小型供水泵站無人值守的優(yōu)化改造與應(yīng)用

陳 虹， 田 野， 韋 棟， 賀龍飛， 林春敬

(深水龍崗水務(wù)集團有限公司，廣東深圳518055)

中途加壓泵站對水廠的生產(chǎn)運行和轄區(qū)內(nèi)的供水保障發(fā)揮著重大作用。深圳某村級水廠市政管網(wǎng)片區(qū)加壓泵站于1996年建成投產(chǎn)，建設(shè)標準低，供水能力為1 500 m3/d，泵站值班室與高位水池相距1.2 km，地面高差約為40 m。出廠水經(jīng)管網(wǎng)進入泵站調(diào)節(jié)池后通過提升泵站加壓供至高位水池，再自流進入市政管網(wǎng)。因自動化程度低，無法實現(xiàn)集中值守，泵站自運行以來，經(jīng)常出現(xiàn)因為水流波動導(dǎo)致泵站調(diào)節(jié)池浮球閥脫落、關(guān)閉不嚴等故障，進一步導(dǎo)致泵站調(diào)節(jié)池內(nèi)液位控制失效，泵站進水閥門無法正常啟閉，水池出現(xiàn)延遲蓄水或溢流的現(xiàn)象。水池水位低時啟動水泵還會導(dǎo)致機泵空轉(zhuǎn)出現(xiàn)氣蝕，對泵體與過流件造成損害，影響供水安全。該小型泵站必須采用五班三倒、24 h人工往返巡檢的方式降低事故發(fā)生率，保障水泵機組安全穩(wěn)定運行，極大的增加了運維成本。

針對上述問題，該水廠擬通過基于PLC自動控制的一系列泵站自動化改造，實現(xiàn)泵站實時監(jiān)控、智能操控、無人值守和水廠聯(lián)動，解決水池延遲蓄水或溢流的現(xiàn)象和人為因素造成的生產(chǎn)安全問題。

1 泵站現(xiàn)狀

該小型原水泵站由調(diào)節(jié)池、泵房、配電房和高位水池4部分組成。泵站調(diào)節(jié)池進水閥門開閉通過調(diào)節(jié)池內(nèi)浮球閥控制，泵房內(nèi)有1臺機泵控制柜、3套水泵機組(2用1備)，低壓配電房有1組低壓進線柜，高位水池低水位時通過1條與泵房相連的485總線報警，未安裝高水位報警裝置。日常通過人工巡檢的方式手動操作機泵控制柜開停水泵機組，檢查配電房電氣設(shè)備運行情況，保障泵站穩(wěn)定運行。因缺少高位報警，運行人員僅通過開泵時間估算高位水池水位，頻繁往返于高位水池和泵站開關(guān)機泵，特殊天氣時依靠經(jīng)驗開關(guān)機泵調(diào)節(jié)。

泵站日常運行需采用五班三倒的模式進行人工巡檢、泵站數(shù)據(jù)和運行狀況檢測，存在人力、物力消耗大、人工檢測效率低、不能實時監(jiān)測泵站運行等問題。

2 改造措施

目前常用的自動化控制系統(tǒng)有兩種類型：一是使用STC單片機為控制核心，以LabVIEW為操作平臺的無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)[1]；二是使用PLC控制器為核心，以Python為平臺的無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

STC單片機控制程序開發(fā)周期長，不利于快速應(yīng)用且單片機對運行環(huán)境要求較高，不適于供水泵站的高溫潮濕環(huán)境；以PLC控制器為核心的自控系統(tǒng)可從實際出發(fā)，選用先進、成熟的工業(yè)模塊元件，以Python程序設(shè)計語言自主編寫上位機控制程序，在原有硬件的基礎(chǔ)上就地增加控制柜[2]，利用采集模塊、交換機、點對點網(wǎng)絡(luò)、上位機系統(tǒng)監(jiān)控泵站運行的電壓、電流、水位、水壓等參數(shù)，控制進水閥門和機泵的運行，易于實施，擴容成本低。

為了解決泵站自控程度低、運行效率低、人力物力消耗大帶來的風險問題，該水廠決定采用自主編寫的軟件程序，通過以PLC控制器為核心的自控系統(tǒng)對泵站進行了優(yōu)化改造，改造后的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。值班室控制端由1臺運行控制程序的計算機操作，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將控制信號傳送至中途加壓泵站，中途加壓泵站控制柜收到指令并執(zhí)行，同時反饋電機運行電流值，呈現(xiàn)在控制端計算機屏幕。

圖1 原水泵站遠程控制原理Fig.1 Principle of remote control of raw water pump station

2.1 增加水池監(jiān)測程序設(shè)備，實現(xiàn)水位監(jiān)測

為應(yīng)對泵站調(diào)節(jié)池、高位水池缺少水位監(jiān)測和報警裝置、水流波動導(dǎo)致設(shè)備損壞閥門無法開閉等問題，該水廠在泵站調(diào)節(jié)池和高位水池中新增水位監(jiān)測探頭，監(jiān)測水位變化和儲水量，同時進行了自控改造。改造后水池的自控流程如圖2所示，調(diào)節(jié)池蓄水由PLC控制器根據(jù)水池水位反饋信息進行判斷，并對調(diào)節(jié)池前電控閥門下達指令，當水位降至保護低水位時，閥門開啟蓄水；當水位達到限制高度時，閥門關(guān)閉，蓄水停止[3]。高位水池也由PLC控制器監(jiān)測水位變化并接受反饋信息，對水泵進行控制，水位降至保護水位水泵啟動，水池蓄水；水位升至限制高度，水泵停機。

圖2 水池自控流程Fig.2 Automatic control flow of water tank

2.2 增加數(shù)據(jù)模塊，完善自控系統(tǒng)

為解決泵站五班三倒人工巡檢操作、人力物力消耗大、工作效率低的問題，泵站增加了自控系統(tǒng)，以實現(xiàn)泵站24 h無人值守和自動監(jiān)控。該系統(tǒng)采取自主編寫的軟件程序，通過光纖網(wǎng)絡(luò)終端，在泵站安裝控制和數(shù)據(jù)采集器，通過遠程數(shù)據(jù)采集模塊，每3 s將水泵的運行參數(shù)、流量等視頻信號傳至水廠中控室，并在PLC模塊設(shè)置低水位保護程序保護水泵機組。當泵站調(diào)節(jié)池水位跌至最低水位時，程序會強制機泵停止運行，防止機泵空抽，且水泵機組安裝有斷路器對水泵進行失壓、過載和短路保護。

2.2.1電氣設(shè)備監(jiān)控

為泵房內(nèi)的3臺水泵機組配備電流互感器，監(jiān)測水泵運行狀態(tài)。PLC控制柜新增1臺多路被動開關(guān)量控制器，配合直流控交流繼電器組，在接收并解讀控制信號后，有序開啟或關(guān)閉指定電機。控制柜內(nèi)還配備1臺多路模擬量采集器，分別用于檢測3臺水泵電機的運行電流，每500 ms根據(jù)指令反饋至控制端計算機。如圖3所示，當高位水池水位低于設(shè)定限值，PLC系統(tǒng)先判斷非停用機泵的使用時間，選擇開啟運行時間最短的機泵，當高位水池水位高于限制高度，則關(guān)停水泵。如果運行時間相同，則按機泵序號選擇啟動編號最小的機泵；PLC系統(tǒng)每10 min對比高位水池水位，水位變量值Ys等于當前時段水位減上一時段水位，當Ys<0時，啟動進水閥門。

圖3 機泵啟停控制流程Fig.3 Control flow of pump start and stop

2.2.2其他指標監(jiān)測

① 壓力監(jiān)測

在泵站調(diào)節(jié)池進水口和水泵出水口分別設(shè)置壓力監(jiān)測點P1和P2，壓力數(shù)據(jù)由PLC模塊組采集處理后,由DTU-P1模塊和DTU-P2模塊通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至公司內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器。調(diào)節(jié)池設(shè)定壓力報警范圍P1d～P1g，水泵出水口設(shè)定壓力P2報警范圍P2d～P2g。通過反饋的壓力值，可判斷管網(wǎng)是否存在爆管、水泵是否出現(xiàn)反轉(zhuǎn)或氣蝕等現(xiàn)象。

② 蓄電池監(jiān)測

高位水池上裝有太陽能電池板和風力發(fā)電裝置，為保障設(shè)備正常運行，必須保證蓄電池有足夠的電量。蓄電池電量數(shù)據(jù)由DTU-G1傳輸至低壓配電房DTU-G2模塊接收，經(jīng)8AI模塊通過數(shù)據(jù)線傳輸至PLC控制端。PLC模塊采集處理后,由DTU-P1模塊和DTU-P2模塊通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至中控室進行實時監(jiān)測。自動化改造后泵站整體流程如圖4所示。泵站在現(xiàn)有硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，新增1套PLC控制系統(tǒng)并接入調(diào)節(jié)池和高位水池液位信號、3臺機泵控制柜信號、低壓配電柜8AI模塊信號等，實現(xiàn)各設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與統(tǒng)一控制。PLC借助通訊模塊(DTU)，將各儀表監(jiān)控參數(shù)傳輸至配有SCADA軟件的監(jiān)控客戶端，可實時查看并遠程控制各設(shè)備的運行狀態(tài)，全面實現(xiàn)集中值守，使值班人員在中控室實現(xiàn)對泵房運行狀況的全面管控。

圖4 泵站自動化改造后系統(tǒng)工藝流程Fig.4 System process flow chart after automatic transformation of pump station

3 改造成效

3.1 提升生產(chǎn)效率，降低人力成本

泵站的自控改造改變了傳統(tǒng)低效、成本高的人工值守方式，通過有效運用計算機編程語言以及光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)泵站遠程啟停、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控操作和泵站無人值守，泵站年度運行成本對比如表1所示。

表1 泵站年度運行成本對比Tab.1 Comparison of annual operating costs of pump station 萬元

從表1可以看出，改造后的運維成本降低為改造前的20.2%，大大優(yōu)化了人力資源，節(jié)省了運營成本。

3.2 實現(xiàn)實時監(jiān)控，保障生產(chǎn)安全

以PLC控制器為核心，改造后泵站實現(xiàn)了關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和自動化控制，實現(xiàn)了水池水位自動調(diào)節(jié)，同時充分利用峰谷用電優(yōu)惠節(jié)省電力成本。改造后，能高效發(fā)現(xiàn)泵站的異常運行，有效減少人為造成工作失誤的機率，提高了供水可靠性。自控改造前后1年內(nèi)，設(shè)備及報警準確率統(tǒng)計如表2所示，改造后各項準確率均有不同程度的提升，高位水池液位報警準確率提升效果尤為明顯。

表2 自控改造前后設(shè)備和報警準確率統(tǒng)計Tab.2 Statistical data of equipment and alarm accuracy before and after automatic control transformation

3.3 改造經(jīng)濟方便，易于推廣應(yīng)用

該泵站改造方案每年的網(wǎng)絡(luò)、自控系統(tǒng)、軟件維護以及相關(guān)硬件、配件更換費用僅在1萬元左右且維護方便，易于推廣應(yīng)用。泵站新增主要設(shè)備清單如表3所示，包括服務(wù)器、PLC控制器、遠程采集模塊、DTU模塊等常用簡單硬件設(shè)備，采購成本均較低。

表3 主要新增設(shè)備清單Tab.3 List of main new equipments

4 結(jié)語

① 將該改造方案應(yīng)用于自動化程度低、人工值守的小型泵站，投資成本低，可有效解決運行人員不足、難以實現(xiàn)人工值守的問題，大幅優(yōu)化縮減了人力成本。

② 該方案可實現(xiàn)泵站智能操控，實時監(jiān)控，有效避免人為疏忽造成的生產(chǎn)安全問題，保障了泵站的安全穩(wěn)定運行。

③ 該方案可實現(xiàn)泵站與水廠的聯(lián)動，并根據(jù)水源水質(zhì)波動情況，在水廠中控室實現(xiàn)對泵站運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控。

④ 該方案已推廣于其他小型泵站，可在遠期繼續(xù)增加PLC模塊，應(yīng)用于多水源水廠，同時升級控制端程序，實現(xiàn)多路原水流量控制的完全自動化。控制端只需制定不同時段原水總量，實時監(jiān)測各項運行數(shù)據(jù)，可行性高。