• 關(guān)鍵詞：                                                                智慧泵站無人值守系統(tǒng)                                                                無人值守泵站

• 摘要：華北油田廊坊萬莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本極高。為了減少泵站運營費用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運行。

無人值守泵站工藝邏輯設(shè)計及應(yīng)用

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1、項目背景

 華北油田廊坊萬莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時輪流值班，管理成本極高。

 為了減少泵站運營費用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運行。

2、設(shè)計思路及改造要求

  首先要解決的就是數(shù)據(jù)傳輸問題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中至中控室計算機(jī)，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。考慮到小區(qū)占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號比較好，采用GPRS傳輸完全能夠滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊螅腋脑焖俣瓤臁⒊杀镜停罱K確定采用GPRS的傳輸方式。

   其次要解決的是給水泵站無人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機(jī)制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運行就比較困難。

給水泵站現(xiàn)場概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數(shù)水源井分布在站內(nèi)，個別水源井離泵站較遠(yuǎn)。給水泵站內(nèi)安裝地上蓄水罐1-5個，容量不一（大的蓄水罐容積700m3、小的蓄水罐容積為300 m3），蓄水罐底部通過管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺加壓泵，將蓄水罐內(nèi)的水變頻恒壓輸送至小區(qū)給水管網(wǎng)。工藝示意圖如下：

    改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監(jiān)控終端，用來采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動控制加壓泵組的運行。在站內(nèi)、站外水源井處分別安裝子監(jiān)控終端，每個子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺水源井。站內(nèi)子監(jiān)控終端采用串口電纜與主監(jiān)控終端連接，站外子監(jiān)控終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控終端聯(lián)網(wǎng)。泵站控制邏輯均由主監(jiān)控終端來處理。

主監(jiān)控終端內(nèi)采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴(kuò)展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個，第一路連接一臺DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時與監(jiān)控中心以及站外水源井子監(jiān)控終端通信；第二路連接站內(nèi)水源井子監(jiān)控終端；第三路預(yù)留。同時，邏輯控制器通過CAN總線連接3臺I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺變頻加壓泵。

泵站監(jiān)控框架圖：

   現(xiàn)場控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動控制潛水泵的啟、停，且自動調(diào)整水泵啟動個數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長潛水泵的使用壽命，保持儲水罐水位始終在一個標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報警、水池過低時自動關(guān)停所有加壓泵。 

3、控制邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

    水源井自動供水系統(tǒng)分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計運行時間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運行時間進(jìn)行選泵，再根據(jù)水池端輸出的需求流量進(jìn)行控泵。

3.1 計算需求流量

      △Q系統(tǒng)定時計算，得到水池需加減的瞬時流入量值△Q，從而得到精確控制開關(guān)泵的數(shù)量與時機(jī)。因此準(zhǔn)確及時地計算△Q值，是水池邏輯控制的核心。

△Q根據(jù)水位信息、時間信息及各種設(shè)定參數(shù)，遵循一套水位控制策略計算得來。

    如果采集時間沒到T1，則對采集的水位值求和，并計算采集次數(shù)n，根據(jù)采集次數(shù)計算水位值的平均值；

    如果采集時間大于T1，則始終對T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數(shù)n不變，之后計算水位值的平均值。

(2) 計算當(dāng)前水位變化值△L

 計算出當(dāng)前水位值后進(jìn)行備份Lbak = L，之后每隔T2時間取一次當(dāng)前水位值，并計算當(dāng)前水位變化值△L。

 △L = L – Lbak

 △L > 0表示水位處于上升趨勢；

 △L < 0表示水位處于下降趨勢。

(3) 計算需求流量

 △Q =△L*S/ T2*3600;

 △L:上一步求得的結(jié)果。

 S:水池底面積。

 T2:取水位的間隔時間。

 最后把計算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個小時的需求流量。

3.2 水池水位控制策略

 系統(tǒng)根據(jù)水池狀態(tài)進(jìn)行開關(guān)泵動作，實現(xiàn)對水池水位的控制。

(1) 水位下降

     即發(fā)生水位線觸碰期望水位下限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。

在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運算，控制開泵操作，使水位持續(xù)上升。此過程中，只執(zhí)行開泵動作，不執(zhí)行關(guān)泵動作。

(2) 水位上升

     即發(fā)生水位線觸碰期望水位上限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)下降。直到水位觸碰期望水位，此時結(jié)束控制。

     在該控制階段，定時進(jìn)行邏輯運算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過程中，只執(zhí)行關(guān)泵動作，不執(zhí)行開泵動作。

 此過程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢。

3.3 超調(diào)量

 超調(diào)量是指需要開關(guān)泵調(diào)控水位時，除了要抵消△Q外，要增加水位調(diào)控的速度而額外增加的流量或者開關(guān)泵數(shù)：

 △Q1=△Q+對應(yīng)水位的超調(diào)量采用查表法實現(xiàn)，下表是一個表樣例。

4、改造效果

     四個供水泵站經(jīng)過以上邏輯改造，已經(jīng)完全符合無人值守泵站的要求，即無論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水罐水位智能控制水源井的啟動個數(shù)及運行時間，避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運行能效、節(jié)約電能，完美實現(xiàn)了供水設(shè)備的自動化運行和給水泵站的無人值守管理。

     4個給水泵站改造至今已近2年的時間，整套系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2年內(nèi)共發(fā)生過兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時獲得了報警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過無人職守改造后，現(xiàn)場去掉了值班人員29人、增加了維護(hù)人員2人，大幅度降低了泵站運營成本并提高了故障響應(yīng)速度。

 自2014年以來，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內(nèi)蒙等地的多處泵站改造項目中得到運用，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶的一致好評。

                                                  智慧泵站無人值守系統(tǒng)解決方案

適用范圍

      智慧泵站無人值守系統(tǒng)適用于城市供水系統(tǒng)中加壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理。

      泵站管理人員在監(jiān)控中心即可遠(yuǎn)程監(jiān)測泵站水池水位或進(jìn)站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等；可遠(yuǎn)程控制、自動控制加壓泵組的啟停；光纖通信時，可圖像監(jiān)視站內(nèi)全景及重要工位，實現(xiàn)泵站無人值守。

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能

軟件界面

現(xiàn)場展示

主要設(shè)備組成

1、監(jiān)控現(xiàn)場（單個測點）

   備注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。

 
2、監(jiān)控中心

   備注：客戶也可直接租用“平升云平臺”，點擊“云平臺軟件”了解詳情。    

應(yīng)用案例

案例一、華北油田萬莊礦區(qū)供水智慧泵站無人值守系統(tǒng)

項目需求：

      華北油田萬莊生活區(qū)的生活用水分別由東、南、西、北4個恒壓供水泵站供應(yīng)，每個泵站的水源來自1~3口水源井。供水系統(tǒng)采用人工值守的方式管理，由32名工人24小時輪流值班，管理成本極高。

      為減少泵站運營費用，管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運行。

工藝流程圖：

系統(tǒng)說明：

1、通信及組網(wǎng)

    4個泵站分布在小區(qū)的東、南、西、北四個方向，如系統(tǒng)采用有線方式傳輸，則布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于小區(qū)內(nèi)GPRS信號較好，采用GPRS通訊完全能夠滿足數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊螅腋脑焖俣瓤臁⒊杀镜停宰罱K采用GPRS無線傳輸。

 監(jiān)控中心不具備上網(wǎng)條件且水源井、泵站監(jiān)控設(shè)備之間需要自主通信，因此系統(tǒng)需要采用 VPN專網(wǎng)模式進(jìn)行組網(wǎng)，每套設(shè)備里面都安裝了GPRS-VPN專網(wǎng)的SIM卡。

2、系統(tǒng)功能

 ① 泵站監(jiān)控終端DATA-9201作為主監(jiān)控終端，安裝于供水泵站內(nèi)，采集蓄水罐水位、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量、泵組運行狀態(tài)和參數(shù)，并根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制加壓泵組的運行。

 ② 水源井監(jiān)控終端DATA-9201作為子監(jiān)控終端，安裝于各水源井泵房，每個子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺水源井，采集水源井水位、流量、泵的累計運行時間、泵運行狀態(tài)，根據(jù)供水泵站內(nèi)蓄水罐水位、各泵累計運行時間自動控制各水源井為蓄水罐補水。

 ③ 各泵站、水源井的水泵狀態(tài)及運行參數(shù)、管道壓力、管道流量、蓄水罐水位等數(shù)據(jù)全部上報給監(jiān)控中心；數(shù)據(jù)越限，設(shè)備故障時，系統(tǒng)自動向管理人員手機(jī)發(fā)送報警短信。

3、自動供水實現(xiàn)原理

自動供水系統(tǒng)分為兩部分，即供水泵站蓄水罐端和水源井端。

    供水泵站蓄水罐端：泵站監(jiān)控終端DATA-9201采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計算出需求流量，當(dāng)水位過低時自動關(guān)停泵站加壓泵組，停止對外供水。

水源井端：水源井監(jiān)控終端DATA-9201采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計運行時間，根據(jù)水泵狀態(tài)及運行時間進(jìn)行選泵（實現(xiàn)各水源井水泵均衡運行）并根據(jù)泵站監(jiān)控終端輸出的需求流量進(jìn)行自主啟、停泵操作為水罐補水，使蓄水罐水位一直在期望值范圍內(nèi)。

應(yīng)用效果：

     經(jīng)升級改造后，供水系統(tǒng)無論在供水高峰期或低峰期，都能夠保證水罐水位在期望值范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)蓄水罐水位智能控制水源井水泵的啟動個數(shù)和運行時間，避免了水泵頻繁啟動和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

     泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，提高了水泵運行效率、大大節(jié)約了電能、縮減了27名工作人員，實現(xiàn)了用戶無人值守的需求，達(dá)到了減員增效的目的。

案例二、安徽某水廠取水泵站無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

項目需求：

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