電氣自動化在城市雨水泵站中的應用

任菊平

摘要：隨著城市下穿立交橋的建成，橋區雨水提升泵站應運而生，為適應城市無縫隙管理，在泵站推廣電氣自動化很有必要。電氣自動化可讓泵站引進“無人值班”控制模式，配合監控系統，動態監測潛污泵電機、高/低壓成套設備的運行，并有針對性地對泵站現有設備、技術、管理進行必要的改進，對快速有效應對極端降雨過程、確保橋區道路暢通意義重大。

關鍵詞：雨水泵站；電氣自動化；橋區

DOI：10.12433/zgkjtz.20232942

汛期，城市下穿橋區匯集的雨水能否得到及時抽排，已成為影響城市交通安全不可小覷的因素之一。目前，仍有部分雨水泵站存在電氣設備陳舊、技術與管理落后的情況。在現有泵站工作模式的基礎上，應進行適當的技術改造，如：引進可編程控制器PLC（Programmable? Logic? Controller）等自動控制技術實現水泵自動啟停，優化整合已有智能產品閑置的通信接口（如以太網通訊模塊接口），借助數字管理平臺實現遠程綜合調度與資源共享。

一、泵站現狀

截止目前，某市主城區現有雨水泵站53座，總提升能力達41.8萬m3/h。其中，地道橋泵站46座，平面提升泵站7座，老舊泵站占比近半成以上。老舊泵站普遍存在泵池占地面積小、容納雨水有限的問題，嚴重缺乏對收儲雨水的調蓄功能，一旦遇到持續30min以上的強降雨過程，雨水就會淹沒地道橋。

近年來，新建泵站多采用雙回線路供電，且每一回路都承擔著泵站的全部容量，泵站由二級負荷供電，自備柴油發電機組1～2套。市電為10KV高壓交流電，變壓器容量通常在200～400KVA，較大規模泵站可達630～1000KVA，水泵電機功率在22KW～132KW，個別達到185KW，單臺水泵理論最大抽排能力在600～2200m3/h，甚至6480m3/h。水泵啟動控制箱由原來的星—三角降壓啟動，逐漸改造為軟啟動器降壓啟動或變頻器降壓啟動，部分泵站管理采用人工加半自動化運行，液位信號采集一直以來應用浮球液位計，利用高、低水位開關信號控制水泵的啟停。近年來，通過逐步引進智能控制系統，液位計由結構緊湊、體積小巧、重量較輕的投入式壓力液位計或超聲波液位計取代，又如在泵站進水管道與緩沖池之間增設回轉式固液分離格柵除污提升機，排水管道上的閥門配套安裝智能電動執行器，泵站硬件設施技術的提升，給管理帶來了較大改善。

然而，不少泵站自動控制仍處于停運狀態，原因如下：第一，個別一次探頭（傳感器）及自動化元件質量較差，可靠性差；第二，一些測試手段尚未得到妥善解決；第三，環境較差，水泵池里的水泵常年被雨水浸泡；第四，缺乏專業技術人員維護；第五，職工觀念陳舊。還有些泵站雖然進行了部分技術改造，但僅限于水泵控制或安防獨立運行，功能模塊分割沒有形成有效協同，有限資源沒有得到很好的整合利用，泵站技術管理發展空間仍有待挖掘提升。

二、抽排水流程

收水井（溝）、進水管道（閘門）、匯水池、格柵除污提升機組、泵池（泵室）、出水管道（閥門、單向閥）、泄流池、流入市政雨水管道（或雨水溝渠）。

三、自動化管理系統

電氣自動化取決于泵站的規模、形式、現有的機電設備性能、是否有足夠的通信接口預留等，以達到分散檢測與集中控制，通過監控橋區路面積水，監控動力電源設備運行動態參數，以及自動控制泵站水泵等電氣設備，按照預先設置的程序設定目標值“啟/停”水泵，避免人為誤操作，做到及時、可靠、經濟運行，較以往管理模式突破了“零人值守”雨水抽排作業。以下以某新建雨水泵站為例，自動化管理程度較高，且運行穩定可靠，做法具有推廣應用價值。

（一）泵站自動控制的主要設備及附屬設施

1.按擔負的任務劃分

第一，中控室（工業計算機、PLC控制柜及擴展I/O開關量模塊和AI/AO模擬量模塊、SPD、觸摸屏、數據交換機、UPS電源、打印機以及預留通訊接口、錄像機硬盤、交換機、服務器等）；第二，信號采集設備（液位傳感器、變送器、水泵電機保護器、位置開關、H2S等有害氣體變送器、球形云臺攝像機等）；第三，動力設備控制箱（進/排水閘門、排水閥門、反撈式格柵除污機、水泵控制柜、高/低壓成套控制柜等）；第四，電纜（信號傳輸電纜、電源電纜）；第五，金屬立桿等附屬設施。

2.按功能劃分

第一，攝像機：泵站作業區、橋區主干道水位標尺、進排水閘門、配電室、中控室；第二，液位變送器：進水閘門、格柵機前后、調蓄池；第三，智能溫度測控儀：每臺變壓器配置一套；第四，智能水泵保護器：配置在水泵控制柜內，數量與水泵相符；第五，智能電量參數采集儀表：分別投放在高/低壓配電柜；第六，H2S等有害氣體變送器以及報警儀。

（二）控制模式

根據用電場所及安全風險類別，有水泵電機及附屬用電設施控制箱/柜和配電室控制柜兩類控制模式。

1.水泵電機及附屬用電設施

在“控制箱/柜”面板上設置本地手動和自動模式，這兩種模式實施電氣互鎖和程序互鎖。

第一，控制箱/柜均設“手動—停止—自動”功能旋鈕；第二，本地手動模式，當旋鈕打到“手動”時，通過現場面板上的按鈕，就地對設備實施“啟/停”操作，主要用于該設備的現場維修、保養與、調試等；第三，遠程手動模式，當旋鈕打到“自動”且中控室觸摸屏人機監控界面處于“遠程手動”時，可實現中控室操控作業現場的相關設備“啟/停”；第四，自動模式。當旋鈕打到“自動”且中控室觸摸屏人機監控界面處于“自動”時，可實現設備與PLC交互通信，完成自動控制作業。

2.配電室控制柜

設本地和遠程模式，這兩種模式在中控室與配電室之間進行點對點對應操作，這兩種模式進行電氣互鎖及程序互鎖。

第一，本地模式即在配電室現場進行手動操作；第二，遠程模式即在中控室監控界面進行手動操作。

（三）功能

中控室具備動態監測數據、控制、報警、存儲數據與查詢、形成報告、信息上傳通訊等功能。

1.數據監測

監測調蓄池液位、水泵運行（電源電壓、運行電流）/停止以及電機保護狀態、格柵除污提升機及閥門和閘門工作狀態、變壓器（三相額定線電壓、相電壓、功率因數、有功功率、無功功率以及負荷率）狀態等。

2.控制

第一，根據設定的每臺泵“啟/停”液位參考值控制泵的啟/停，水泵控制柜接受來自PLC發來的水泵“啟動/停止”指令。水泵采用“高啟/低停”程序設計，當泵池放置數臺水泵時，應將水泵按照開啟間隔3～5min的順序開啟，水泵之間應有不同的啟止水位，但“啟動/停止”水位差不宜過大，通常在0.3～0.6m為宜，自動狀態下，由程序控制水泵輪流投入工作。需要注意，水泵開啟與關停有可能較為頻繁，結合實際運營，應及時調整和優化水泵投入臺數，以及泵與泵之間的運行程序，取得最佳運行對應值后，及時修改并輸入PLC，從而確保機組處于最佳工況。第二，格柵除污提升機的電氣控制具備“手動/自動”功能，自動控制則根據格柵機前/后液位差控制方式，當液位差值大于設定值時自動啟動，當液位差值小于設定值時自動停機。第三，根據汛情預報，提前遠程開啟進/排水閘門及排水閥門。第四，當預報強降雨時，采取人為干預提前開啟較小流量的水泵，適當降低調蓄池水位。第五，當遭遇強降雨過程時，結合橋區最低處車道的云臺攝像機觀測路面的積水情況，保證運行變壓器處于最大承載能力的范圍內，遠程隨時增加開啟水泵的臺數。

3.信號報警

第一，潛污泵多功能保護器故障報警，如：電機泵的過載保護、接線室進水保護、油室進水保護、軸承溫度升高過熱保護、電機線圈浸水保護。第二，閥門/閘閥電機以及格柵機電機（過載保護、軸承過熱保護）報警。第三，集水池超高液位報警、泵室超低液位報警。第四，電源欠壓保護報警，電源缺相故障保護報警、電流異常報警。第五，H2S等有毒氣體報警儀，安裝在地面泵室或泵池入口以上1.3m處，并張貼安全提示標識。第六，安防入侵報警。

4.數據存儲與查詢

運行時長記錄數據、故障事件信息、監測數據存儲等。

5.參數設置

第一，水泵液位階梯參數設置。當液位突破一臺水泵液位時，起動一臺水泵；當液位突破兩臺水泵液位時，啟動2臺水泵；當液位低于所有水泵液位時，停止所有水泵；當液位低于兩臺水泵液位時，停止泵組內的2臺水泵；當液位低于最低保護液位時，停止所有水泵，此時水泵啟動控制電路處于鎖閉保護狀態，在中控室手動控制也不能起動水泵。第二，報警值設置。第三，儀表“模擬量”量程設置。當遇到液位變送器更換且量程改變時，則進入該界面調整變送器相應的量程值。

6.報告

某設備運行記錄、故障事件描述、現場采集開關量及模擬電信號參數值。

7.信息上傳

借助ADSL網口與上級調度中心實施通訊。

8.權限設置

如西門子PLC設項目密碼和權限密碼，不區分大小寫，監控PC機設開機密碼。

9.預留上一級管理通訊接口，以便日后擴展必要功能

（四）通訊協議

第一，配電室低壓進線柜借助智能化儀表模塊，通過Profibus-Dp接口，將線電流I線、線電壓U線、相電壓U相、有功功率P有、無功功率P無、功率因數cos?、負荷率等電量傳到PLC處理。第二，高/低壓進線柜、聯絡柜斷路器開關量信號，通過信號線傳送給PLC。第三，變壓器由智能化測溫儀模塊通過Profibus接口，將三個鐵芯內置于高壓線圈內層的溫度4～20mA的模擬量信號，傳送給PLC模塊處理。第四，水泵控制柜借助智能保護器通過Profibus接口，將三相電流、三相線電壓、有功功率、無功功率、功率因數、傳給PLC處理。第五，觸摸屏與PLC之間通過RS485接口建立通訊。

（五）信號傳輸

第一，液位信號采集原理。采用投入式集成壓力傳感器的變送器，變送器規格根據水泵調蓄池最高極限水位深度選用XXm，標準電流信號4～20mA。一定水位深度對應某壓力值，而這個壓力值又對應4～20mA標準電信號區間內的一個電流值，也就是說，水位變化反映給壓力變送器的壓力變化以及流過變送器標準電流信號也在變化，該信號被PLC的模擬量AI模塊接受并處理，用于讀取水位的深度值和控制水泵“啟/停”。第二，信號源有開關量信號、標準模擬量（4～20mA）信號，通過屏蔽電纜分別傳輸給PLC的I點、AI點，屏蔽信號電纜與動力電纜要保持規范的安裝距離，且屏蔽層一端接地，嚴禁兩端同時接地。

四、信號采集模塊的介紹

BBM-‖型潛水泵保護模塊和ZJK-05型水泵多功能保護器、UNT-MMI（Man-Machine Interaction人機交互）智能MCC（Motor control center電機控制中心）智能控制保護裝置、智能一體化QZ系列電動執行器模塊、HZF-S1型閘門智能測控儀、YS-TY131投入式壓力液位計（變送器）與智能數字顯示控制儀、智能化氣體檢測變送器。

五、建議措施

進一步優化泵站自動化應用場景，提高泵站主機組及輔助設備的單機自動化程度，優化電氣自動化流程，篩選自動化系統元配件，加強電氣維護人員的業務培訓與專業考核。

六、結束語

本文介紹了某雨水泵站應用全自動管理的運營場景，實現了對泵站抽排設備的動態監控、日常值守監控、庭院監控等，通過改善勞動生產條件、杜絕值班員的工作盲目性，保證“雙控”安全落到實處，降低管理人員的工作強度和管理成本、提高生產效率和管理水平，使泵站在汛期發揮應有的社會效益。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.泵站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2]上海市政工程設計研究院.城市排水泵站設計規程[OL].上海：2003.

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