智慧水務——無人值守泵站改造項目方案

無人值守泵站工藝邏輯設計及應用

（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations） 

姚妍彬、龐傳龍、盧成偉、張曉華

摘要：結合實例闡述了無人值守泵站的設計思路和實現方法，重點總結了多口水源井為蓄水罐補水的自控邏輯設計，為此類給水泵站的自動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.

關鍵詞：水源井、給水泵站、泵站改造、無人值守、自控邏輯

1、項目背景

        華北油田廊坊萬莊礦區的生活小區有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區內的生活用水分別由分布在小區東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本*。

        為了減少泵站運營費用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站，希望僅配置少量設備維護人員即可保障泵站的正常運行。

2、設計思路及改造要求

        首先要解決的就是數據傳輸問題，即將所有泵站的數據集中至中控室計算機，以便于遠程監控。考慮到小區占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于生活小區內手機信號比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數據實時傳輸的要求，且改造速度快、成本低，終確定采用GPRS的傳輸方式。 

        其次要解決的是給水泵站無人值守改造，需要解決大量現場設備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運行就比較困難。 

        給水泵站現場概況：泵站內水源采自地下水，每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數水源井分布在站內，個別水源井離泵站較遠。給水泵站內安裝地上蓄水罐1-5個，容量不一（大的蓄水罐容積700m³、小的蓄水罐容積為300 m³），蓄水罐底部通過管道連通，罐內水位變化一致。站內另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內的水變頻恒壓輸送至小區給水管網。工藝示意圖如下：

         改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監控終端，用來采集水池液位、管網流量、管網壓力并自動控制加壓泵組的運行。在站內、站外水源井處分別安裝子監控終端，每個子監控終端監控一臺水源井。站內子監控終端采用串口電纜與主監控終端連接，站外子監控終端通過GPRS網絡與主監控終端聯網。泵站控制邏輯均由主監控終端來處理。 

        主監控終端內采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個，路連接一臺DATA-6106 GPRS模塊，且設置為A型，可同時與監控中心以及站外水源井子監控終端通信；第二路連接站內水源井子監控終端；第三路預留。同時，邏輯控制器通過CAN總線連接3臺I/O擴展模塊（DATA-7302），分別控制3臺變頻加壓泵。

        泵站監控框架圖： 

        現場控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對外供出。所有水源井根據蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調整水泵啟動個數，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標準值范圍內，并支持水位超限報警、水池過低時自動關停所有加壓泵。 

3、控制邏輯總體結構設計

        水源井自動供水系統分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據當前水位的狀態及水位變化值計算出需求流量，當水位過低時自動關停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態、泵的累計運行時間，并根據水泵狀態及運行時間進行選泵，再根據水池端輸出的需求流量進行控泵。

3.1 計算需求流量△Q 

        系統定時計算，得到水池需加減的瞬時流入量值△Q，從而得到精確控制開關泵的數量與時機。因此準確及時地計算△Q值，是水池邏輯控制的核心。 

        △Q根據水位信息、時間信息及各種設定參數，遵循一套水位控制策略計算得來。 

        水池需加減的瞬時流入量值△Q的運算過程如下： 

        (1) 計算當前水位值L 

        當前水位值需要進行濾波處理，設定水位濾波間隔T1。 

        每個采集周期t采集1個水位值Li，在T1時間內對采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集時間沒到T1，則對采集的水位值求和，并計算采集次數n，根據采集次數計算水位值的平均值； 

        如果采集時間大于T1，則始終對T1內的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數n不變，之后計算水位值的平均值。 

        (2) 計算當前水位變化值△L 

        計算出當前水位值后進行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當前水位值，并計算當前水位變化值△L。 

        △L = L – Lbak 

        △L > 0表示水位處于上升趨勢； 

        △L < 0表示水位處于下降趨勢。 

        (3) 計算需求流量 

        △Q =△L*S/ T2*3600; 

        △L:上一步求得的結果。 

        S:水池底面積。 

        T2:取水位的間隔時間。 

        后把計算結果*3600轉換成每個小時的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系統根據水池狀態進行開關泵動作，實現對水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即發生水位線觸碰期望水位下限后，系統進入控制狀態，以確保水池水位持續上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。 

        在該控制階段，定時進行邏輯運算，控制開泵操作，使水位持續上升。此過程中，只執行開泵動作，不執行關泵動作。 

        (2) 水位上升 

        即發生水位線觸碰期望水位上限后，系統進入控制狀態，以確保水池水位持續下降。直到水位觸碰期望水位，此時結束控制。 

        在該控制階段，定時進行邏輯運算，控制關泵，使水位持續下降。此過程中，只執行關泵動作，不執行開泵動作。 

        此過程控制目標：保持水位處于持續下降趨勢。 

3.3 超調量 

        超調量是指需要開關泵調控水位時，除了要抵消△Q外，要增加水位調控的速度而額外增加的流量或者開關泵數： 

△Q1=△Q+對應水位的超調量 

        采用查表法實現，下表是一個表樣例。 

4、改造效果 

        四個供水泵站經過以上邏輯改造，已經*符合無人值守泵站的要求，即無論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內。主、子監控終端根據水罐水位智能控制水源井的啟動個數及運行時間，避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉現象的發生，提高水泵運行能效、節約電能，完美實現了供水設備的自動化運行和給水泵站的無人值守管理。 

        4個給水泵站改造至今已近2年的時間，整套系統運轉良好、經濟效益顯著。2年內共發生過兩次故障，均為繼電器故障，監控中心及時獲得了報警信息，故障得以迅速解決。泵站經過無人職守改造后，現場去掉了值班人員29人、增加了維護人員2人，大幅度降低了泵站運營成本并提高了故障響應速度。 

        自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內蒙等地的多處泵站改造項目中得到運用，系統運轉穩定、可靠，效果大大超出預期，得到了用戶的*。

注：作者為本單位技術人員，本文已刊登在《中國給水排水》雜志  2016年6月1日出版  第32卷  第11期（總第415期），如需轉載，請標注轉載來源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權。

無人值守泵站工藝邏輯設計及應用

（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations） 

姚妍彬、龐傳龍、盧成偉、張曉華

摘要：結合實例闡述了無人值守泵站的設計思路和實現方法，重點總結了多口水源井為蓄水罐補水的自控邏輯設計，為此類給水泵站的自動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.

關鍵詞：水源井、給水泵站、泵站改造、無人值守、自控邏輯

1、項目背景

        華北油田廊坊萬莊礦區的生活小區有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區內的生活用水分別由分布在小區東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本*。

        為了減少泵站運營費用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站，希望僅配置少量設備維護人員即可保障泵站的正常運行。

2、設計思路及改造要求

        首先要解決的就是數據傳輸問題，即將所有泵站的數據集中至中控室計算機，以便于遠程監控。考慮到小區占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于生活小區內手機信號比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數據實時傳輸的要求，且改造速度快、成本低，終確定采用GPRS的傳輸方式。 

        其次要解決的是給水泵站無人值守改造，需要解決大量現場設備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運行就比較困難。 

        給水泵站現場概況：泵站內水源采自地下水，每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數水源井分布在站內，個別水源井離泵站較遠。給水泵站內安裝地上蓄水罐1-5個，容量不一（大的蓄水罐容積700m³、小的蓄水罐容積為300 m³），蓄水罐底部通過管道連通，罐內水位變化一致。站內另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內的水變頻恒壓輸送至小區給水管網。工藝示意圖如下：

         改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監控終端，用來采集水池液位、管網流量、管網壓力并自動控制加壓泵組的運行。在站內、站外水源井處分別安裝子監控終端，每個子監控終端監控一臺水源井。站內子監控終端采用串口電纜與主監控終端連接，站外子監控終端通過GPRS網絡與主監控終端聯網。泵站控制邏輯均由主監控終端來處理。 

        主監控終端內采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個，路連接一臺DATA-6106 GPRS模塊，且設置為A型，可同時與監控中心以及站外水源井子監控終端通信；第二路連接站內水源井子監控終端；第三路預留。同時，邏輯控制器通過CAN總線連接3臺I/O擴展模塊（DATA-7302），分別控制3臺變頻加壓泵。

        泵站監控框架圖： 

        現場控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對外供出。所有水源井根據蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調整水泵啟動個數，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標準值范圍內，并支持水位超限報警、水池過低時自動關停所有加壓泵。 

3、控制邏輯總體結構設計

        水源井自動供水系統分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據當前水位的狀態及水位變化值計算出需求流量，當水位過低時自動關停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態、泵的累計運行時間，并根據水泵狀態及運行時間進行選泵，再根據水池端輸出的需求流量進行控泵。

3.1 計算需求流量△Q 

        系統定時計算，得到水池需加減的瞬時流入量值△Q，從而得到精確控制開關泵的數量與時機。因此準確及時地計算△Q值，是水池邏輯控制的核心。 

        △Q根據水位信息、時間信息及各種設定參數，遵循一套水位控制策略計算得來。 

        水池需加減的瞬時流入量值△Q的運算過程如下： 

        (1) 計算當前水位值L 

        當前水位值需要進行濾波處理，設定水位濾波間隔T1。 

        每個采集周期t采集1個水位值Li，在T1時間內對采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集時間沒到T1，則對采集的水位值求和，并計算采集次數n，根據采集次數計算水位值的平均值； 

        如果采集時間大于T1，則始終對T1內的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數n不變，之后計算水位值的平均值。 

        (2) 計算當前水位變化值△L 

        計算出當前水位值后進行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當前水位值，并計算當前水位變化值△L。 

        △L = L – Lbak 

        △L > 0表示水位處于上升趨勢； 

        △L < 0表示水位處于下降趨勢。 

        (3) 計算需求流量 

        △Q =△L*S/ T2*3600; 

        △L:上一步求得的結果。 

        S:水池底面積。 

        T2:取水位的間隔時間。 

        后把計算結果*3600轉換成每個小時的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系統根據水池狀態進行開關泵動作，實現對水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即發生水位線觸碰期望水位下限后，系統進入控制狀態，以確保水池水位持續上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。 

        在該控制階段，定時進行邏輯運算，控制開泵操作，使水位持續上升。此過程中，只執行開泵動作，不執行關泵動作。 

        (2) 水位上升 

        即發生水位線觸碰期望水位上限后，系統進入控制狀態，以確保水池水位持續下降。直到水位觸碰期望水位，此時結束控制。 

        在該控制階段，定時進行邏輯運算，控制關泵，使水位持續下降。此過程中，只執行關泵動作，不執行開泵動作。 

        此過程控制目標：保持水位處于持續下降趨勢。 

3.3 超調量 

        超調量是指需要開關泵調控水位時，除了要抵消△Q外，要增加水位調控的速度而額外增加的流量或者開關泵數： 

△Q1=△Q+對應水位的超調量 

        采用查表法實現，下表是一個表樣例。 

4、改造效果 

        四個供水泵站經過以上邏輯改造，已經*符合無人值守泵站的要求，即無論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內。主、子監控終端根據水罐水位智能控制水源井的啟動個數及運行時間，避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉現象的發生，提高水泵運行能效、節約電能，完美實現了供水設備的自動化運行和給水泵站的無人值守管理。 

        4個給水泵站改造至今已近2年的時間，整套系統運轉良好、經濟效益顯著。2年內共發生過兩次故障，均為繼電器故障，監控中心及時獲得了報警信息，故障得以迅速解決。泵站經過無人職守改造后，現場去掉了值班人員29人、增加了維護人員2人，大幅度降低了泵站運營成本并提高了故障響應速度。 

        自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內蒙等地的多處泵站改造項目中得到運用，系統運轉穩定、可靠，效果大大超出預期，得到了用戶的*。

注：作者為本單位技術人員，本文已刊登在《中國給水排水》雜志  2016年6月1日出版  第32卷  第11期（總第415期），如需轉載，請標注轉載來源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權。