農村生活泵站自動化技術的探索

徐佳麗 王 菲 趙雨婷 許鐵強/紹興柯橋排水有限公司

農村生活泵站自動化技術的探索

徐佳麗 王 菲 趙雨婷 許鐵強/紹興柯橋排水有限公司

泵站是市政建設和治理工程中的一項基礎和關鍵設施，其重要性不言而喻。泵站控制的自動化水平受限于硬件和軟件，自控研發中心利用工作之余，積極調研，克服重重困難，完成了楊汛橋實驗小學泵站自控改造。村居泵站的改造有其獨特性，也有共同性，此案例的改造有一定的借鑒價值。

泵站；信息層；控制層；設備層；軟件；自動化

引言

柯橋區為配合城鄉集約化供水，打破了郊區原先“一村一廠”的水格局，郊區供水與中心城區的差距也逐漸減小。農村居民不但“喝得到水”，而且還要“喝上好水”?？刂浦行囊言诖寰颖谜粳F場安裝PLC、上位機、壓力表和水質監測儀表，按批次進行自動化改造。目前，工程順利完工，經過控制中心與泵站管理所的共同努力，現場操作員可通過上位機開停水泵、水庫調流閥的自動控制以及現場儀表的數據監控，方便了泵站的生產運營。

同時，控制中心通過GPRS方式遠程讀取泵站現場的生產數據，獲取泵站的全面生產信息，便于合理發揮泵站能力，保障村居供水。配合二期工程，實現泵站水質數據的集中采集，進一步完善對于村居泵站的生產監控。

1.結構及特點

1.1 結構

泵站類型較多，歐美泵站按其結構類型通常將其系統分為三層：

1.1.1 由監控計算機組成的信息層.

易控（INSPEC）組態軟件功能強大，可利用其設計監控系統的圖形界面和監控數據報表等相關工作，并可收集和操控全泵站的生產數據。在工程師站和操作員站各設置一臺上位機，并配套打印機和不間斷電源（UPS）。系統的上位機可顯示全泵站的電力監控情況，并可通過以太網，實現與PLC分站的連接。

1.1.2 由PLC和遠程IO子站組成的控制層。

控制層的主要作用是采集現場儀表數據和實時監控現場設備等。PLC主站通過以太網與上位機連接，通過Device Net與IO子站連接。

1.1.3 由閥門、水泵、流量計和水位計等現場設備組成的設備層。

閥門、水泵、流量計和水位計等現場設備是設備層的重要組件，通過24V直流電開關量和4-20mA模擬信號，將其與PLC遠程IO站連接，從而將運行參數和工藝參數傳送到PLC，并通過PLC對設備加以控制。

通過系統的上位監控，可實現泵站的自動化運行和對故障的治理。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模塊組成的遠程I/O子站完成。下位PLC與上位機和下位PLC與遠程I/O子站在通訊方式上也有所差異：與上位機是以太網接進Hub的方式，而下遠程I/O子站則是以Device net網絡的方式。泵站的系統結構圖用下圖說明：

圖1 泵站系統結構示意圖

由于季節性變化，所有泵站在不同季節將采取不同的運行模式，該泵站全年運行模式如下：

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

Mode 2：當雨量逐漸增多，在即將超過限定值時，且截流污水泵已滿負荷，此時應啟動雨水調節池，以滿足工作要求；

Mode 3：若雨量持續增大，且雨水調節池無額外余量時，為達到防汛排澇目的，在截流污水泵依舊滿負荷運行的情況下，啟動雨水泵；

Mode 4：一旦降雨結束，立即停止運行雨水泵，并放空雨水調節池，原則上只保留截流污水泵交替運行；

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

Mode 6：泵站需大修。

1.2 特點

1.2.1 運行監控，系統可靠。

經改造的村居具有多種特殊功能，因此系統運行可靠性較高。這些功能包括雨污水外排工程的運行監控、工程范圍內的主要設備監控、故障報警及事故狀態下應急處理方案和手段。

1.2.2 能耗降低，運行經濟。

系統對村居泵站等設施內的儀表及機電設備進行監控，充分發揮了泵組的提升能力，管網系統雨污水運載能力也得到了提高，達到同樣效果時，所使用的機電設備變少，能耗也大幅降低，運行總成本顯著降低。

1.2.3 采集全面，處理得當.

系統可自動定時地采集村居泵站主要設備的運行參數，并將其保存于數據庫。這些參數可在畫面上顯示、制表打印和計算控制等。同時，改造后的系統，減輕了中控室值班員的工作，大部分工程可在人機界面完成，不僅可以查看泵站的自動化運行情況，還可實時調用各工作點的設備狀態參數。當然，系統運行的安全性能大大提高，可根據總體運行狀況，進行適時合理的分析、處理。

2.運行

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，因此其控制相對獨立。變電所的控制系統與集控室的計算機系統相連接，但其自動化控制相對獨立。出于安全考慮，在集控室內設置兩臺監控計算機，其中一臺為備用。監控計算機擔負治理和協調子系統的工作，其操作界面由顯示屏和鍵盤構成。污水泵房和雨水泵房是村居泵站的兩個重要組成部分，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控主站保持通訊，而雨水泵房則擔負著與市區排水信息系統通訊的重要職責。

經改造的村居泵站中的各主要部件安全性較高，因為其均通過以太網（Ethernet）連接。這些部件包括監控計算機、污水泵房控制PLC、雨水泵房控制PLC以及變電所內的自動化系統數據信息庫。當然設備間的通訊要以實際情況作為判斷依據，因此PLC與水泵和閘門等機械設備間的控制箱以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通過遠端I/O模塊進入Device net。

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：常用信道通過數字數據網（DDN）進行通訊，而備用信道則通過無線進行通訊。兩者均經過服務代理泵站，進而轉接到位于M2泵站的污水處理工程中心的監控主站。若要實現輪詢方式下逢變則報的功能，則采用IEC60870.5-101通訊標準，且為非平衡傳輸模式。

3.軟件應用

通過自主軟件開發，實現了泵站自動化監控系統的上位監控，并建立了雨水泵房和污水泵房。這兩個泵房在工作和功能上相對獨立，但職責強大。兩個泵房在同一控制系統之下，可實現自動控制泵站的自動化運行。經改造后的村居泵站系統可實時數據監測、數據報表打印、歷史數據查詢、信息報警和流量曲線顯示等工作。

3.1 泵站監控系統

主控平臺、電站檢測、報警查詢、報表瀏覽和系統維護是泵站監控系統的主要組成部分和功能要素。當系統運行時，依次進入主控平臺界面，通過這個界面可以查詢和顯示整個泵站所有設備的信息。若要查看該設備的具體信息，只需點擊某個設備即可。比如，若要顯示系統的電氣連接網絡圖，只要點擊電站檢測界面，方便、易操作；通過報警查詢界面可以顯示報警情況；通過瀏覽界面可以顯示歷史實時數據的瀏覽曲線圖。泵站的所有污水泵、雨水泵、格柵等各類信息參數和對各個泵、閘門和格柵等操作均可通過主控平臺來完成。

3.1.1 泵啟停主要參數。

機泵監測窗口能對泵進行遠程狀態控制，它主要顯示該泵當前的運行狀態，包括累積運行時間、次數、電流值、頻率、轉速和累積流量等信息。

3.1.2 閘門啟停主要參數。

閘門監測窗口是一個重要窗口，其主要顯示該閘門狀態，包括累積運行時間和次數等信息，并能對該閘門進行遠程開關操作。

3.1.3 格柵主要參數。

格柵監測窗口，分為兩種不同顯示風格，主要顯示內容為當前格柵狀態的參數信息。

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，實現適時合理的雨水排放。

3.1.5 污水排放操作。

污水排放操作窗口包含對各種污水排放的操作模式。

3.2 電站監測

數據采集是電站監測的首要工作任務，經改造后的村居泵站系統可以實現對過程數據的自動巡回采集和存儲，并且數據的采樣周期小于100ms。其中，按其重要參數性質，可將機組分為兩大類：

3.2.1 開關類參數。

機組控制開機、停機和閘門開關的PLC是開關類參數的主要來源。

3.2.2 流量類參數.

液位儀、流量計和雨量計是流量類參數的主要來源，此類參數主要用于丈量污水和雨水流量、機組各項繞組和軸承溫度。上位機可以對于不同設備分別進行數據采集。對于不同PLC設備，在使用時只要進行適當的參數設置并添加設備，便可實現信息的傳送，改造過程簡單易操作。同時，系統還可可動態顯示或將其保存到數據庫中，并根據用戶的要求進行不同數據的并行處理。

在完成以上事項后，便進行報表操作。報表是村居泵站改造治理過程中的一項重要內容，這是系統對上位機定時或召喚出報表的要求。一份完整的報表包括泵站所有機組的運行日志、污水流量統計報表（年、月和日統計報表）、雨水流量統計報表（年、月和日統計報表）和故障報警報表等相關內容。

經改造的村居泵站系統監測和控制功能十分強大，可實現監視、控制、調節和治理等多方面工作過程。因此，為減輕員工的工作強度，現場運行要求穩定可靠、成本經濟。通過易控（INSPEC）的人機界面可以實現強大的自動控制和數據治理功能。該系統運行可靠，在改造過程中總結了一些經驗和教訓，為以后的村居泵站改造提供了一套切實可行的信息化解決方案。

4.結論

為加快集鎮、村居泵站自動化建設步伐，自控研發中心職工在8小時工作時間之余，主動放棄星期天、中午等休息時間，積極配合分公司進行集鎮、村居泵站建設，通過三天時間，順利完成楊汛橋實驗小學泵站自控改造。據悉，今年泵站改造任務艱巨繁重，再加上近階段，雨水增多，改造泵站現場施工難度加大，但研發中心團隊眾志成城，對自控改造工作進行合理安排。在保證安全的情況下，雨天撐起雨具照常施工，楊汛橋實驗小學泵站城西分公司現已改造完成，正常運行。

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