大型水利泵站自動化控制智能化技術分析

張琪岳

（蘭州市中川上水綠化管理處，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

水利工程運行管理期間，泵站發揮著至關重要的作用，尤其是在防汛防旱方面可以發揮資源調度的作用。依靠智能化技術進行泵站自動化控制，從而實現數據共享與遠程控制，及時對泵站系統進行監控分析，轉變以往人工操作的模式，加強對設備的運行維護，保障泵站安全。

1 泵站智能化技術的特點與功能

泵站系統中，智能化技術有著實用性、安全性以及可維護性的特點。泵站自動化控制系統采用分層分布的方式，對現場總線通信機構進行從上到下的不間斷控制，各層時間數據互通性較高，實用性較強，可有效提高泵站工作效率。系統可在現場轉化與傳輸數據，并在不同板塊完成數據的自動核對和檢查，及時發現人員操作失誤問題，系統發出警報提示并禁止錯誤操作，以此保障系統整體穩定性。泵站系統需進行定期的設備維護，所以自動化控制系統需要以安全維護為重要條件，采用智能化、模塊化技術展開系統的定期檢查，保障系統正常運行。

泵站智能化技術的主要功能大致包含如下：①數據采集與處理。泵站自動化控制可對不同控制單元內的數據及時采集，數據采集系統經過數據分析與處理，主控系統負責采集非電量信息，再對數據分類整理，清除其中的誤差與錯誤數據，壓縮最終數據，最后將數據存儲于終端，方便系統進行數據共享。②監控系統安全運行，安全性是泵站系統運行的重要指標，所以對系統安全監控是泵站的主要工作，實時監控系統，通過系統主界面對設備遠程監控，及時發現設備異常情況，調整各項參數。以多狀態監測方式進行設備定期檢查，遇到異常問題時，系統立即發出警報，方便人員及時展開維修。對設備運行期間的數據與參數定期分析，及時發展故障與隱患，加強對電容柜與閘門的安全監控，做好設備異常判斷。③實時控制與設備運行維護。對泵站系統實時控制，通?？刹捎米詣踊蚴謩硬僮?，完成水泵啟停、設備故障檢測等。系統可對設備運行參數實時檢測，通過數據分析與評估，判斷設備異常情況，提高泵站運行效率[1]。

2 泵站自動化控制智能化技術的實踐應用

2.1 智能化技術用于泵站遠程控制

采用智能化技術進行泵站的遠程控制，實現對泵站設備的智能監測，為自動采集設備壓力與溫度等運行狀態和參數，將傳感器安裝在系統內，經過無線網覆蓋泵站，實現參數的有效傳輸，再通過監控系統度信息與參數統一處理，以此實現數據的共享。人工智能化可對泵站進行智能巡檢，移動巡檢系統對巡查軌跡與現在進行分析，完成工作記錄，系統具有信息預警提示功能，可提前發現安全隱患，降低風險發生概率，經過設備異常檢測，提出合理的解決建議，向巡檢人員展示具體信息，實現對泵站的集中管理。

泵站內采用機組LCU 柜，與前端遠程測控裝置實施通訊，在模擬量信號與開關量信號的通訊服務下，PLC 系統通過網絡模塊與上位系統完成數據交換，如圖1 所示，各串口通信智能設備在通訊服務器的作用下進行串口，與TCP/IP 網絡進行協議互換，泵站進入PLC 系統。采用現地模式對泵站機組與供電系統實施遠程控制與條件，LCU 即現地控制單元進入控制模式后，水泵機組得到遠程控制[2]。

圖1 基于PLC 的泵站遠程控制

2.2 智能化技術用于低壓調速節能

2.2.1 自動化控制平臺

泵站作為水利建筑的主體工程，通常由電機、水泵及輔助設備構成，電機負責提供動力，輔助設備保障水泵與電機穩定運行，因此泵站需要由電機帶動設備工作，以電能來克服重力勢能，增強水流動能。創建泵站自動化控制平臺，憑借智能化技術實現泵站的低壓節能，將泵站自動化控制單元分為“管理級”“控制級”與“現場級”3 個級別，形成封閉回路，完成泵站調度工作。自動化控制單元可以將采集到的數據立即傳遞給系統，泵站人員得到可視化數據信息后，及時發現故障，實現對泵站動態化控制，如圖2 所示，基于反饋補償機制實現對閥門開度的合理控制，根據液位范圍與目標液位流量，經過變頻控制掌握集液池實時液位與流量情況。

圖2 泵站動態化控制

2.2.2 低壓調速節能

泵站工作期間，水泵與電機需要實現24h 不間斷工作，水泵將水抽出，電機帶動水泵工作，水泵與電機的工作會對泵站能耗產生影響。應用智能化技術降低泵站自動化能耗，有必要提高電機與水泵的工作效率。水泵不間斷工作會有一定的故障隱患，并消耗一定電力，依靠自動化控制平臺，對泵站進行遠程自動化控制，采用編程控制的方法提高水泵對信號的接收能力。通過遠程控制，完成電機交流電-直流電-交流電轉變的控制，其電流變頻轉變原理如式（1）所示。

式中：n——泵站電機轉速；f——電流頻率；p——機電級數。

P 固定時可改變f 來調整n 的大小，也就是調整電流頻率來改變電機轉數，提高轉數，降低電機工作電壓，憑借智能化技術完成電機電流變頻，年輕電流波動，有利用機械沖擊將電機的熱量帶動水泵運行，降低電機運行能耗。為消除不同設備間的差異性，對泵站自動化控制情況進行研究，表1 為泵站參數情況[3]。

表1 泵站參數

基于泵站自動化控制模式掌握電機工作效率與電能消耗情況，其中1#機組采用自動化控制技術，2#機組使用傳統控制技術，經過機組運行能耗的對比，發現自動化控制下的泵站工作效率提升了33.07%，千噸水電耗降低37.9kW·h。泵站運行數據對比如表2 所示。

表2 泵站運行數據對比

2.3 智能化技術用于電氣自動控制

2.3.1 專家系統

泵站內的電氣設備在工作期間會受流量、壓力等參數的影響，參數不同，設備工作狀態也會不同。僅依靠自動化控制系統計算的理論值與預算設置的程序，是無法對泵站機組與設備進行有效調試，難以發現設備磨損問題。采用專家系統，建立知識庫與專家智能控制系統，以監測數據與理論計算結果為參考，經過過程模擬試驗，推理不同狀態下設備運行的問題，完成對設備的自動化調試分析。

2.3.2 神經網絡技術

借助一定的測試檢驗設備運行工況與性能，再依據測試內容制作設備性能曲線，為接下來設備檢測與智能化控制提供參考依據。采用神經網絡，基于有限離散數據下的泵機組進行測試，確立以泵機組設備特征為基礎的BP 神經網絡，將其用于設備性能參數計算。

2.3.3 模糊邏輯控制系統

該系統需依靠計算機對設備進行控制，這是一種閉環式結構的數字化控制系統，使用智能模糊控制器對泵站運行中的設備進行控制與模擬，結合設備負荷變化與流量變化，構建隸屬參數，以此與設備狀態相互對應，提高泵站工作效果。采用模糊控制的方式，降低泵站電氣自動化控制的危險性，提高泵站運行效率。

2.4 泵站智能化技術方案設計

2.4.1 總體框架

當前某水利樞紐泵站工程以完成自動化控制系統建設，實現泵站運行數據的自動化采集與設備自動化控制，但其自動化控制的智能化程度不足，泵站啟停的自動化操作僅是將控制開關從開關柜前集中于計算機，但實際操作依然靠人工完成。目前泵站運行期間各項指標與經濟性能為達到智能化控制標準。對此，有必要強化智能化技術的應用，對泵站智能化技術方案進行合理設計。以模塊化數據體系進行系統設計，對數據源加以統一，系統分析與處理核心位于數據庫服務器，以此簡化數據分析工作量。圖3 為該泵站智能化設計方案的大致框架。

圖3 泵站智能化設計方案大致框架

2.4.2 智能研判體系

由圖3 可知，方案以智能研判體系、智能控制系統為核心，其中智能研判體系涵蓋了智能抽取、智能分析、智能報告等模塊內容，以一體化管控平臺為前提，對平臺中的歷史數據與實時數據集中采集，經過數據的深度分析，對泵站當前運行數據展開精準研判[4]。

智能抽取模塊可對系統內的原始數據抽取分析，判斷其中的偏差情況，按照精大誤差判別轉折，提出同類型數據內偏差較大的可疑值。再經過穩定性篩選，依靠智能算法剔除不穩定數據，使數據更加準確。最后，將相同類型數據依靠數值統計的方法整理為單個值，為接下來的智能分析奠定基礎。

智能分析模塊基于人工智能，對大數據信息進行快速抽取與計算，經過數據的智能分析，得到泵站運行期間的特征參數，綜合泵站實際情況提出預警。其中，短期研判預警主要對采集到的數據盡心處理，如果發現標準趨勢在短時間內出現階躍，系統會提出短期預警；長期預警就是將實時數據與前后時間內的泵站運行數據相結合，展開長期變化趨勢分析，如果出現較長時間之內的階躍，在超過系統閾值后進行預警；故障診斷預警，即對采集到的數據加以分析，及時發現故障問題，精準進行故障診斷預警，盡快提示管理員進行故障維修。

智能報告模塊主要利用泵站運行中產生的振動、溫度、噪聲等二次效應參數變化趨勢與預警情況，以主機組、電氣設備安全狀態作為單元，將所有采集到的數據展開智能關聯分析，編制設備運行狀態智能報告，通過故障樹來展示報告結果，為設備維修提供參考。

2.4.3 智能控制系統

泵站運行期間消耗較大，為實現泵站優化調度，智能控制系統根據泵站運行工況與供水量，確定泵站最佳運行方案，從而實現對能耗的優化。泵站智能控制如圖4 所示，中心控制室負責對操作面板、PLC、CRT 彩色顯示屏、打印機的整體控制，完成電網檢測，實現對水泵與閘門等設備的監控。泵站智能化控制可一鍵自動啟停，減少人為干預，管理人員可直接在手機客戶端控制設備操作[5]。

圖4 泵站智能控制

3 結語

總而言之，隨著信息化建設的發展，智能化與自動化成為水利工程發展的主要趨勢，其技術對泵站運行提供了幫助。以泵站實際運行環境為基礎，加強對智能化技術的應用，完成泵站自動化控制系統的安全設計，降低人員工作壓力，使泵站巡檢工作更加便捷，提高泵站運行的安全性與穩定性，在完成水資源優化調度與合理調控的同時，降低運行能耗。