自動化控制技術在排澇泵站中的應用探討

何德璋

摘 要：自動化控制技術在最初出現時，就已經有了被引入到排澇泵站中的構想，因而在基礎技術出現之后就很快被應用。最初在排澇泵站中應用的僅僅是半自動化技術，及至自動化控制技術基本成型之后，具有綜合性特質的自動化控制技術在排澇泵站中已經得到了良好的應用。該技術的應用很大程度上提升了排澇泵站的運行效率，也為排澇泵站乃至整個社會的發展帶來巨大的經濟效益。為使排澇泵站在當今社會得到更進一步的發展，針對自動化控制技術在排澇泵站中應用的研究越來越重要。

關鍵詞：自動化控制;排澇泵站;運行效率

中圖分類號：TU992.25 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.016

Abstract： When the concept of automatic control technology first appeared， the concept of being introduced into the drainage pumping station had already been conceived， so it was quickly applied after the appearance of the basic technology. At first， only semi-automatic technology was applied in the drainage pumping station. After the basic formation of the automatic control technology， the automatic control technology with comprehensive characteristics has been well applied in the drainage pumping station. The application of this technology has greatly improved the operation efficiency of the drainage pumping station， and also brought huge economic benefits to the development of the drainage pumping station and the whole society. In order to further develop the drainage pump station in today's society， it is more and more necessary to study the application of automatic control technology in the drainage pump station.

Keywords： automatic control; drainage pump station; operation efficiency

0 引言

自動化控制技術囊括了機電自動化、遠程控制技術等多種有效控制手段，在本質上實現了機械管理與電子科技的融合，因而相對人力管理而言具備更高水準的技術優勢及更廣闊的應用范圍，并以此逐漸發展成國內控制技術的主流。在排澇泵站運行過程中有效應用自動化控制技術，顯然能使排澇泵站自身的管理能力大幅提升，泵站的功能及結構得到調整與優化，因人為因素導致的故障與錯誤操作被充分規避，進而使農業生產獲得更高效、更可靠的支持。顯而易見，自動化控制技術在排澇泵站中的應用，對民生事業而言有著莫大的助益。

1 排澇泵站自動化控制的設計原則

1.1 利益最大化

實現利益最大化是排澇泵站自動化設計的關鍵原則之一。排澇泵站的運行應當以滿足相應社會責任為基礎，但使泵站滿足社會責任的前提是，確保泵站在運行過程中能獲得長遠、健康、持續性的經濟效益，使泵站能夠獲得充足的社會資源用于自身發展，進而完成即時性的結構優化與升級，獲得更理想的服務狀態。就排澇泵站整體的規模及體量而言，實現泵站的自動化需要投入大量的資金及相關資源，即使是要順應自動化發展的趨勢，這些資源的回收仍然是需要充分考量的問題，而且由于泵站資源回收周期長，動輒達到幾十年以上，因此排澇泵站自動化控制的設計也需要充分考慮市場因素，不能過于執著追求高水準的自動化[1]。

1.2 明確設計標準

明確設計標準是確定排澇泵站自動化控制設計規模的關鍵，這一標準需要契合當地發展狀況，并能夠有效預測地區未來發展趨勢，以及由此所引申出的對排澇泵站的功能需求。首先需要確定的是泵站未來應當達到的性能標準。以宣城市隆興站的建設為例，該排澇泵站最初匯水面積為2.75 km2，但宣城市建設進度較快，城市用地也因此不斷向外輻射，隆興站原本計劃的排區已經發展為城市建設用地，而隆興站現有的排水能力指標達不到宣城市在排澇上的要求，因此隆興站的自動化控制在設計時將指標提升到30 a一遇，連續24 h最大暴雨地面不積水的程度。在確定排澇標準之后則需要明確技術特征，其技術特征在于確定整個工程各建筑需達到的等級，以隆興站為例，結合國家相關水利水電工程規定及泵站設計規范進行分析之后，確定隆興站屬于中型泵站，在工程設計標準上應達到Ⅲ級工程標準，各工程設備中防洪閘、穿堤箱涵應達到2級，建筑物級別3級，泵房、進水池、進水閘3級，其他次要建筑物4級，臨時工程5級。在經過多方計算及技術層面的3D演練模擬之后，確定該等級的標準能夠滿足泵站未來性能所需。

1.3 合理劃分工程布置

整個排澇泵站工程布置的合理性將影響到泵站功能能否得到有效發揮。工程布置之前需要先對工程主要建設內容進行明確，包括對原有泵站內容的拆除、重建、基礎處理、改造、設備安裝調試、線路工程處理等。明確建設內容之后即可結合所有內容對工程布置進行劃分，首先要做的是合理調整泵房的布置形式及構成單元，其次則需要針對泵站不同設備進行處理，確定設備的規格及附屬設施，如進水閘入水孔孔徑和數量的設計、進水閘清污機位置、進水閘規格、泵房機組的數量與排列方式、廠房規格及相關機械設備、匯水箱位置與結構、出水箱涵規格、防洪閘規格與類型、閘門材料、泵房管理區布局等[2]。

2 排澇泵站自動化設計需要注意的問題

2.1 測量、控制及保護之間關系的處理

困擾排澇泵站自動化設計的首要難點往往是自動化技術應用的科學性與合理性，并非自動化技術本身，這主要是由于自動化技術并不取決于泵站，其技術內涵是由自動化研發機構負責的，泵站自動化設計需要做的是如何實現自動化在運行效率、管理成本之間性價比的最大化，也就是要盡可能提升自動化方案與泵站實際運行情況的契合度。這意味著泵站自動化設計需要將測量、控制和保護之間的關系合理處理。對于隆興站而言，在確定工程概況及泵站應達到的性能指標之后，確定了主廠房3套單項排澇機組配備橋式起重機、集水井排水泵、檢修排水泵等附屬設施，變配電間、電容器室和值班室部署在副廠房，泵站堤外側設置了防洪閘門啟閉機房并配置了一臺低壓電機，進水側工作橋兩側配置了清污皮帶機和前池工作門啟閉機房，此外還囊括了高低壓開關柜、電容補償柜、變電站和直流系統等配套設施[3]。

2.2 正確劃分控制單元

排澇泵站自動化控制系統并非以一個單一、整體化的系統形式出現，整個自動化控制系統實質上是由不同個模塊組成的，不同模塊分別負責不同的功能，因而自動化控制系統具有單元化的特征。在自動化控制系統運行的過程中，不同功能單元分別處理不同的工作環節，并通過一定的次序相互連接。盡管不同單元的重要性及分工有所不同，但缺少任何一個單元，或是某一個單元的功能無法完全實現、無法與整個系統的功能相協調，泵站的自動化控制就無從實現[4]。基于此，正確劃分控制單元，是確保泵站自動化控制正常運行的重要問題。由于不同單元的規模不同，部分規模較大的單元往往會出現包含若干個小控制單元的情況，因此在劃分控制單元的過程中須把握好不同單元之間的層次性和功能區別，保證自動化控制系統中各單元能夠被明確分工，單元與單元之間實現高效銜接與連結，才能從運行層面保證自動化控制系統的工作效率。

2.3 為自動化控制系統預留出相應的兼容性與擴展性

為整個系統預留出相應的兼容性與擴展性是確保自動化控制系統長效發展的要素之一。做出這樣的考量對排澇泵站來說是必須的，這是因為排澇泵站本身具有服務城市和區域的特性，但城市和區域的發展并非一成不變，很多時候隨著城市化進程的增速及區域開發進度的提升，城市、區域配套設施也必須進一步發展，來滿足日益增長的基建工作需求。除了城市和區域的發展因素，排澇泵站自身自動化發展也并不是一步到位的工作，很多時候需要結合泵站的工作效率、經濟效益及其他客觀影響因素做進一步的改良優化。由于當前排澇泵站自動化控制的系統具有模塊化特征，因而可以將整個自動化控制系統視作由不同單元內容合并構成的整體。最初在排澇泵站探索自動化控制時，很大概率是在一些非關鍵節點上嘗試采用自動化策略，對于一些對整體工作狀態影響較大的關鍵節點則沒有貿然提供自動化支持，這樣做是為了確保自動化能帶來理想的效益[5]。在確保自動化確實能夠實現泵站運營各方面工作的提升之后，自動化程度才會在整個泵站中不斷提升。

3 自動化控制在排澇泵站中的應用技術

3.1 計算機技術

自動化控制技術在很大程度上依賴計算機技術，因而用于排澇泵站中的自動化控制技術首先要在計算機技術上達到相應要求。出于對自動化控制技術自動化核心理念的考量，整個控制系統應以最大限度減少人員值守（爭取無人值班）為前提進行設計，在確保安全性、可靠性、先進性、實用性和經濟性的前提下進行配置。隆興站在設計時充分考慮了自動化控制對計算機技術在遙視、遙控、遙測等遠程控制上的需求，并確保應用的系統在各項指標上均達到相關文件規定的水準與要求，可與泵站同步投入運行。在響應時間上，無論是數據采集周期、人機接口響應時間、控制響應時間等幾方面內容，絕大多數都將響應時間控制在1 s以內，最大響應時間不超過3 s。而為了確保計算機系統整體的安全性，該站在設計計算機控制系統伊始，就對系統各項功能和路徑實現了有效監視，并對系統不同級別操作進行權限設置，不僅對人機接口設置了控制權限及口令要求，也為設備功能失靈的故障配備了自動報警和記錄操作[6]。除此之外，還對軟硬件冗余能力進行深層強化，軟硬件結構預留了足夠的存儲容量和接口，這意味著在對系統進行擴充和提升設備數量時，原系統的工作性能和工作時間將不會受到影響。

針對功能上的要求，在數據采集處理上需要對模擬量、參數量、開關量、狀態量等不同內容予以不同的處理，其中模擬量需在初步處理之后存入實時數據庫，而對于模擬量處理中的信號回路斷線、抗感染、誤差補償、短路檢測等內容則需要進行格式化處理。開關量信號中包括中斷開關量和掃查開關量，狀態量則囊括了數據通信采集中各種保護和自動化裝置的事故故障信號、設備運行狀態等數據，經有效性、合理性判斷事故、故障報警及相關量處理程序，最后以格式化處理后形成實時數據并存入數據庫[7]。此外還要確保計算機技術具備不同類別的數據計算能力，主要以電能分類累加、抽水量累加、效率計算及溫度量特征計算為主，同時仍要具備運行管理功能，記錄固定時間內運行過程中的特定內容，包括泵組抽水量、用電量、進出水池水位、主要電氣設備動作及運行記錄、操作記錄、事故故障統計記錄、設備運行變位記錄等，并聯系數據庫軟件以提供技術支持。

3.2 監控技術

監控技術是確保自動化控制系統正常運行的關鍵，也是及時處理系統問題的有效前提。監控技術的技術要求在于擁有良好的實時性和抗干擾條件，人機界面直觀且易于操作。在系統安全功能上應支持多級操作權限，且可對設備控制權限及操作員操作權限進行調整，操作者應當能夠訪問不同層級、不同內容的監視器和攝像機，且能夠根據需求調用不同類型的攝像圖案內容，針對自動控制系統中單元功能的不同，實現分區分組的不同切換，支持對時間順序的調整和不同攝像機之間的關聯。針對重要性不同的操作系統應具備記錄功能，對于丟失的視頻則支持檢測和在線編輯。對重要的系統操作有記錄功能、視頻丟失檢測功能，能夠進行在線編程等。系統采用畫面分割技術，同一顯示器能接收幾幅圖像信息，畫面可任意組合、放大和縮小，并能切換其中任一幅圖像。監視器圖像切換有自動循環和手動切換兩種方式。每幅畫面能疊加字符，顯示攝像機編號、地址、日期、時鐘（精確到秒）。字符內容可通過鍵盤實時修改。支持視頻報警功能。可在顯示器上設置敏感區域，敏感區內一旦有異常即發生報警，系統能自動將相應區域攝像機的畫面切換到顯示器上，并自動起動錄像。視頻報警功能的設置、撤銷和修改可在主機上方便地實現。對于觀測點應預留觀察點預置功能。對于重要的位置，可在主機上預置攝像機的位置、光圈、焦距、景深等參數，在需要查看該觀察點時，通過輸入預置號即可觀察到預定位置。觀察點預置功能的設置、撤銷和修改可在主機上方便地實現。最后，系統還須具備與局域網及廣域網連接的通信功能，方便其他相關單位聯動控制工作狀態，在監視空間應達到廣域且無死角的效果，能夠保留長時間錄像，并支持一鍵調出現場畫面的功能，即使是在惡劣天氣狀態下仍能夠正常運行。對于監控系統整體應堅持模塊化的設計策略，能夠靈活匹配不同信道，方便后續系統的擴展與升級。

3.3 電源系統

可靠的電源系統將為整個自動化控制系統提供穩定的能源支持，是自動化控制系統正常運行的基礎條件。隆興站整體配置了一體化電源系統，以使泵站的操作、保護、計算機監控及其他公用設備的工作電源及保護電源得到可靠支持，整個系統包含一套DC220V直流系統和5 kVA的UPS系統，用于泵站的操作、保護、計算機監控及泵站公用設備等系統的工作電源及保護電源。直流電源設備設一組蓄電池，采用單母線的接線方式。單組蓄電池容量為80 Ah，蓄電池組按浮充電方式運行。采用高頻開關整流裝置作為蓄電池的充電及浮充電設備，蓄電池組配置一套充電浮充電裝置。蓄電池組應設有專用的試驗放電回路。一體化電源配置UPS裝置，容量為5 kVA，不設蓄電池，由DC220V直流系統為其提供直流電源。在結構上囊括了整流器、逆變器、靜態旁路開關、逆止二極管、變壓器等設備，輸入及輸出方式上分別采用了三相輸入與單相輸出，確保整個系統在環境溫度條件下能夠連續滿負荷運行。逆變電源設備回路的布置應相對獨立，各設備均應有明顯的銘牌標志，相應的端子排應安排在屏的兩側。能滿足運行中在線調換直流空氣開關的要求。空氣開關的接線應滿足上進下出原則，并符合極性要求。母線、匯流排加裝絕緣熱縮套管，無裸露銅排。直流母排截面不小于5 mm×40 mm。柜內直流匯流排和電壓小母線，在斷開所有其他連接支路時，對地的絕緣電阻應不小于10 MΩ。屏內元件位置編號、元件編號與圖紙一致，并且所有可操作部件均用中文標明功能。柜體結構安全、可靠;元件特別是易損件安裝便于維護拆裝，各元件板應有防塵裝置，絕緣監測儀與屏體下部有隔離保安措施，前鋼化玻璃門后雙開散熱門。屏體設備要考慮通風、散熱。要保證最大負荷條件下設備散熱的通風量。屏內采用截面不小于100 mm2接地銅排。設備設有保護接地。電源監視燈應采用低發熱的LED指示燈，布置于對應的開關上方，且明顯偏置于對應開關，銘牌布置于開關的下方。

4 結語

排澇泵站中對自動化控制技術的應用是一個不斷提升的過程，且整個過程中涉及的內容會隨著自動化控制系統的完善逐漸復雜，因而會在最后表現出極高的繁復程度，這就意味著自動化技術的發展將處于一個不斷提升強化的狀態，且須合理考量實際運行情況對整個系統的影響，以保障經濟效益最大化為前提，從全局角度對自動化控制技術的發展完善進行合理統籌，來確保排澇泵站能夠正常運行，充分發揮其應有的社會效益與經濟效益，為地區發展提供更多支持。

參考文獻：

[1] 曾建文.機電自動化控制技術在城市排澇泵站的應用[J].河南水利與南水北調，2019（4）：82-83.

[2] 曹鋒.排澇泵站自動化升級改造應用探討[J].大科技，2020（4）：78-79.

[3] 吳明飛.排澇泵站機電自動化控制技術的應用[J].科技經濟導刊，2019（32）：51-52.

[4] 劉曉波.機電自動化控制技術在排澇泵站的應用[J].大科技，2017（16）：338.

[5] 何荔榮.機電自動化控制技術在排澇泵站的應用[J].全文版：工程技術，2016（7）：207.

[6] 張水平.淺析排澇泵站機電自動化控制技術的應用[J].黑龍江水利科技，2016（6）：144-145.

[7] 竇興亮，沈洪松，王博.自動化控制技術在撫順東露天排水泵站中的應用[J].露天采礦技術，2018（19）：72-75.