经济效益显著。两年内出现过两次故障，都是继电器故障。监控中心及时得到报警信息，故障很快得到解决。泵站无人值守改造后，去掉了29名值班人员，增加了2名维护人员，大大降低了泵站运行成本，提高了故障响应速度。

2014年以来，这套泵站自动控制逻辑已经在山西、甘肃、内蒙古等地的多个泵站改造工程中得到应用。系统运行稳定可靠，效果大大超出预期，获得了用户的一致好评。

注:本文已发表于2016年6月1日出版的《中国给水排水杂志》第32卷第11期(第415期)。如需转载，请注明转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权。

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