農(nóng)村生活泵站自動(dòng)化技術(shù)的探索

徐佳麗+王菲+趙雨婷+許鐵強(qiáng)

【摘要】泵站是市政建設(shè)和治理工程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵設(shè)施，其重要性不言而喻。泵站控制的自動(dòng)化水平受限于硬件和軟件，自控研發(fā)中心利用工作之余，積極調(diào)研，克服重重困難，完成了楊汛橋?qū)嶒?yàn)小學(xué)泵站自控改造。村居泵站的改造有其獨(dú)特性，也有共同性，此案例的改造有一定的借鑒價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】泵站；信息層；控制層；設(shè)備層；軟件；自動(dòng)化

引言

柯橋區(qū)為配合城鄉(xiāng)集約化供水，打破了郊區(qū)原先“一村一廠”的水格局，郊區(qū)供水與中心城區(qū)的差距也逐漸減小。農(nóng)村居民不但“喝得到水”，而且還要“喝上好水”。控制中心已在村居泵站現(xiàn)場(chǎng)安裝PLC、上位機(jī)、壓力表和水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表，按批次進(jìn)行自動(dòng)化改造。目前，工程順利完工，經(jīng)過控制中心與泵站管理所的共同努力，現(xiàn)場(chǎng)操作員可通過上位機(jī)開停水泵、水庫調(diào)流閥的自動(dòng)控制以及現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)監(jiān)控，方便了泵站的生產(chǎn)運(yùn)營。

同時(shí)，控制中心通過GPRS方式遠(yuǎn)程讀取泵站現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，獲取泵站的全面生產(chǎn)信息，便于合理發(fā)揮泵站能力，保障村居供水。配合二期工程，實(shí)現(xiàn)泵站水質(zhì)數(shù)據(jù)的集中采集，進(jìn)一步完善對(duì)于村居泵站的生產(chǎn)監(jiān)控。

1 .結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)

泵站類型較多，歐美泵站按其結(jié)構(gòu)類型通常將其系統(tǒng)分為三層：

1.1.1由監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成的信息層.

易控（INSPEC）組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，可利用其設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的圖形界面和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)報(bào)表等相關(guān)工作，并可收集和操控全泵站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在工程師站和操作員站各設(shè)置一臺(tái)上位機(jī)，并配套打印機(jī)和不間斷電源（UPS）。系統(tǒng)的上位機(jī)可顯示全泵站的電力監(jiān)控情況，并可通過以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與PLC分站的連接。

1.1.2由PLC和遠(yuǎn)程IO子站組成的控制層。

控制層的主要作用是采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等。PLC主站通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，通過Device Net與IO子站連接。

1.1.3由閥門、水泵、流量計(jì)和水位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成的設(shè)備層。

閥門、水泵、流量計(jì)和水位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是設(shè)備層的重要組件，通過24V直流電開關(guān)量和4-20mA模擬信號(hào)，將其與PLC遠(yuǎn)程IO站連接，從而將運(yùn)行參數(shù)和工藝參數(shù)傳送到PLC，并通過PLC對(duì)設(shè)備加以控制。

通過系統(tǒng)的上位監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)化運(yùn)行和對(duì)故障的治理。丈量水位工作由GE公司90-30系列PLC組成的下位PLC完成；監(jiān)控電力和啟停水泵等工作則是由Beckhoff公司BK5220系列的I/O模塊組成的遠(yuǎn)程I/O子站完成。下位PLC與上位機(jī)和下位PLC與遠(yuǎn)程I/O子站在通訊方式上也有所差異：與上位機(jī)是以太網(wǎng)接進(jìn)Hub的方式，而下遠(yuǎn)程I/O子站則是以Device net網(wǎng)絡(luò)的方式。泵站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖用圖1說明：

由于季節(jié)性變化，所有泵站在不同季節(jié)將采取不同的運(yùn)行模式，該泵站全年運(yùn)行模式如下：

Mode 1：旱季無雨或初雨且尚未超過截流水量時(shí)，僅有截流污水泵交替運(yùn)行或滿負(fù)荷運(yùn)行；

Mode 2：當(dāng)雨量逐漸增多，在即將超過限定值時(shí)，且截流污水泵已滿負(fù)荷，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)雨水調(diào)節(jié)池，以滿足工作要求；

Mode 3：若雨量持續(xù)增大，且雨水調(diào)節(jié)池?zé)o額外余量時(shí)，為達(dá)到防汛排澇目的，在截流污水泵依舊滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，啟動(dòng)雨水泵；

Mode 4：一旦降雨結(jié)束，立即停止運(yùn)行雨水泵，并放空雨水調(diào)節(jié)池，原則上只保留截流污水泵交替運(yùn)行；

Mode 5：在旱季無雨或少雨時(shí)，在進(jìn)行雨水泵試車操作前，原則上要停止運(yùn)行截流污水泵；

Mode 6：泵站需大修。

1.2 特點(diǎn)

1.2.1運(yùn)行監(jiān)控，系統(tǒng)可靠。

經(jīng)改造的村居具有多種特殊功能，因此系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較高。這些功能包括雨污水外排工程的運(yùn)行監(jiān)控、工程范圍內(nèi)的主要設(shè)備監(jiān)控、故障報(bào)警及事故狀態(tài)下應(yīng)急處理方案和手段。

1.2.2能耗降低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。

系統(tǒng)對(duì)村居泵站等設(shè)施內(nèi)的儀表及機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，充分發(fā)揮了泵組的提升能力，管網(wǎng)系統(tǒng)雨污水運(yùn)載能力也得到了提高，達(dá)到同樣效果時(shí)，所使用的機(jī)電設(shè)備變少，能耗也大幅降低，運(yùn)行總成本顯著降低。

1.2.3采集全面，處理得當(dāng).

系統(tǒng)可自動(dòng)定時(shí)地采集村居泵站主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并將其保存于數(shù)據(jù)庫。這些參數(shù)可在畫面上顯示、制表打印和計(jì)算控制等。同時(shí)，改造后的系統(tǒng)，減輕了中控室值班員的工作，大部分工程可在人機(jī)界面完成，不僅可以查看泵站的自動(dòng)化運(yùn)行情況，還可實(shí)時(shí)調(diào)用各工作點(diǎn)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)然，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性能大大提高，可根據(jù)總體運(yùn)行狀況，進(jìn)行適時(shí)合理的分析、處理。

2 .運(yùn)行

在控制策略上，污水泵房和雨水泵房均基于可編程序邏輯控制器，即PLC。兩者各自擁有控制子系統(tǒng)，因此其控制相對(duì)獨(dú)立。變電所的控制系統(tǒng)與集控室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，但其自動(dòng)化控制相對(duì)獨(dú)立。出于安全考慮，在集控室內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)為備用。監(jiān)控計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)治理和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的工作，其操作界面由顯示屏和鍵盤構(gòu)成。污水泵房和雨水泵房是村居泵站的兩個(gè)重要組成部分，但其在功能上存在較大差異。其中，污水泵的功能與治理工程中心監(jiān)控主站保持通訊，而雨水泵房則擔(dān)負(fù)著與市區(qū)排水信息系統(tǒng)通訊的重要職責(zé)。

經(jīng)改造的村居泵站中的各主要部件安全性較高，因?yàn)槠渚ㄟ^以太網(wǎng)（Ethernet）連接。這些部件包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、污水泵房控制PLC、雨水泵房控制PLC以及變電所內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息庫。當(dāng)然設(shè)備間的通訊要以實(shí)際情況作為判斷依據(jù)，因此PLC與水泵和閘門等機(jī)械設(shè)備間的控制箱以Device net總線的方式連接。在這樣的連接條件下，使得儀表的模擬量和脈沖量可以同時(shí)通過遠(yuǎn)端I/O模塊進(jìn)入Device net。endprint

污水治理工程中心主站和泵站之間的通訊分為常用信道和備用信道，兩者的通訊方式也存在著差異：常用信道通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）進(jìn)行通訊，而備用信道則通過無線進(jìn)行通訊。兩者均經(jīng)過服務(wù)代理泵站，進(jìn)而轉(zhuǎn)接到位于M2泵站的污水處理工程中心的監(jiān)控主站。若要實(shí)現(xiàn)輪詢方式下逢變則報(bào)的功能，則采用IEC60870.5-101通訊標(biāo)準(zhǔn)，且為非平衡傳輸模式。

3 .軟件應(yīng)用

通過自主軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控，并建立了雨水泵房和污水泵房。這兩個(gè)泵房在工作和功能上相對(duì)獨(dú)立，但職責(zé)強(qiáng)大。兩個(gè)泵房在同一控制系統(tǒng)之下，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制泵站的自動(dòng)化運(yùn)行。經(jīng)改造后的村居泵站系統(tǒng)可實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、信息報(bào)警和流量曲線顯示等工作。

3.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

主控平臺(tái)、電站檢測(cè)、報(bào)警查詢、報(bào)表瀏覽和系統(tǒng)維護(hù)是泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分和功能要素。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，依次進(jìn)入主控平臺(tái)界面，通過這個(gè)界面可以查詢和顯示整個(gè)泵站所有設(shè)備的信息。若要查看該設(shè)備的具體信息，只需點(diǎn)擊某個(gè)設(shè)備即可。比如，若要顯示系統(tǒng)的電氣連接網(wǎng)絡(luò)圖，只要點(diǎn)擊電站檢測(cè)界面，方便、易操作；通過報(bào)警查詢界面可以顯示報(bào)警情況；通過瀏覽界面可以顯示歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的瀏覽曲線圖。泵站的所有污水泵、雨水泵、格柵等各類信息參數(shù)和對(duì)各個(gè)泵、閘門和格柵等操作均可通過主控平臺(tái)來完成。

3.1.1泵啟停主要參數(shù)。

機(jī)泵監(jiān)測(cè)窗口能對(duì)泵進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)控制，它主要顯示該泵當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，包括累積運(yùn)行時(shí)間、次數(shù)、電流值、頻率、轉(zhuǎn)速和累積流量等信息。

3.1.2閘門啟停主要參數(shù)。

閘門監(jiān)測(cè)窗口是一個(gè)重要窗口，其主要顯示該閘門狀態(tài)，包括累積運(yùn)行時(shí)間和次數(shù)等信息，并能對(duì)該閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)操作。

3.1.3格柵主要參數(shù)。

格柵監(jiān)測(cè)窗口，分為兩種不同顯示風(fēng)格，主要顯示內(nèi)容為當(dāng)前格柵狀態(tài)的參數(shù)信息。

3.1.4雨水排放操作。

雨水排放操作窗口，可以選擇具體排放模式，實(shí)現(xiàn)適時(shí)合理的雨水排放。

3.1.5污水排放操作。

污水排放操作窗口包含對(duì)各種污水排放的操作模式。

3.2 電站監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)采集是電站監(jiān)測(cè)的首要工作任務(wù)，經(jīng)改造后的村居泵站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)巡回采集和存儲(chǔ)，并且數(shù)據(jù)的采樣周期小于100ms。其中，按其重要參數(shù)性質(zhì)，可將機(jī)組分為兩大類：

3.2.1開關(guān)類參數(shù)。

機(jī)組控制開機(jī)、停機(jī)和閘門開關(guān)的PLC是開關(guān)類參數(shù)的主要來源。

3.2.2流量類參數(shù).

液位儀、流量計(jì)和雨量計(jì)是流量類參數(shù)的主要來源，此類參數(shù)主要用于丈量污水和雨水流量、機(jī)組各項(xiàng)繞組和軸承溫度。上位機(jī)可以對(duì)于不同設(shè)備分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于不同PLC設(shè)備，在使用時(shí)只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置并添加設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)信息的傳送，改造過程簡(jiǎn)單易操作。同時(shí)，系統(tǒng)還可可動(dòng)態(tài)顯示或?qū)⑵浔４娴綌?shù)據(jù)庫中，并根據(jù)用戶的要求進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的并行處理。

在完成以上事項(xiàng)后，便進(jìn)行報(bào)表操作。報(bào)表是村居泵站改造治理過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，這是系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)定時(shí)或召喚出報(bào)表的要求。一份完整的報(bào)表包括泵站所有機(jī)組的運(yùn)行日志、污水流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表（年、月和日統(tǒng)計(jì)報(bào)表）、雨水流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表（年、月和日統(tǒng)計(jì)報(bào)表）和故障報(bào)警報(bào)表等相關(guān)內(nèi)容。

經(jīng)改造的村居泵站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制功能十分強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和治理等多方面工作過程。因此，為減輕員工的工作強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求穩(wěn)定可靠、成本經(jīng)濟(jì)。通過易控（INSPEC）的人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)治理功能。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在改造過程中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為以后的村居泵站改造提供了一套切實(shí)可行的信息化解決方案。

4 .結(jié)論

為加快集鎮(zhèn)、村居泵站自動(dòng)化建設(shè)步伐，自控研發(fā)中心職工在8小時(shí)工作時(shí)間之余，主動(dòng)放棄星期天、中午等休息時(shí)間，積極配合分公司進(jìn)行集鎮(zhèn)、村居泵站建設(shè)，通過三天時(shí)間，順利完成楊汛橋?qū)嶒?yàn)小學(xué)泵站自控改造。據(jù)悉，今年泵站改造任務(wù)艱巨繁重，再加上近階段，雨水增多，改造泵站現(xiàn)場(chǎng)施工難度加大，但研發(fā)中心團(tuán)隊(duì)眾志成城，對(duì)自控改造工作進(jìn)行合理安排。在保證安全的情況下，雨天撐起雨具照常施工，楊汛橋?qū)嶒?yàn)小學(xué)泵站城西分公司現(xiàn)已改造完成，正常運(yùn)行。

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