泵站自動化及信息管理系統(tǒng)解決方案

泵站自動化及信息化管理系統(tǒng)之取水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

概述

       地表水一般通過取水泵站匯集并輸送到水廠。取水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)是城市供水遠程監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。調(diào)度中心工作人員可以遠程監(jiān)控泵站設(shè)備工作情況，取水泵站管理人員可以遠程控制泵站設(shè)備。

系統(tǒng)組成

       取水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：調(diào)度中心服務(wù)器、水廠值班室計算機、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、取水泵站遠程監(jiān)控終端、水泵啟動柜、水位計、壓力變送器、流量計等。

組網(wǎng)通信方式

       根據(jù)具體情況選擇下列組網(wǎng)通信方式：

       方式一：取水泵站直接與主管水廠通信，每個水廠再與調(diào)度中心進行通信。

       方式二：所有取水泵站直接與調(diào)度中心通信，水廠通過訪問調(diào)度中心與下屬泵站進行通信。

主要功能

       ◆ 監(jiān)測取水泵站配電室供電電流、供電電壓、電能、線路供電狀態(tài)等。
       ◆ 監(jiān)測每臺提水泵工作電流、工作電壓、檢修狀態(tài)、啟停狀態(tài)、保護狀態(tài)等。
       ◆ 監(jiān)測每個電動閥門的開度、開到位關(guān)到位狀態(tài)。
       ◆ 監(jiān)測出水壓力、出水流量、取水池水位、濁度等信息。
       ◆ 監(jiān)測泵房內(nèi)污水積水池水位，根據(jù)水位控制污水泵排水。
       ◆ 自動控制每臺提水泵、閥門；遠程控制每臺提水泵、閥門。
       ◆ 自動記錄每臺水泵的工作時間，合理安排水泵工作，均勻磨損。
       ◆ 監(jiān)測吸管真空度，自動、遠程控制真空泵。
       ◆ 人員進入泵房，自動報警，自動拍照上傳照片；也可遠程控制拍照。
       ◆ 電流、電壓、水位、壓力、濁度等超過設(shè)定數(shù)值時報警，支持自動保護；停電報警。
       ◆ 監(jiān)測終端和監(jiān)控中心服務(wù)器均可存儲歷史數(shù)據(jù)。
       ◆ 自動生成生產(chǎn)報表、曲線。
       ◆ 支持多種通信方式，采用光纖或無線網(wǎng)橋通信時支持視頻監(jiān)控。

值班操作員界面

主要設(shè)備組成

1、監(jiān)控現(xiàn)場（單個測點）

       備注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。

2、監(jiān)控中心

    備注：客戶也可直接租用“平升云平臺”，點擊“云平臺軟件”了解詳情。

泵站自動化及信息化管理系統(tǒng)加壓泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

 適用范圍

       泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)適用于城市供水系統(tǒng)中加壓泵站的遠程監(jiān)控及管理。

       泵站管理人員在監(jiān)控中心即可遠程監(jiān)測泵站水池水位或進站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等；可遠程控制、自動控制加壓泵組的啟停；光纖通信時，可圖像監(jiān)視站內(nèi)全景及重要工位，實現(xiàn)泵站無人值守。

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能

軟件界面

現(xiàn)場展示

主要設(shè)備組成

1、監(jiān)控現(xiàn)場（單個測點）

     備注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。

2、監(jiān)控中心

     備注：客戶也可直接租用“平升云平臺”，點擊“云平臺軟件”了解詳情。      

應(yīng)用案例

案例一、華北油田萬莊礦區(qū)供水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

項目需求：

        華北油田萬莊生活區(qū)的生活用水分別由東、南、西、北4個恒壓供水泵站供應(yīng)，每個泵站的水源來自1~3口水源井。供水系統(tǒng)采用人工值守的方式管理，由32名工人24小時輪流值班，管理成本*。

       為減少泵站運營費用，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(shè)備維護人員即可保障泵站的正常運行。

工藝流程圖：

系統(tǒng)說明：

1、通信及組網(wǎng)

        4個泵站分布在小區(qū)的東、南、西、北四個方向，如系統(tǒng)采用有線方式傳輸，則布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于小區(qū)內(nèi)GPRS信號較好，采用GPRS通訊完*夠滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊?，而且改造速度快、成本低，所以終采用GPRS無線傳輸。 

        監(jiān)控中心不具備上網(wǎng)條件且水源井、泵站監(jiān)控設(shè)備之間需要自主通信，因此系統(tǒng)需要采用VPN專網(wǎng)模式進行組網(wǎng)，每套設(shè)備里面都安裝了GPRS-VPN專網(wǎng)的SIM卡。

2、系統(tǒng)功能

        ① 泵站監(jiān)控終端DATA-9201作為主監(jiān)控終端，安裝于供水泵站內(nèi)，采集蓄水罐水位、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量、泵組運行狀態(tài)和參數(shù)，并根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制加壓泵組的運行。

        ② 水源井監(jiān)控終端DATA-9201作為子監(jiān)控終端，安裝于各水源井泵房，每個子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺水源井，采集水源井水位、流量、泵的累計運行時間、泵運行狀態(tài)，根據(jù)供水泵站內(nèi)蓄水罐水位、各泵累計運行時間自動控制各水源井為蓄水罐補水。

        ③ 各泵站、水源井的水泵狀態(tài)及運行參數(shù)、管道壓力、管道流量、蓄水罐水位等數(shù)據(jù)全部上報給監(jiān)控中心；數(shù)據(jù)越限，設(shè)備故障時，系統(tǒng)自動向管理人員手機發(fā)送報警短信。

3、自動供水實現(xiàn)原理

        自動供水系統(tǒng)分為兩部分，即供水泵站蓄水罐端和水源井端。 

        供水泵站蓄水罐端：泵站監(jiān)控終端DATA-9201采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)停泵站加壓泵組，停止對外供水。

        水源井端：水源井監(jiān)控終端DATA-9201采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計運行時間，根據(jù)水泵狀態(tài)及運行時間進行選泵（實現(xiàn)各水源井水泵均衡運行）并根據(jù)泵站監(jiān)控終端輸出的需求流量進行自主啟、停泵操作為水罐補水，使蓄水罐水位一直在期望值范圍內(nèi)。

應(yīng)用效果：

        經(jīng)升級改造后，供水系統(tǒng)無論在供水高峰期或低峰期，都能夠保證水罐水位在期望值范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)蓄水罐水位智能控制水源井水泵的啟動個數(shù)和運行時間，避免了水泵頻繁啟動和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

        泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，提高了水泵運行效率、大大節(jié)約了電能、縮減了27名工作人員，實現(xiàn)了用戶無人值守的需求，達到了減員增效的目的。

案例二、安徽某水廠取水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

項目需求：

        安徽某水廠的水源來自5公里外的河道，*以來一直采用人工值守的方式來管理河道取水泵站。

當(dāng)水廠內(nèi)水池水位低時，調(diào)度人員需打電hua通知泵站值守人員手動開泵；水池水位高時，再打電hua通知泵站值守人員手動關(guān)泵，泵站的人力、交通等管理成本非常高。

        為降低管理成本、提高管理效率，該水廠決定安裝一套取水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

工藝流程圖：

系統(tǒng)說明：

1、通信及組網(wǎng)

        現(xiàn)場情況：

        ① 河道取水泵站所在位置GPRS信號質(zhì)量很差但能通過寬帶上網(wǎng)。

        ② 水廠水池處GPRS信號質(zhì)量很好。

        ③ 水廠調(diào)度中心可以上網(wǎng)，并綁定了固定IP地址。

        組網(wǎng)方案：

        該系統(tǒng)中，泵站測控終端和水池測控終端需要點對點通信，實現(xiàn)供水自動控制；

        泵站測控終端和水池測控終端需要通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控數(shù)據(jù)上報給調(diào)度中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；

        綜合現(xiàn)場通信條件和系統(tǒng)功能需求，終采用了專網(wǎng)云的方式來組網(wǎng)建設(shè)系統(tǒng)，如“工藝流程圖”所示。

2、系統(tǒng)功能

        ① 遠程監(jiān)測

        ★ 取水泵站電磁閥、水泵運行狀態(tài)及電壓、電流。

        ★ 取水泵站管道壓力、取水流量；水廠內(nèi)水池水位。

        ★ 泵站測控終端、水池測控終端箱門狀態(tài)、供電狀態(tài)。

        ② 自動供水

        河道取水泵站根據(jù)水廠內(nèi)水池水位自動供水，保障水池適度蓄水，實現(xiàn)無人值守運行。

        ③ 遠程控制

        支持遠程手動控制水泵和閥門，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，可及時進行人工干預(yù)。

        ④ 故障預(yù)警

        數(shù)據(jù)越限、設(shè)備故障時系統(tǒng)自動報警。

3、自動供水實現(xiàn)原理  

        ① 當(dāng)水池水位到達上*，系統(tǒng)自動關(guān)停取水泵、電磁閥；

        ② 當(dāng)水池水位到達下*，系統(tǒng)自動開啟電磁閥、取水泵；

        ③ 當(dāng)某臺泵的管道壓力到達上*，系統(tǒng)優(yōu)先關(guān)停該組取水泵、電磁閥，保護管道安全。

案例三、貴州某地農(nóng)村供水工程多級泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

項目需求：

        貴州某地農(nóng)村水廠的源水取自湖泊，經(jīng)水廠凈化、消毒后通過三級泵站（含水廠內(nèi)一級泵站）提水到A山高位水池，之后自流到山下四級泵站，四級泵站再提水到B山高位水池，后通過自流的方式為山下的村莊供水。

        為解決管理人員不足、系統(tǒng)運行能耗高、管理費用高等諸多問題，當(dāng)?shù)厮咎岢隽私ㄔO(shè)一套“多級泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)”的需求。我公司為該項目提供了了全套的監(jiān)控設(shè)備和軟件，實現(xiàn)了四級泵站的聯(lián)動控制和系統(tǒng)的無人值守運行，取得了很好的應(yīng)用效果。

工藝流程圖：

        本項目中，各級泵站的內(nèi)部工藝基本相同，水池后均配置2臺提升泵（一備一用），如下圖所示：

系統(tǒng)說明：

1、通信及組網(wǎng)

        該項目位于山區(qū)，無線信號質(zhì)量很差。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性并方便后期擴展視頻監(jiān)控功能，各站點間均鋪設(shè)了光纖，組成了光纖局域網(wǎng)。

2、系統(tǒng)功能

        ① 監(jiān)控中心實時監(jiān)測各級泵站、水池運行工況及運行數(shù)據(jù)，包括：

        ★ 水泵、電動閥運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、控制模式、工作電流和電壓。

        ★ 泵站水池、高位水池水位。

        ★ 測控終端箱門狀態(tài)、供電狀態(tài)。

        ② 四級泵站聯(lián)動，保障各級水池合理蓄水。

        每級泵站根據(jù)下一環(huán)節(jié)水池水位自動運行，水位低時自動補水、水位高時自動停水，四級泵站聯(lián)動、無人值守運行。

        系統(tǒng)運行效率高、水泵運行時間短，保障供水安全、電能節(jié)約。

        各級泵站均支持遠程控泵、控閥，一旦供水異?？杉皶r進行手動控制。

        ③ 遠程控制高位水池電動閥門，實現(xiàn)按需供水。

        監(jiān)控中心根據(jù)用水需求，遠程控制高位水池電動閥門的開啟、關(guān)閉，

        ④ 故障預(yù)警，可及時發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障。

        水泵/閥門故障、電流超限、電壓缺相等故障發(fā)生時自動報警，以便維護人員及時檢修，保障正常供水。

3、泵站聯(lián)動控制原理

        ① 下一環(huán)節(jié)水池水位到達水位上*，本級泵站自動關(guān)閥、關(guān)泵，停止供水；

        ② 下一環(huán)節(jié)水池水位到達水位下*，本級泵站自動開泵、開閥，啟動供水；

        各級泵站均按上述邏輯自主運行，實現(xiàn)四級泵站聯(lián)動控制，系統(tǒng)自動供水。

設(shè)備安裝現(xiàn)場：

泵站自動化及信息管理系統(tǒng)之泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

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無人值守泵站工藝邏輯設(shè)計及應(yīng)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(jié)合實例闡述了無人值守泵站的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，重點總結(jié)了多口水源井為蓄水罐補水的自控邏輯設(shè)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(guān)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(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)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(shè)備維護人員即可保障泵站的正常運行。

2、設(shè)計思路及改造要求

        首先要解決的就是數(shù)據(jù)傳輸問題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中至中控室計算機，以便于遠程監(jiān)控。考慮到小區(qū)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(qū)內(nèi)手機信號比較好，采用GPRS傳輸完*夠滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊?，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(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場概況：泵站內(nèi)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(shù)水源井分布在站內(nèi)，個別水源井離泵站較遠。給水泵站內(nèi)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(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內(nèi)的水變頻恒壓輸送至小區(qū)給水管網(wǎng)。工藝示意圖如下：

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

        主監(jiān)控終端內(nèi)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(shè)置為A型，可同時與監(jiān)控中心以及站外水源井子監(jiān)控終端通信；第二路連接站內(nèi)水源井子監(jiān)控終端；第三路預(yù)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(jiān)控框架圖： 

        現(xiàn)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(jù)蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調(diào)整水泵啟動個數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報警、水池過低時自動關(guān)停所有加壓泵。 

3、控制邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        水源井自動供水系統(tǒng)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(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)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(tài)、泵的累計運行時間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運行時間進行選泵，再根據(jù)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(tǒng)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(guān)泵的數(shù)量與時機。因此準(zhǔn)確及時地計算△Q值，是水池邏輯控制的核心。 

        △Q根據(jù)水位信息、時間信息及各種設(shè)定參數(shù)，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(dāng)前水位值L 

        當(dāng)前水位值需要進行濾波處理，設(shè)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(nèi)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(shù)n，根據(jù)采集次數(shù)計算水位值的平均值； 

        如果采集時間大于T1，則始終對T1內(nèi)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(shù)n不變，之后計算水位值的平均值。 

        (2) 計算當(dāng)前水位變化值△L 

        計算出當(dāng)前水位值后進行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當(dāng)前水位值，并計算當(dāng)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(jié)果。 

        S:水池底面積。 

        T2:取水位的間隔時間。 

        后把計算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個小時的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系統(tǒng)根據(jù)水池狀態(tài)進行開關(guān)泵動作，實現(xiàn)對水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即發(fā)生水位線觸碰期望水位下限后，系統(tǒng)進入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)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(xù)上升。此過程中，只執(zhí)行開泵動作，不執(zhí)行關(guān)泵動作。 

        (2) 水位上升 

        即發(fā)生水位線觸碰期望水位上限后，系統(tǒng)進入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)下降。直到水位觸碰期望水位，此時結(jié)束控制。 

        在該控制階段，定時進行邏輯運算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過程中，只執(zhí)行關(guān)泵動作，不執(zhí)行開泵動作。 

        此過程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢。 

3.3 超調(diào)量 

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

△Q1=△Q+對應(yīng)水位的超調(diào)量 

        采用查表法實現(xiàn)，下表是一個表樣例。 

4、改造效果 

        四個供水泵站經(jīng)過以上邏輯改造，已經(jīng)*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(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水罐水位智能控制水源井的啟動個數(shù)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(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運行能效、節(jié)約電能，完美實現(xiàn)了供水設(shè)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(tǒng)運轉(zhuǎn)良好、經(jīng)濟效益顯著。2年內(nèi)共發(fā)生過兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時獲得了報警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過無人職守改造后，現(xiàn)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(yīng)速度。 

        自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內(nèi)蒙等地的多處泵站改造項目中得到運用，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶的*。

注：作者為本單位技術(shù)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(zhuǎn)載，請標(biāo)注轉(zhuǎn)載來源、作者單位、作者姓名等信息，否則視為侵權(quán)