藉河生態治理工程泵站監控系統分析

呂 凱，栗禎澤

0 前言

藉河生態治理工程二期工程位于甘肅省天水市，工程設計范圍為藉河生態綜合治理一期續建工程末端（水家溝口）至藉河入渭口，治理河段長度9.6 km。設計共布置3座泵站，其中1號泵站控制1#和2#橡膠壩，2號泵站控制3#和4#橡膠壩，3號泵站控制5#和6#橡膠壩。因此,為了便于管道布置及方便管理，3座泵站站址均選擇在蓄水區河道左岸堤防外側。泵站主要由電力設備、機械設備等共同組成，其本身是一個綜合體。在建設泵站過程中，如果對其中的各種設備進行選擇、配套、管理始終都是人們所關注的一項重要問題。合理的方式可以最大化其經濟效益，確保泵站在建設后能夠長期穩定運行，而在此過程中，泵站監控系統的作用巨大。由此可見，加強對泵站監控系統的分析具有現實意義。

1 泵站監控系統的分析

1.1 泵站監控系統的主要功能

泵站監控系統在具體應用過程中的主要功能有以下幾點：①采集數據，并對采集的數據進行處理。②具體生產過程中可以實現自動控制：啟動泵組、關閉泵組，控制閘門的啟動與關閉，自動控制廠用電和變電站開關，以及對輔助設備的自動控制和調節轉角葉片[1]。③統計、計算歷史數據：對各個機組運行過程中的有功、無功、功率因素內容進行動態記錄；計算任意時間段單臺機運行過程中的各項參數，泵組的啟動與關閉次數，全廠總用電量；累積運行時間等多項內容。④經濟運行:依據不同的目標函數，例如依據全站運行消耗電量最低，運行效率最高、全站抽水量最大等多種方式，根據泵站出口、進口水位發生的具體變化，然后在通過動態計算，對泵組流量進行合理調節，依據計算結果計算開機臺數，并優化各個泵組[2]。在滿足各項約束條件下，對泵站的節能強度進行挖掘，從而使泵站在運行過程中能夠以最小的能耗，實現最優運行，從而提高泵站的經濟效益。⑤泵站監控系統要能夠與其它系統進行通信，從而提高泵站系統運行的合理性。其具體結構如圖1所示。

圖1 集控性泵站監控系統結構

1.2 泵站控制對象

1.2.1 調節葉片

大型泵站中的多數水泵的抽水葉片都是可調節的，如果葉片的角度過小，抽水量也會過小，相應的葉片的負載也就會較輕；如果葉片的角度較大，相應的抽水量也大，此時葉片的載重也大[3]。當然，負載的重量、抽水量大小都與泵站的上游水位和下游的水位差有著一定影響，水位差越小，負載越小，反之越大。由此可見，在調節葉片時，要充分考慮抽水量、水位差、機組運行情況。

調節葉片的方法主要有以下兩種：（1）由伺服電機帶動機械傳動部件，從而改變葉片角度；（2）利用液壓結構，帶動葉片轉動，從而使葉片的角度發生改變。對兩種不同的調節方式進行對比，前者的主要優點是控制更加便捷，調整起來速度較快，缺點是容易出現水泵沖擊，因此該方式經常在較小的水泵中使用；后者的優點是水泵不易發生沖擊，因此能夠在大型水泵中使用，其缺點是調整速度相對來說比較緩慢，并且具有一定的滯后性。調整對象不同，通常水泵葉片調整角度范圍為-6°-+6°。因此，在具體調節過程中主機（控制系統主機）要依據葉片的角度下達相應的調節指令，從而使機械傳動機構或液壓執行機構件葉片調整到所需要的位置，葉片角度的調整通常需要經過多次調整才能達到期望的位置。

調節葉片角度，使其處于合理的位置，是控制系統的一個重要任務，同時也是提升泵站運行效果的一項主要手段[4]。

1.2.2 電機選擇

對于流量的調節主要是通過加減泵量和調節泵運行頻率來實現的，在本項目中，上游流量變化較大，單純的調節頻率的變化不足以滿足實際生產中對于流量的調節要求，因此本項目中選擇的是異步定頻電機，所有機泵流量穩定，這樣能夠有效的降低建設成本，同時提高運行的穩定性。

泵的開啟與關閉可以通過程序自動運行，也可以由管理人員下達具體指令。每個泵站都有獨立的管控系統，可以根據液位情況決定開泵量的多少以及開泵時間的長短，同時也接受遠程指令調控。

1.3 控制系統的結構和指標

1.3.1 控制系統的結構

泵站自動化控制系統通常采用的都為分層式管理、分布式控制。其主要特點就是：公共輔機保護、勵磁控制的各個部分、各個機組等各自都形成一個相互獨立的單元，我們將其稱為現地控制單元，各個單元與控制系統通過總線、網絡方式與主機相連，主機與各單元的控制命令的現場數據的上傳與下傳通訊。

在自動化泵站中，變送器采集方式已經逐漸被淘汰，取而代之的是更加優秀的交流參數采集，對交流直接采集技術進行了廣泛應用，利用計算機對互感器中的電參數進行直接采集，并通過還原的方式，計算出電流、電壓、無功功率等各項參數數據。利用該技術制作的表計具有精度高、體積小、速度快等諸多特點，并且可以通過總線接口完成數據的組網傳送，以及參數遠程設定，是一種先進的儀表[5]。

1.3.2 確保系統運行安全性的措施

泵站自動化控制系統對反應速度有著特殊要求，具體反應在泵站運行過程中涉及到的各項參數的采集以及控制命令的反應速度，具體內容如下：（1）人機接口相應時間：刷新畫面數據的時間要小于2 s（該時間的計算應當從數據庫刷新后開始計時）；對新畫面進行調節的相應時間不能超過2 s；事件的發生或者警報的響起到畫面顯示和發出響應的時間不能超過2 s。（2）數據巡測周期：溫度模擬量小于20 s；電氣模擬量小于3 s；開關量小于3 s；開關分辨率小于5 ms。

為了確保控制系統在運行過程中的安全性，需要對不同的工作人員的權利進行限制，不同的操作者的訪問權限有所不同，避免因為誤操作導致控制系統在具體運行中出現工作。控制系統的可靠性指標如表1所示。

表1 控制系統可靠性指標

2 現場工況下智能調控

由于本項目涉及到3個泵站之間的相互協作，而液位流量等有一個延時反饋，單純的依靠液位指標進行調控是完全滿足不了實際生產要求的。因此本項目采用三級調控的方式，對整體蓄水分洪的要求進行滿足。

由于本項目涉及到的地理位置較廣，所以與水量和天氣情況有十分密切的關系，日常運行過程中，在某一時間，來水量通常是一個較為平穩的波動值。針對這一波動值，設定高、中、低三個排水檔次，這三個檔次在不同時期，排水量不同。根據當地實際天氣情況，對這三個檔次標準進行調節。當本流域流經地區有雨時，調節檔次上升一個標準；天氣正常時，調節檔次不變；當天氣晴朗，地表徑流蒸發量較大時，調節檔次下調一個標準。這個標準能夠一定程度上對大的流量變化進行比較好的調整，但是還達不到精細化調整的目的。

針對流量的精細化調整就需要在已有三個檔次的基礎上再進行分析，這三個泵站在地理位置上并不是并聯的，而是位于河流的上下游。當排水檔次根據當地天氣情況調整好后，整體水量會預先有一個波動，因為雨水還未匯集到徑流中，而徑流水已經被加速排出，在此情況下，由位置最接近天氣變化點泵站進行監控，監控液位的變化幅度大小，如果幅度區域平穩，則保持現有調節方式。如果幅度變化持續增大，則需要在其他泵站進行補償調節，最終確保整體穩定。

4 結論

泵站監控系統雖然得到了廣泛應用，但是其具體發展過程中還存在一些問題有待解決:

（1）因為在設計中沒有統一的標準和模式，因此在技術水平上呈出了參差不齊的局面，特別是在具體建設時，沒有統一的標準對設計、監理、驗收進行規范。

（2）依據相關統計結果顯示，多數泵站中的工作人員掌握的計算機知識比較有限，吸收、消化運行維護泵站監控系統的能力也有限，這在一定程度上對泵站監控系統的作用發揮產生了不良影響。

（3）針對泵站運行數據資源的共享程度還需要工作人員進行深度挖掘，并且需要加強對數據的共享方式和共享內容的深入分析。

[1]韓昭嶸,鄒金慧.基于GPRS無線傳感網絡和STM32的泵站監控系統[J].電器與能效管理技術,2016,03:48-57.

[2]趙敏,劉潔,楊海柱.新型泵站監控系統在木瓜煤礦的應用[J].電子世界,2013,05:127-128.

[3]袁建軍,駱洋,顧文杰.PLC在泵站監控系統改造中的運用[J].電工技術,2013,07:36-49.

[4]李強.基于PLC泵站監控系統的設計與實現[J].自動化技術與應用,2013,06:113-116.

[5]陳龍飛.基于STM32的城市二次供水泵站遠程監控系統[J].電子世界，2014，07:40-41.