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无人值守泵站工艺逻辑设计及应用
 
 
(The work logic design and applications for unattended water-pumping stations) 
 
 
姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华
 
  摘要:结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法,重点总结了多口水源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计,为此类给水泵站的自动化改造提供了新思路。

Abstract: The paper mainly introduces the design and realization?for unattended water-pumping stations,summarizes the

auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank.?It provides a new thought for this kind of pump stations’automation.
关键词:水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑


1、项目背景
    华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口8万人、板式楼房100余座,小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的4个给水泵站供给。4个泵站均采用人工值守的工作方式,由32名工人24小时轮流值班,管理成本极高。
    为了减少泵站运营费用,管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运行泵站,希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。

2、设计思路及改造要求

    首先要解决的就是数据传输问题,即将所有泵站的数据集中至中控室计算机,以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大,如果采用光纤传输,布线、施工难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好,采用GPRS传输完全能够满足数据实时传输的要求,且改造速度快、成本低,最终确定采用GPRS的传输方式。
    其次要解决的是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、逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决,一旦人员全部撤离后,如何保证泵站的正常运行就比较困难。
    给水泵站现场概况:泵站内水源采自地下水,每个泵站均有1-3口水源井提供水源。多数水源井分布在站内,个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上蓄水罐1-5个,容量不一(大的蓄水罐容积700m3、小的蓄水罐容积为300 m3),蓄水罐底部通过管道连通,罐内水位变化一致。站内另安装有3台加压泵,将蓄水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下:

 

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    改造思路:在加压泵组控制室安装主监控终端,用来采集水池液位、管网流量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监控终端,每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监控终端连接,站外子监控终端通过GPRS网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑均由主监控终端来处理。
    主监控终端内采用逻辑控制器DATA-7301,该控制器接口丰富、I/O扩展方便。逻辑控制器的RS485串口有3个,第一路连接一台DATA-6106 GPRS模块,且设置为A型,可同时与监控中心以及站外水源井子监控终端通信;第二路连接站内水源井子监控终端;第三路预留。同时,逻辑控制器通过CAN总线连接3台I/O扩展模块(DATA-7302),分别控制3台变频加压泵。

    泵站监控框架图:

 

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    现场控制要求:多口水源井给蓄水罐供水,蓄水罐中的水再由加压泵组加压对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势(由于加压泵出水不规

则)能自动控制潜水泵的启、停,且自动调整水泵启动个数,使每口水源井均衡用水,保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命,保持储水罐水位始终在一个标准值范围内,并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。

3、控制逻辑总体结构设计

 

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    水源井自动供水系统分为2部分,分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位,并设定期望水位值、期望水位变化值△、水位报警的4个限值,根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量,当水位过低时自动关停加压泵组。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵状态、泵的累计运行时间,并根据水泵状态及运行时间进行选泵,再根据水池端输出的需求流量进行控泵。


3.1 计算需求流量△Q
    系统定时计算,得到水池需加减的瞬时流入量值△Q,从而得到精确控制开关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q值,是水池逻辑控制的核心。
    △Q根据水位信息、时间信息及各种设定参数,遵循一套水位控制策略计算得来。

 

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    水池需加减的瞬时流入量值△Q的运算过程如下:
    (1) 计算当前水位值L
    当前水位值需要进行滤波处理,设定水位滤波间隔T1。
    每个采集周期t采集1个水位值Li,在T1时间内对采集到的所有水位值求平均值。


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    如果采集时间没到T1,则对采集的水位值求和,并计算采集次数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,则始终对T1内的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值时,水位值的和减去上一次的水位平均值,再加上新水位值;采集次数n不变,之后计算水位值的平均值。
(2) 计算当前水位变化值△L
    计算出当前水位值后进行备份Lbak = L,之后每隔T2时间取一次当前水位值,并计算当前水位变化值△L。
    △L = L - Lbak
    △L > 0表示水位处于上升趋势;
    △L < 0表示水位处于下降趋势。
(3) 计算需求流量
    △Q =△L*S/ T2*3600;
    △L:上一步求得的结果。
    S:水池底面积。
    T2:取水位的间隔时间。
    最后把计算结果*3600转换成每个小时的需求流量。


3.2 水池水位控制策略
    系统根据水池状态进行开关泵动作,实现对水池水位的控制。
    (1) 水位下降

 

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    即发生水位线触碰期望水位下限后,系统进入控制状态,以确保水池水位持续上升。直到水位触碰期望水位,解除控制。
    在该控制阶段,定时进行逻辑运算,控制开泵操作,使水位持续上升。此过程中,只执行开泵动作,不执行关泵动作。
    (2) 水位上升

 

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    即发生水位线触碰期望水位上限后,系统进入控制状态,以确保水池水位持续下降。直到水位触碰期望水位,此时结束控制。
    在该控制阶段,定时进行逻辑运算,控制关泵,使水位持续下降。此过程中,只执行关泵动作,不执行开泵动作。
    此过程控制目标:保持水位处于持续下降趋势。

 

3.3 超调量
    超调量是指需要开关泵调控水位时,除了要抵消△Q外,要增加水位调控的速度而额外增加的流量或者开关泵数:

△Q1=△Q+对应水位的超调量

    采用查表法实现,下表是一个表样例。

 

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4、改造效果
    四个供水泵站经过以上逻辑改造,已经完全符合无人值守泵站的要求,即无论在供水高峰期或低峰期,水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间,避免水源井频繁启动造成的泵损坏和加压泵空转现象的发生,提高水泵运行能效、节约电能,完美实现了供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。
    4个给水泵站改造至今已近2年的时间,整套系统运转良好、经济效益显著。2年内共发生过两次故障,均为继电器故障,监控中心及时获得了报警信息,故障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后,现场去掉了值班人员29人、增加了维护人员2人,大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。
    自2014年以来,该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处泵站改造项目中得到运用,系统运转稳定、可靠,效果大大超出预期,得到了用户的一致好评。

 
     
 

 

注:作者为本单位技术人员,本文已刊登在《中国给水排水》杂志 2016年6月1日出版 第32卷 第11期(总第415期),如需转载,请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息,否则视为侵权。