某加压泵房远程集中控制改造研究及其实施

某加压泵房远程集中控制改造研究及其实施

余洪琼 李佩修 熊 钢

四川红华实业有限公司 四川乐山市 614200

摘要：本文通过对某加压泵房现状调查，结合现代化管理要求和远程集中控制相关新技术，研究了该加压泵房远程集中控制改造的必要性和可行性，具体介绍了远程集中控制改造的方案设计及最后实现的功能，为类似工程设计、改造提供了经验。

关键词：加压泵房 远程集中控制 改造 经验

0 前言

在传动的泵站类设计中，通常采用的是人工值守、手动控制方式，这需要大量的人工成本且自动化水平不高。随着科学技术的发展和我国自动化、智能化水平的提高，简单的泵站可采用远程集中控制系统实现数据采集、设备控制、测量、参数调节和事故报警、预测等功能，并提供数据接口支持与上级调控中心协调运行，大幅减少现场运行管理人员。本文以某加压泵房为例，对其远程集中控制改造进行探讨。

1研究背景

某企业加压泵房已运行十三年，承担着向全厂提供所有生产和生活用水的任务，水源接自市政给水管网，主要由两根输水管、两座清水池、一座加压泵房、厂内配水管网等组成。加压泵房为半地下式泵房，设有三台生产生活水泵（功率为11kW）、两台消防水泵（功率为18.5kW）、一台潜污泵（功率为1.1 kW），清水池进水靠电动蝶阀根据液位高低控制。正常情况只需一台生产生活水泵24小时运行，潜污泵根据集水坑水位高低采用浮子开关自动控制启停，两台消防泵处于备用状态，原则上只有发生火灾时才启动消防泵运行，实际情况是当用水量增大如冲地、消防车补水一台生产生活水泵运行压力不够时，临时启动一台消防水泵运行。由于该企业生产用水连续性要求100%，倒班模式为五班三班倒，因此即使经过优化、精简，该水泵房至少需五人值守，按该企业该岗位实际平均工资约15万元计算，该加压泵房的人工年运行成本需75万元。

另外，由于系统设计年代久远及设备、附件因锈渣、泥垢堵塞等原因，三类泵均不能自动启、停，需到地下水泵间进行相关手动操作方可启停水泵。所有参数如水泵进出口压力、电压、电流等也只能在就地值班室查看；系统无历史数据查询、故障查询等功能；生产生活水泵只能工频运行。因此，自动化、智能化水平较低。

为节约人工成本和提高自动化、智能化水平，根据现在成熟的远程集中控制技术，有必要针对各泵类系统存在的问题一一进行改造，实现远传、远控、集中监控功能，达到无人值守目的。

2各系统存在问题

2.1生产生活水泵系统

该系统共设有三台生产生活水泵（并联），每台水泵有单独的吸水管，三台泵出水管最后并联为一根总出水管；三台水泵运行模式为一用两备，每月一倒换轮流运行。每台泵的流程见图1。

图1供水系统流程图

该企业实际用水情况为周一至周五9:00-17:00，出水总管压力要求维持在0.45MPa，一台泵50Hz运行即可满足；其余时间维持在0.30MPa即可，因此无需50Hz运行。由于止回阀采用的是旋启式，加上运行时间长、生锈等原因，已被锈渣、泥垢堵塞不能灵活启闭，启、停泵时需人工对出水阀门进行开、关操作，由于水泵间位于地下，值班室至水泵间楼梯坡度大，因此操作不方便且存在安全隐患。

前期该加压泵房已进行变频+PLC控制改造，将止回阀更换为同规格的HC41X型且与闸阀位置互换，在PLC控制柜设置触摸屏，可实现以下功能：1）以动画形式显示供水流程，包含水泵进出口压力、功率、电压、电流、水池水位等；2）可设置、修改以下参数：a）水泵运行切换时间；b）频率1及其运行时间范围；c）频率2及其运行时间范围；3）三台水泵可根据设定的自动切换时间自动切换轮流运行，达到保护设备的目的；4）三台泵既可工频运行又可变频运行；5）生成水泵压力历史曲线，可查询历史数据；6）记录历史故障发生时间，可查询；7）在PLC控制柜触摸屏点击相应的按钮可启动、或停止水泵。

上述所有功能只是具备远传条件，并未远传。

2.2消防水泵系统

消防水泵供水流程同图1，只是水泵吸水管径为DN200mm，出水管径为DN150mm，启、停泵时同样需人工对出水阀门进行开、关操作。为达到水泵自动、远程启停，无需人工开关阀门等要求，需对出水止回阀进行型号更换及与出水闸阀进行位置互换。

2.3潜污泵系统

目前该泵房潜污泵放置于地下水泵间约60cm深的地坑内用于排除水泵间集水，采用浮子开关自动控制启停，控制箱位于水泵间地坑上方只能就地控制，未与值班室进行远程通信，当浮球阀故障时若不及时发现容易出现污水溢出淹没水泵电机等情况。采用浮球阀方式控制，无法知晓当前水位情况，无法根据现场水位作出更加灵活及时的控制策略。

2.4控制柜部分器件老化

水泵房值班室消防水泵控制柜和蓄水池进水蝶阀控制柜中的线材和元器件老化严重，部分电线皮已经风化开裂，布线混乱。逻辑元器件响应迟缓，半导体电气性能下降，故障率偏高，可靠性降低。

2.5现场控制盘柜布置不合理

现场控制盘柜如消防水泵控制柜、蓄水池进水蝶阀控制柜等，采用老式盘柜体积大，空间利用率差，集成化不够。

3远程集中控制系统总体设计要求

在加压泵房设置一个过程站，全面采集生产生活水泵和消防水泵系统运行参数：过程站通过MODBUS总线方式，读取生产水泵系统运行数据，保持其控制逻辑和控制方式不变；消防水泵含电动蝶阀控制改由过程站控制，保留就地控制功能；潜污泵该由液位计控制，设置就地和远程控制及显示功能。控制数据经由过程站汇总处理传输至该企业必须留人值守的冷冻站控制室DCS控制站中，在DCS监控界面构建流程图直观显示数据，预留向中央控制室传输数据的通讯接口。

4方案设计

4.1过程站建设

在加压泵房设置一个过程站，全面采集生活水泵和消防水泵系统运行参数；实现本地和远程控制，增设紧急情况自动连锁功能，将数据传输至冷冻站控制室，实现数据信息的实时共享；预留通讯接口，可将加压泵房系统数据传输至04控制室，达到以下要求：

1）具备根据工艺连锁条件控制消防水泵的功能；

2）将消防水泵由工频启动改为软启动器启动（带旁路功能，启动完成后自动工频运行），解决电机启动时的过流问题，同时降低电机对电网的影响；

3）优化控制逻辑，由PLC集中控制和采集系统信息，简化系统；增加人机界面，全面动态显示系统全貌，系统设置、参数更改、系统查询等功能；

4）系统具备完善的故障诊断、连锁保护等功能；

5）系统预留远程接口，便于后续系统的扩展改造；

6）具备远程启停、就地启停一键切换功能。

4.2通讯网络建设

增设过程站至冷冻站控制室系统光纤线路，将运行数据汇入冷冻站控制系统中，实现对运行参数的统一管理，并进行后续的逻辑连锁控制。采用目前主流的485通讯完成过程站与控制室DCS系统的数据交换，达到以下要求：

1）整个工业控制网采用高性能的设备，满足工厂区高温、高湿等恶劣环境的稳定运行；

2）所有交换机采用高性能的模块化千兆/百兆交换机，避免网络中部分节点故障，同时满足将来可能出现的扩容和升级；

3）平台传输速率高、带宽容量大、传输距离远、抗干扰和雷击能力加强，为数据、视频、语音三网合一提供足够的带宽；

4）整个网络同时支持光纤多模、单模、双绞线传输介质，结构灵活；

5）交换机支持端口的优先级划分和VLAN划分，支持端口和MAC地址的绑定，提高系统安全性。

4.3盘柜设计

盘柜严格按照国标GB7251《低压成套开关设备和控制设备》的要求进行设计，达到以下要求：

1）盘柜采用封闭式加强型结构，钢板厚度不小于2mm，要求前后开门，盘柜表面采用喷塑处理，RAL7035骆灰色，顶部安装散热风扇，向外抽风；

2）盘柜内设计检修用的照明灯和插座，照明灯采用日光灯，其电源开关关联柜门开关；插座采用双联、10A、两极、3线式。灯和插座的电源为单相交流220v；

3）柜内设置接地铜母线，接地铜牌大于5mm x 40mm，并带有接地端子，确保接地可靠；

4）屏、柜、端子、内部元器件分布及配线应美观协调，元器件与端子应排列整齐，层次分明，不重叠，便于维修和拆装；

5）盘柜采用PLC控制，IO点数按照实际需求配置并保留20%的余量；IO模块彼此独立，配置2个通讯口，其中1个与液晶显示器进行通讯，另1个通讯口（Modbus）预留与DCS系统通讯。为保证系统的可靠性，避免选用DI、DO混合模块及AI、AO混合模块，所有DI、DO模块统一选用16路及32路模块，AI、AO统一选用4路模块；

6）盘柜配置10寸触摸屏，要求能够显示相关参数及运行设备状态，通过触摸屏能够方便的进行各种控制、报警参数的设置及故障查询等功能；

7）控制回路要求以自动控制为主（PLC），现场手动控制为备用（手动控制用于调试及紧急情况，不经PLC实现）。每台泵阀分别设置“手动/复位/自动”方式切换开关；盘柜具备“远程/就地”一键切换功能，具备远程及就地控制功能。

8）控制回路电源（PLC、I/O设备、中间继电器、盘柜仪表）等进行冗余配置，自动勿扰切换，每套电源设置完善的短路保护及隔离措施。主进线电源设置空气断路器，电机设置完善的保护措施（短路保护、热过载保护、断相保护等），并具备运行及故障信号报警功能。

4.4电气特性

交流回路外部端子对地不小于10MΩ，不接地直流回路对地不小于1MΩ。

5远程集中控制改造的实施

本改造经背景研究、方案设计、设备、材料采购后，于2021年1月按方案设计要求施工完成，待人力资源统一整合时将该岗位人员撤掉。

6改造前、后对比

加压泵房远程集中控制改造前、后变化情况见表1。

7结束语

本次研究设计出一套加压泵房远程集控系统，实现站内数据的采集、记录、计算、控制等功能；同时与DCS系统进行通讯，形成控制室对全生产过程的综合监控。该集控系统能够对加压泵房设备进行集中管控，最终实现加压泵房无人值守，进一步提高生产效率。

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