小型供水泵站無人值守的優化改造與應用

陳 虹， 田 野， 韋 棟， 賀龍飛， 林春敬

(深水龍崗水務集團有限公司，廣東深圳518055)

中途加壓泵站對水廠的生產運行和轄區內的供水保障發揮著重大作用。深圳某村級水廠市政管網片區加壓泵站于1996年建成投產，建設標準低，供水能力為1 500 m3/d，泵站值班室與高位水池相距1.2 km，地面高差約為40 m。出廠水經管網進入泵站調節池后通過提升泵站加壓供至高位水池，再自流進入市政管網。因自動化程度低，無法實現集中值守，泵站自運行以來，經常出現因為水流波動導致泵站調節池浮球閥脫落、關閉不嚴等故障，進一步導致泵站調節池內液位控制失效，泵站進水閥門無法正常啟閉，水池出現延遲蓄水或溢流的現象。水池水位低時啟動水泵還會導致機泵空轉出現氣蝕，對泵體與過流件造成損害，影響供水安全。該小型泵站必須采用五班三倒、24 h人工往返巡檢的方式降低事故發生率，保障水泵機組安全穩定運行，極大的增加了運維成本。

針對上述問題，該水廠擬通過基于PLC自動控制的一系列泵站自動化改造，實現泵站實時監控、智能操控、無人值守和水廠聯動，解決水池延遲蓄水或溢流的現象和人為因素造成的生產安全問題。

1 泵站現狀

該小型原水泵站由調節池、泵房、配電房和高位水池4部分組成。泵站調節池進水閥門開閉通過調節池內浮球閥控制，泵房內有1臺機泵控制柜、3套水泵機組(2用1備)，低壓配電房有1組低壓進線柜，高位水池低水位時通過1條與泵房相連的485總線報警，未安裝高水位報警裝置。日常通過人工巡檢的方式手動操作機泵控制柜開停水泵機組，檢查配電房電氣設備運行情況，保障泵站穩定運行。因缺少高位報警，運行人員僅通過開泵時間估算高位水池水位，頻繁往返于高位水池和泵站開關機泵，特殊天氣時依靠經驗開關機泵調節。

泵站日常運行需采用五班三倒的模式進行人工巡檢、泵站數據和運行狀況檢測，存在人力、物力消耗大、人工檢測效率低、不能實時監測泵站運行等問題。

2 改造措施

目前常用的自動化控制系統有兩種類型：一是使用STC單片機為控制核心，以LabVIEW為操作平臺的無人值守遠程監控系統[1]；二是使用PLC控制器為核心，以Python為平臺的無人值守遠程監控系統。

STC單片機控制程序開發周期長，不利于快速應用且單片機對運行環境要求較高，不適于供水泵站的高溫潮濕環境；以PLC控制器為核心的自控系統可從實際出發，選用先進、成熟的工業模塊元件，以Python程序設計語言自主編寫上位機控制程序，在原有硬件的基礎上就地增加控制柜[2]，利用采集模塊、交換機、點對點網絡、上位機系統監控泵站運行的電壓、電流、水位、水壓等參數，控制進水閥門和機泵的運行，易于實施，擴容成本低。

為了解決泵站自控程度低、運行效率低、人力物力消耗大帶來的風險問題，該水廠決定采用自主編寫的軟件程序，通過以PLC控制器為核心的自控系統對泵站進行了優化改造，改造后的系統控制結構如圖1所示。值班室控制端由1臺運行控制程序的計算機操作，通過光纖網絡將控制信號傳送至中途加壓泵站，中途加壓泵站控制柜收到指令并執行，同時反饋電機運行電流值，呈現在控制端計算機屏幕。

圖1 原水泵站遠程控制原理Fig.1 Principle of remote control of raw water pump station

2.1 增加水池監測程序設備，實現水位監測

為應對泵站調節池、高位水池缺少水位監測和報警裝置、水流波動導致設備損壞閥門無法開閉等問題，該水廠在泵站調節池和高位水池中新增水位監測探頭，監測水位變化和儲水量，同時進行了自控改造。改造后水池的自控流程如圖2所示，調節池蓄水由PLC控制器根據水池水位反饋信息進行判斷，并對調節池前電控閥門下達指令，當水位降至保護低水位時，閥門開啟蓄水；當水位達到限制高度時，閥門關閉，蓄水停止[3]。高位水池也由PLC控制器監測水位變化并接受反饋信息，對水泵進行控制，水位降至保護水位水泵啟動，水池蓄水；水位升至限制高度，水泵停機。

圖2 水池自控流程Fig.2 Automatic control flow of water tank

2.2 增加數據模塊，完善自控系統

為解決泵站五班三倒人工巡檢操作、人力物力消耗大、工作效率低的問題，泵站增加了自控系統，以實現泵站24 h無人值守和自動監控。該系統采取自主編寫的軟件程序，通過光纖網絡終端，在泵站安裝控制和數據采集器，通過遠程數據采集模塊，每3 s將水泵的運行參數、流量等視頻信號傳至水廠中控室，并在PLC模塊設置低水位保護程序保護水泵機組。當泵站調節池水位跌至最低水位時，程序會強制機泵停止運行，防止機泵空抽，且水泵機組安裝有斷路器對水泵進行失壓、過載和短路保護。

2.2.1電氣設備監控

為泵房內的3臺水泵機組配備電流互感器，監測水泵運行狀態。PLC控制柜新增1臺多路被動開關量控制器，配合直流控交流繼電器組，在接收并解讀控制信號后，有序開啟或關閉指定電機。控制柜內還配備1臺多路模擬量采集器，分別用于檢測3臺水泵電機的運行電流，每500 ms根據指令反饋至控制端計算機。如圖3所示，當高位水池水位低于設定限值，PLC系統先判斷非停用機泵的使用時間，選擇開啟運行時間最短的機泵，當高位水池水位高于限制高度，則關停水泵。如果運行時間相同，則按機泵序號選擇啟動編號最小的機泵；PLC系統每10 min對比高位水池水位，水位變量值Ys等于當前時段水位減上一時段水位，當Ys<0時，啟動進水閥門。

圖3 機泵啟停控制流程Fig.3 Control flow of pump start and stop

2.2.2其他指標監測

① 壓力監測

在泵站調節池進水口和水泵出水口分別設置壓力監測點P1和P2，壓力數據由PLC模塊組采集處理后,由DTU-P1模塊和DTU-P2模塊通過光纖網絡傳送至公司內網服務器。調節池設定壓力報警范圍P1d～P1g，水泵出水口設定壓力P2報警范圍P2d～P2g。通過反饋的壓力值，可判斷管網是否存在爆管、水泵是否出現反轉或氣蝕等現象。

② 蓄電池監測

高位水池上裝有太陽能電池板和風力發電裝置，為保障設備正常運行，必須保證蓄電池有足夠的電量。蓄電池電量數據由DTU-G1傳輸至低壓配電房DTU-G2模塊接收，經8AI模塊通過數據線傳輸至PLC控制端。PLC模塊采集處理后,由DTU-P1模塊和DTU-P2模塊通過光纖網絡傳送至中控室進行實時監測。自動化改造后泵站整體流程如圖4所示。泵站在現有硬件設施的基礎上，新增1套PLC控制系統并接入調節池和高位水池液位信號、3臺機泵控制柜信號、低壓配電柜8AI模塊信號等，實現各設備運行狀態的實時監測與統一控制。PLC借助通訊模塊(DTU)，將各儀表監控參數傳輸至配有SCADA軟件的監控客戶端，可實時查看并遠程控制各設備的運行狀態，全面實現集中值守，使值班人員在中控室實現對泵房運行狀況的全面管控。

圖4 泵站自動化改造后系統工藝流程Fig.4 System process flow chart after automatic transformation of pump station

3 改造成效

3.1 提升生產效率，降低人力成本

泵站的自控改造改變了傳統低效、成本高的人工值守方式，通過有效運用計算機編程語言以及光纖網絡通訊，實現泵站遠程啟停、數據采集監控操作和泵站無人值守，泵站年度運行成本對比如表1所示。

表1 泵站年度運行成本對比Tab.1 Comparison of annual operating costs of pump station 萬元

從表1可以看出，改造后的運維成本降低為改造前的20.2%，大大優化了人力資源，節省了運營成本。

3.2 實現實時監控，保障生產安全

以PLC控制器為核心，改造后泵站實現了關鍵數據實時監測和自動化控制，實現了水池水位自動調節，同時充分利用峰谷用電優惠節省電力成本。改造后，能高效發現泵站的異常運行，有效減少人為造成工作失誤的機率，提高了供水可靠性。自控改造前后1年內，設備及報警準確率統計如表2所示，改造后各項準確率均有不同程度的提升，高位水池液位報警準確率提升效果尤為明顯。

表2 自控改造前后設備和報警準確率統計Tab.2 Statistical data of equipment and alarm accuracy before and after automatic control transformation

3.3 改造經濟方便，易于推廣應用

該泵站改造方案每年的網絡、自控系統、軟件維護以及相關硬件、配件更換費用僅在1萬元左右且維護方便，易于推廣應用。泵站新增主要設備清單如表3所示，包括服務器、PLC控制器、遠程采集模塊、DTU模塊等常用簡單硬件設備，采購成本均較低。

表3 主要新增設備清單Tab.3 List of main new equipments

4 結語

① 將該改造方案應用于自動化程度低、人工值守的小型泵站，投資成本低，可有效解決運行人員不足、難以實現人工值守的問題，大幅優化縮減了人力成本。

② 該方案可實現泵站智能操控，實時監控，有效避免人為疏忽造成的生產安全問題，保障了泵站的安全穩定運行。

③ 該方案可實現泵站與水廠的聯動，并根據水源水質波動情況，在水廠中控室實現對泵站運行參數的優化調控。

④ 該方案已推廣于其他小型泵站，可在遠期繼續增加PLC模塊，應用于多水源水廠，同時升級控制端程序，實現多路原水流量控制的完全自動化。控制端只需制定不同時段原水總量，實時監測各項運行數據，可行性高。