泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

[摘 要]文章對(duì)泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。分析了其關(guān)鍵組成部分、設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)方法，包括適當(dāng)選用控制設(shè)備、上位控制技術(shù)、計(jì)算泵站的實(shí)時(shí)總流量及融入可編程邏輯控制器等，可為泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考和指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]泵站；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)原則；智能化；自動(dòng)化；遠(yuǎn)程控制

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0003–03

Design Discussion of Pump Station Control System

ZHU Lihuan

[Abstract]This paper discusses the design of the control system of pumping station. The key components， design principles and design methods are analyzed， including proper selection of control equipment， upper control technology， calculation of real-time total flow of pumping station and integration of programmable logic controller， which can provide valuable reference and guidance for the design of pumping station control system.

[Keywords]pumping station； control system； design principles； intelligent； automation； remote control

1 泵站控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

1.1 泵站控制系統(tǒng)基本組成

（1）電源系統(tǒng)。其對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定供電，保證各電氣元件及裝置可正常運(yùn)行。為保障設(shè)備正常運(yùn)行，泵站須配置雙電源配電柜及UPS不間斷電源。雙電源控制柜容量必須大于泵房內(nèi)所有用電設(shè)備的容量。UPS不間斷電源須滿足控制系統(tǒng)及應(yīng)急單元設(shè)備1 h用電量。

（2）PLC控制系統(tǒng)。其是實(shí)現(xiàn)泵站操作監(jiān)控的中心，其根據(jù)泵站運(yùn)行的需要，由PLC、繼電器等電氣元件控制變頻器，閥門等，實(shí)現(xiàn)水泵啟停，壓力和流量的調(diào)控。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需充分考慮泵站工藝流程及運(yùn)行特性，保證控制邏輯準(zhǔn)確可靠。PLC控制系統(tǒng)由人機(jī)界面及監(jiān)控系統(tǒng)組成，人機(jī)界面為操作人員提供直觀操作界面，便于對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)，一旦檢測(cè)到任何故障或不正常的狀況，會(huì)迅速發(fā)出警報(bào)，提醒操作員采取相應(yīng)措施。

（3）傳感器與檢測(cè)裝置。這些裝置可對(duì)泵站水位、進(jìn)出水流量和壓力等多種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將這些信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到PLC控制系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)能夠依據(jù)這些反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整泵站出水壓力和流量，并優(yōu)化運(yùn)行。

（4）保護(hù)系統(tǒng)。為了確保電氣設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)配備了多種電氣保護(hù)設(shè)備。在遇到不正常的狀況時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)有能力迅速斷開電源或?qū)嵤┢渌雷o(hù)手段，以避免設(shè)備的損壞和管網(wǎng)爆漏等意外事故的發(fā)生。

（5）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。泵站主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須與數(shù)據(jù)傳輸外部網(wǎng)絡(luò)隔離，不可將泵站控制系統(tǒng)中的控制單元暴露在外部網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備與泵站主控系統(tǒng)中，應(yīng)采用485串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備不具有遠(yuǎn)程升級(jí)更新功能，不能遠(yuǎn)程修改及下載程序，不能響應(yīng)通信規(guī)約約定內(nèi)容之外的指令，數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備必須具有AES-128加解密功能，必須實(shí)現(xiàn)密鑰更新指令及密鑰動(dòng)態(tài)生成算法。

1.2 泵站控制系統(tǒng)作用

（1）控制系統(tǒng)主要作用在于實(shí)現(xiàn)水泵精確控制出水壓力及流量。通過對(duì)控制回路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，各電氣元件協(xié)同工作，使系統(tǒng)能按設(shè)定程序自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)，停止或調(diào)節(jié)水泵工作狀態(tài)，該精確控制在提高水泵運(yùn)行效率的同時(shí)也可減少能耗，并具有防水錘等功能，使設(shè)備使用壽命得以延長。

（2）控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)與診斷功能，利用傳感器及檢測(cè)裝置可對(duì)泵站各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，該系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)報(bào)警，同時(shí)該系統(tǒng)也能快速定位并診斷出故障，給維修人員準(zhǔn)確地提供故障信息，減少處理故障的時(shí)間并提高維修效率。

（3）控制系統(tǒng)具有優(yōu)化運(yùn)行作用，該系統(tǒng)通過對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析可以找到最佳運(yùn)行模式及參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到泵站高效運(yùn)行的目的。同時(shí)該系統(tǒng)也可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

（4）控制系統(tǒng)采納了眾多的電氣防護(hù)手段和故障處理策略，確保在出現(xiàn)異常時(shí)能夠迅速斷開電源或?qū)嵤┢渌雷o(hù)手段，從而避免設(shè)備的損傷和意外事故。同時(shí)該系統(tǒng)具有自診斷、自恢復(fù)能力，能對(duì)故障進(jìn)行一定范圍內(nèi)的自動(dòng)修復(fù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

（1）設(shè)計(jì)之初需要對(duì)該系統(tǒng)的功能需求、性能需求及運(yùn)行環(huán)境做深入調(diào)查與分析，其中包括綜合考慮泵站工藝流程、設(shè)備特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境和操作人員要求等。控制系統(tǒng)應(yīng)具備不依賴于PLC而獨(dú)立和多泵自動(dòng)運(yùn)行的能力。該系統(tǒng)還應(yīng)具備手動(dòng)控制、壓差式自動(dòng)控制、變頻自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制4種模式。手動(dòng)模式優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)模式，遠(yuǎn)程優(yōu)先級(jí)最低。

（2）控制系統(tǒng)是泵站中最核心的部分，其穩(wěn)定直接影響整個(gè)泵站是否能夠正常工作，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要充分考慮到可能發(fā)生的各類異常情況，以及相應(yīng)的保護(hù)措施與故障處理機(jī)制，如通過安裝電氣保護(hù)裝置，利用冗余設(shè)計(jì)來增強(qiáng)系統(tǒng)容錯(cuò)能力及抗干擾能力。同時(shí)也要求系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)與驗(yàn)證以保證系統(tǒng)在多種極端情況下穩(wěn)定可靠。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格按照國家有關(guān)電氣安全標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行，保證系統(tǒng)電氣元件、設(shè)備及整體系統(tǒng)滿足安全要求。

（3）考慮操作人員安全問題，應(yīng)設(shè)立緊急停機(jī)按鈕，以防誤操作或意外情況帶來的損失。還要對(duì)系統(tǒng)的控制邏輯與算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高響應(yīng)速度與執(zhí)行效率。同時(shí)還要考慮到系統(tǒng)能耗情況，并通過采取節(jié)能措施及技術(shù)手段降低運(yùn)行成本。

（4）對(duì)大型復(fù)雜泵站可考慮使用分布式控制或智能控制，以提升系統(tǒng)自動(dòng)化水平及運(yùn)行效率。可擴(kuò)展性與可維護(hù)性在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同樣不容忽視，在泵站日益擴(kuò)大、技術(shù)日益更新的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)可擴(kuò)展性問題，并給后續(xù)升級(jí)改造留足余地。同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)可維護(hù)性，提供便捷維護(hù)接口與工具，減少維護(hù)成本。

（5）設(shè)計(jì)過程中要充分考慮操作人員操作習(xí)慣及特點(diǎn)，給出直觀易用的操作界面及友好的人機(jī)交互方式，這樣既可降低操作難度及錯(cuò)誤率，又可提高操作人員工作效率及滿意度。同時(shí)還應(yīng)具備分級(jí)密碼保護(hù)及重要參數(shù)二次確認(rèn)功能。設(shè)立不同的安全操作等級(jí)，針對(duì)不同的操作者，設(shè)置相應(yīng)的密碼等級(jí)，記錄操作人員及其操作信息。

3 泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

3.1 選用適當(dāng)控制設(shè)備

（1）根據(jù)泵站規(guī)模、工藝流程及運(yùn)行特點(diǎn)決定控制設(shè)備種類及數(shù)量。大型泵站需要使用高性能的PLC（如西門子S7-1500/S7-1200系列）作為核心控制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)水泵的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行。小型泵站可選用較經(jīng)濟(jì)PLC（如西門子S7-200系列或國產(chǎn)頭部品牌）作為核心控制設(shè)備。

（2）重視控制設(shè)備性能參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)。包括裝置處理能力、響應(yīng)時(shí)間、精度和穩(wěn)定性。只有當(dāng)這些參數(shù)均滿足泵站運(yùn)行需求時(shí)，才能夠保證系統(tǒng)正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，還要考慮設(shè)備兼容性、擴(kuò)展性等問題，這樣系統(tǒng)升級(jí)或擴(kuò)充時(shí)就可容易替換或添加設(shè)備。

（3）泵站一般工作環(huán)境惡劣，所以選用的設(shè)備要有較好的抗干擾能力以及防護(hù)等級(jí)來應(yīng)對(duì)多種不利因素。同時(shí)，設(shè)備使用壽命及維護(hù)周期要滿足長期運(yùn)行需要，才能降低設(shè)備故障造成的危害。

（4）在達(dá)到性能要求時(shí)，要盡可能多地選用性價(jià)比較好的器件，從而減少系統(tǒng)整體建設(shè)成本。同時(shí)，還要考慮到設(shè)備售后服務(wù)以及技術(shù)支持的狀況，以保證當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或問題時(shí)可及時(shí)解決。

3.2 上位控制技術(shù)

上位控制即處于控制系統(tǒng)上層的控制策略與管理策略，通過集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析及指令下發(fā)等方式對(duì)泵站整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。該技術(shù)在提高泵站工作自動(dòng)化水平的同時(shí)，也極大地加強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性與安全性。具體而言，將上位控制技術(shù)應(yīng)用于泵站主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）通過設(shè)置中央控制室對(duì)泵站各設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。中央控制室一般都配有高性能計(jì)算機(jī)及專業(yè)監(jiān)控軟件，可對(duì)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作參數(shù)及故障信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，于操作人員以綜合信息支持。

（2）上位控制技術(shù)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析功能對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與比對(duì)能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中存在的潛在問題，并預(yù)測(cè)其未來運(yùn)行趨勢(shì)從而提供決策依據(jù)，另外，上位控制技術(shù)可根據(jù)實(shí)際需求遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到準(zhǔn)確控制泵站運(yùn)行狀況的目的。

在實(shí)際工作中上位控制技術(shù)需和其他控制系統(tǒng)協(xié)同配合，才能對(duì)泵站整體綜合控制，例如，上位控制系統(tǒng)能夠通過與PLC（可編程邏輯控制器）以及其他現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)捕獲現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，并據(jù)此發(fā)布相應(yīng)的控制命令。同時(shí)上位控制系統(tǒng)也可接入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷的目的。值得關(guān)注的是，上位控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中需充分考慮泵站自身的條件與需求，設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)泵站大小，設(shè)備類型及運(yùn)行要求，選用適當(dāng)?shù)纳衔豢刂栖浖坝布O(shè)備進(jìn)行合理配置及調(diào)試。另外，需建立良好的安全措施與故障處理機(jī)制，保證上位控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行與數(shù)據(jù)安全。

3.3 計(jì)算泵站的實(shí)時(shí)總流量

泵站控制系統(tǒng)中泵站總流量的實(shí)時(shí)計(jì)算是保證系統(tǒng)有效工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)計(jì)算總流量不僅可反映泵站運(yùn)行情況，而且可為優(yōu)化調(diào)度和節(jié)能降耗等工作提供重要基礎(chǔ)。所以在泵站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需充分考慮泵站總流量實(shí)時(shí)計(jì)算方法與策略。泵站總流量實(shí)時(shí)計(jì)算方法較多，常用的有基于傳感器與計(jì)量設(shè)備直接測(cè)量。通過泵站進(jìn)、出水口設(shè)置流量計(jì)等計(jì)量設(shè)備可實(shí)時(shí)采集泵站進(jìn)、出水的流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由信號(hào)傳輸系統(tǒng)送入中央控制室并由上位控制系統(tǒng)進(jìn)行處理分析后最終獲得泵站總流量。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，先要選擇適當(dāng)?shù)牧髁坑?jì)類型與規(guī)格以保證其測(cè)量精度與穩(wěn)定性符合要求。同時(shí)，流量計(jì)需定期校準(zhǔn)與維修才能確保其測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。另外，為減小測(cè)量誤差可通過多點(diǎn)測(cè)量和數(shù)據(jù)平均來處理數(shù)據(jù)。除直接測(cè)量法外，也可采用數(shù)學(xué)模型及算法間接地計(jì)算泵站總流量，該方法以泵站運(yùn)行參數(shù)及物理特性為依據(jù)，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型及算法實(shí)現(xiàn)泵站總流量預(yù)估。對(duì)泵站總流量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，還要考慮數(shù)據(jù)傳輸與處理的實(shí)時(shí)性問題。為保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，必須使用有效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)處理算法降低數(shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)的延遲與錯(cuò)誤。

3.4 融入可編程邏輯控制器

將PLC整合到泵站的控制系統(tǒng)中，是提高系統(tǒng)智能化和自動(dòng)化水平的關(guān)鍵。PLC由于具有邏輯控制功能強(qiáng)，高可靠性，易用性和靈活性等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。

（1）PLC可顯著提升控制系統(tǒng)智能化水平。通過編程，PLC能根據(jù)泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)控制。同時(shí)PLC支持各種傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，可實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)各類設(shè)備及環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)。

（2）PLC具有高可靠性，可確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作。PLC抗干擾能力強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高，可在苛刻環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。另外，PLC具有自診斷的功能，可在發(fā)生故障的情況下及時(shí)發(fā)出警報(bào)，方便維修人員迅速定位和解決。

4 結(jié)束語

通過深入探究泵站控制系統(tǒng)，文章明確了設(shè)計(jì)原則及方法。在實(shí)踐中，針對(duì)泵站特定的要求及環(huán)境條件靈活地運(yùn)用這些設(shè)計(jì)方法與策略，可使系統(tǒng)高效穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。同時(shí)，在科技不斷進(jìn)步的情況下，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)得到不斷的發(fā)展與進(jìn)步，以給泵站今后的發(fā)展帶來了更大的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭義軍.浮動(dòng)式岸邊固定取泵站的選型及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣時(shí)代，2022（11）：95-99.