农村生活泵站自动化技术的探索

徐佳丽 王 菲 赵雨婷 许铁强/绍兴柯桥排水有限公司

农村生活泵站自动化技术的探索

徐佳丽 王 菲 赵雨婷 许铁强/绍兴柯桥排水有限公司

泵站是市政建设和治理工程中的一项基础和关键设施，其重要性不言而喻。泵站控制的自动化水平受限于硬件和软件，自控研发中心利用工作之余，积极调研，克服重重困难，完成了杨汛桥实验小学泵站自控改造。村居泵站的改造有其独特性，也有共同性，此案例的改造有一定的借鉴价值。

泵站；信息层；控制层；设备层；软件；自动化

引言

柯桥区为配合城乡集约化供水，打破了郊区原先“一村一厂”的水格局，郊区供水与中心城区的差距也逐渐减小。农村居民不但“喝得到水”，而且还要“喝上好水”。控制中心已在村居泵站现场安装PLC、上位机、压力表和水质监测仪表，按批次进行自动化改造。目前，工程顺利完工，经过控制中心与泵站管理所的共同努力，现场操作员可通过上位机开停水泵、水库调流阀的自动控制以及现场仪表的数据监控，方便了泵站的生产运营。

同时，控制中心通过GPRS方式远程读取泵站现场的生产数据，获取泵站的全面生产信息，便于合理发挥泵站能力，保障村居供水。配合二期工程，实现泵站水质数据的集中采集，进一步完善对于村居泵站的生产监控。

1.结构及特点

1.1 结构

泵站类型较多，欧美泵站按其结构类型通常将其系统分为三层：

1.1.1 由监控计算机组成的信息层.

易控（INSPEC）组态软件功能强大，可利用其设计监控系统的图形界面和监控数据报表等相关工作，并可收集和操控全泵站的生产数据。在工程师站和操作员站各设置一台上位机，并配套打印机和不间断电源（UPS）。系统的上位机可显示全泵站的电力监控情况，并可通过以太网，实现与PLC分站的连接。

1.1.2 由PLC和远程IO子站组成的控制层。

控制层的主要作用是采集现场仪表数据和实时监控现场设备等。PLC主站通过以太网与上位机连接，通过Device Net与IO子站连接。

1.1.3 由阀门、水泵、流量计和水位计等现场设备组成的设备层。

阀门、水泵、流量计和水位计等现场设备是设备层的重要组件，通过24V直流电开关量和4-20mA模拟信号，将其与PLC远程IO站连接，从而将运行参数和工艺参数传送到PLC，并通过PLC对设备加以控制。

通过系统的上位监控，可实现泵站的自动化运行和对故障的治理。丈量水位工作由GE公司90-30系列PLC组成的下位PLC完成；监控电力和启停水泵等工作则是由Beckhoff公司BK5220系列的I/O模块组成的远程I/O子站完成。下位PLC与上位机和下位PLC与远程I/O子站在通讯方式上也有所差异：与上位机是以太网接进Hub的方式，而下远程I/O子站则是以Device net网络的方式。泵站的系统结构图用下图说明：

图1 泵站系统结构示意图

由于季节性变化，所有泵站在不同季节将采取不同的运行模式，该泵站全年运行模式如下：

Mode 1：旱季无雨或初雨且尚未超过截流水量时，仅有截流污水泵交替运行或满负荷运行；

Mode 2：当雨量逐渐增多，在即将超过限定值时，且截流污水泵已满负荷，此时应启动雨水调节池，以满足工作要求；

Mode 3：若雨量持续增大，且雨水调节池无额外余量时，为达到防汛排涝目的，在截流污水泵依旧满负荷运行的情况下，启动雨水泵；

Mode 4：一旦降雨结束，立即停止运行雨水泵，并放空雨水调节池，原则上只保留截流污水泵交替运行；

Mode 5：在旱季无雨或少雨时，在进行雨水泵试车操作前，原则上要停止运行截流污水泵；

Mode 6：泵站需大修。

1.2 特点

1.2.1 运行监控，系统可靠。

经改造的村居具有多种特殊功能，因此系统运行可靠性较高。这些功能包括雨污水外排工程的运行监控、工程范围内的主要设备监控、故障报警及事故状态下应急处理方案和手段。

1.2.2 能耗降低，运行经济。

系统对村居泵站等设施内的仪表及机电设备进行监控，充分发挥了泵组的提升能力，管网系统雨污水运载能力也得到了提高，达到同样效果时，所使用的机电设备变少，能耗也大幅降低，运行总成本显著降低。

1.2.3 采集全面，处理得当.

系统可自动定时地采集村居泵站主要设备的运行参数，并将其保存于数据库。这些参数可在画面上显示、制表打印和计算控制等。同时，改造后的系统，减轻了中控室值班员的工作，大部分工程可在人机界面完成，不仅可以查看泵站的自动化运行情况，还可实时调用各工作点的设备状态参数。当然，系统运行的安全性能大大提高，可根据总体运行状况，进行适时合理的分析、处理。

2.运行

在控制策略上，污水泵房和雨水泵房均基于可编程序逻辑控制器，即PLC。两者各自拥有控制子系统，因此其控制相对独立。变电所的控制系统与集控室的计算机系统相连接，但其自动化控制相对独立。出于安全考虑，在集控室内设置两台监控计算机，其中一台为备用。监控计算机担负治理和协调子系统的工作，其操作界面由显示屏和键盘构成。污水泵房和雨水泵房是村居泵站的两个重要组成部分，但其在功能上存在较大差异。其中，污水泵的功能与治理工程中心监控主站保持通讯，而雨水泵房则担负着与市区排水信息系统通讯的重要职责。

经改造的村居泵站中的各主要部件安全性较高，因为其均通过以太网（Ethernet）连接。这些部件包括监控计算机、污水泵房控制PLC、雨水泵房控制PLC以及变电所内的自动化系统数据信息库。当然设备间的通讯要以实际情况作为判断依据，因此PLC与水泵和闸门等机械设备间的控制箱以Device net总线的方式连接。在这样的连接条件下，使得仪表的模拟量和脉冲量可以同时通过远端I/O模块进入Device net。

污水治理工程中心主站和泵站之间的通讯分为常用信道和备用信道，两者的通讯方式也存在着差异：常用信道通过数字数据网（DDN）进行通讯，而备用信道则通过无线进行通讯。两者均经过服务代理泵站，进而转接到位于M2泵站的污水处理工程中心的监控主站。若要实现轮询方式下逢变则报的功能，则采用IEC60870.5-101通讯标准，且为非平衡传输模式。

3.软件应用

通过自主软件开发，实现了泵站自动化监控系统的上位监控，并建立了雨水泵房和污水泵房。这两个泵房在工作和功能上相对独立，但职责强大。两个泵房在同一控制系统之下，可实现自动控制泵站的自动化运行。经改造后的村居泵站系统可实时数据监测、数据报表打印、历史数据查询、信息报警和流量曲线显示等工作。

3.1 泵站监控系统

主控平台、电站检测、报警查询、报表浏览和系统维护是泵站监控系统的主要组成部分和功能要素。当系统运行时，依次进入主控平台界面，通过这个界面可以查询和显示整个泵站所有设备的信息。若要查看该设备的具体信息，只需点击某个设备即可。比如，若要显示系统的电气连接网络图，只要点击电站检测界面，方便、易操作；通过报警查询界面可以显示报警情况；通过浏览界面可以显示历史实时数据的浏览曲线图。泵站的所有污水泵、雨水泵、格栅等各类信息参数和对各个泵、闸门和格栅等操作均可通过主控平台来完成。

3.1.1 泵启停主要参数。

机泵监测窗口能对泵进行远程状态控制，它主要显示该泵当前的运行状态，包括累积运行时间、次数、电流值、频率、转速和累积流量等信息。

3.1.2 闸门启停主要参数。

闸门监测窗口是一个重要窗口，其主要显示该闸门状态，包括累积运行时间和次数等信息，并能对该闸门进行远程开关操作。

3.1.3 格栅主要参数。

格栅监测窗口，分为两种不同显示风格，主要显示内容为当前格栅状态的参数信息。

3.1.4 雨水排放操作。

雨水排放操作窗口，可以选择具体排放模式，实现适时合理的雨水排放。

3.1.5 污水排放操作。

污水排放操作窗口包含对各种污水排放的操作模式。

3.2 电站监测

数据采集是电站监测的首要工作任务，经改造后的村居泵站系统可以实现对过程数据的自动巡回采集和存储，并且数据的采样周期小于100ms。其中，按其重要参数性质，可将机组分为两大类：

3.2.1 开关类参数。

机组控制开机、停机和闸门开关的PLC是开关类参数的主要来源。

3.2.2 流量类参数.

液位仪、流量计和雨量计是流量类参数的主要来源，此类参数主要用于丈量污水和雨水流量、机组各项绕组和轴承温度。上位机可以对于不同设备分别进行数据采集。对于不同PLC设备，在使用时只要进行适当的参数设置并添加设备，便可实现信息的传送，改造过程简单易操作。同时，系统还可可动态显示或将其保存到数据库中，并根据用户的要求进行不同数据的并行处理。

在完成以上事项后，便进行报表操作。报表是村居泵站改造治理过程中的一项重要内容，这是系统对上位机定时或召唤出报表的要求。一份完整的报表包括泵站所有机组的运行日志、污水流量统计报表（年、月和日统计报表）、雨水流量统计报表（年、月和日统计报表）和故障报警报表等相关内容。

经改造的村居泵站系统监测和控制功能十分强大，可实现监视、控制、调节和治理等多方面工作过程。因此，为减轻员工的工作强度，现场运行要求稳定可靠、成本经济。通过易控（INSPEC）的人机界面可以实现强大的自动控制和数据治理功能。该系统运行可靠，在改造过程中总结了一些经验和教训，为以后的村居泵站改造提供了一套切实可行的信息化解决方案。

4.结论

为加快集镇、村居泵站自动化建设步伐，自控研发中心职工在8小时工作时间之余，主动放弃星期天、中午等休息时间，积极配合分公司进行集镇、村居泵站建设，通过三天时间，顺利完成杨汛桥实验小学泵站自控改造。据悉，今年泵站改造任务艰巨繁重，再加上近阶段，雨水增多，改造泵站现场施工难度加大，但研发中心团队众志成城，对自控改造工作进行合理安排。在保证安全的情况下，雨天撑起雨具照常施工，杨汛桥实验小学泵站城西分公司现已改造完成，正常运行。

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