浅谈无人化泵站改造

浅谈无人化泵站改造

郑晨

（上海南汇自来水有限公司  上海市浦东新区  邮编 201399）

摘   要:为缓解现代供水泵站的人力需求以及响应当下智慧城市的建设理念，祝桥供水泵站采用先进的信息技术和微机自控设备，设计了基于PLC的无人化智能供水泵站系统。在安装了变频设备，增设了过程水质检测仪表后，通过改变机泵控制方式和加药控制方式，实现对泵站运行的有效控制，增强了整个供水泵站的系统安全性、稳定性和运营管理的高效性。

关键词:智能泵站;无人化;PLC;

        引言

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随着当今智能化、自动化的快速发展，用人成本的不断上涨，无人值守的管理模式得以在能源、电信、电力、水务、通讯方面迅速推广，现代化的无人值守供水泵站也相继建成[1] 。本文以祝桥供水泵站改造案例为参考，介绍此供水泵站改造情况，包括此智能化泵站的系统组成以及控制方式，并进一步说明改造后的实际效果及如何实现经济、合理的的科学管理。

1. 祝桥供水泵站现状

祝桥供水泵站建于1998年，配备五台增压水泵以及加氯加氨两套设备，供水量1.5万m³/d，供水区域包含祝桥镇、东海镇、朝阳农场等地区；常规运行模式为白天开启水泵对水库存水进行增压输水，夜间泵站停泵，水库开启蓄水。由于设施设备老旧，且五台增压输水泵均未安装变频器，故正常调节出站压力以及控制外管网压力的方式比较单一，能耗较大；泵站的加药控制设计不合理，药剂的投加量全凭员工工作经验手动控制，出站水质容易产生波动；另外水泵出水阀门，水库进水阀门均为手动阀门，操作繁琐，耗时长，启动水泵的过程中经常造成水压和水质的不稳定。

2. 无人化泵站改造特点

根据祝桥供水泵站的无人化、智能化运行的目的，泵站的设计改造遵循“经济安全、可靠实用、便捷维护、无人值守”的原则，工艺设备的选型是系统运行的核心，要立足于“自动化、简单化、结构化”的选型标准。

可靠性：泵站的正常运行是正常生产生活的基础，因此设备应选用成熟定型产品，方可应用，尤其是PLC系统的各模块，包括CPU模块、电源模块、DI模块等。

实用性：系统设计应能够实时、准确的反映各设备参数，系统的运行状态，无人化的泵站系统设计应具备统一的数据管理中心，可以直接呈现给工作人员整个供水泵站的运行情况。借助该操作系统，管理人员进行远程操作干预设备工作，及时解决预警问题，具有极高的实用性。

便捷性：该改造项目中的上位机软件采用图形化的设计语言，学习成本低，操作方便。其中设备的数据参数和工作状态均以图表化的方式进行表达。系统操作员也可通过使用鼠标、按键、触按数字键盘等方式进行操作控制。

可扩展性：考虑到未来该供水泵站的发展，整个的系统以模块化设计为中心，可以在软硬件协同方面具有较高的扩展价值，其中在软件方面，预留了连接的IO端口；在硬件方面，同样预留了控制端口，届时

各传感器单元、仪表单元、泵机设备单元可以较快完成扩展需求。

3. 无人化泵站改造实施情况
   1. 上位机软件的功能开发
      1. 数据管理

数据管理包括数据采集和数据显示。

泵站系统采集的数据包括瞬时和累计流量、液位、药剂投加量、水泵电机电流和电压、其他电气设备的运行状况等，可以实时地在现场监控站上进行查看，从而更好地了解工艺流程的变化情况。

数据可以采用动态显示的方式，即对整个的供水设备工作流程、所要达到的工艺标准进行考量，通过图标的颜色差别、图形展示、数据图表等手段以达到显示的目的。其中上位机系统会以一定的时间间隔自动保存设备数据，记录系统日志信息。

3.1.2.图形功能

图形功能指在操作界面以图形化的语言直观展示各设备以及它们之间的关系，图形的种类有工艺流程图、泵站设备数据汇总图、工艺单元图、历史趋势图、各仪表单元控制图，实现所见即所得的目的，给泵站的工作人员带来了良好的交互体验。工艺流程图所示。

祝桥泵站工艺流程图

3.1.3.控制功能

控制功能分为参数设定和设备干预，通过提前预设各设备运行参数，当设备超过阈值时，系统可以及时预警并进行相应处理，即对工艺流程和设备进行干预。其中相应的数据应控制在合理的范围内。

3.1.4.报警功能

报警功能分为实时预警功能和历史回回溯预警信息功能，其中实时预警功能是基于安装在各泵机设备上的传感器模块单元，采集信息并与预设参数比对，做出预警通知。预警信息需要泵站工作人员按照规定进行处理并记录相关情况；历史回溯预警信息功能一方面要对预警信息进行存档，另一方面也可查询过去一段时间内的预警记录。

3.1.5.安全操作

无人泵站的上位机系统需设立三种不同的安全操作等级，即访客、工作人员、后台管理员。

访客：只能查看监控信息，没有系统操作权限。

工作人员：具有查看、修改、控制改系统的权限。

后台管理员：可以对上位机程序进行维护，拥有操作系统的最高权限

3.2.机泵控制模式的改变

从无人化、智能化泵站的实际运行需求出发，对水泵安装了变频器，并将原有的单一的现场手动控制运行模式改为现场手动控制、PLC设备自动运行、上位机远程控制的多项控制方式。

常规情况下PLC根据设定的程序，通过检测到的数据（设备运行状况，水位、电力参数）进行自动处理并发送控制信号及预警，从而实现实现控制各工艺设备。另外泵站的PLC系统设有预警功能，方便对突发情况进行处理，保证稳定生产及供水。在泵站工作人员对预警信息进行甄别处理之后，恢复设备正常的工作状态。

在传输控制上，通过RS485总线对接收累加的数据流量施加控制，对于可能存在的信号干扰，应做好充分的隔离措施。

在机泵运行控制上，机泵控制包括设定压力控制及其排序控制，其中泵控制的原理是通过位于集水池的液位计和位于供水管道的压力变送器实现机泵按照外部管网压力情况自控启停。压力控制是系统监测到供水管道压力低于启泵压力时，按预先设计的泵机运行排序，实现自动启动，当供水管道压力高于启泵压力时，则依次关停设备。排序控制即对泵站设备的运行台数和运行时间进行优化排序，PLC系统会自动累计运行时间，按照工作时间的长短来排序决定开启或者关闭相应水泵设备，当遭遇突发情况时，系统会从排序序列中自动剔除该设备，并进行预警，工作人员可以及时干预处理。两种控制方式均可以达到延长泵机使命寿命的目的。

在阀门控制上，电动阀门安装于进站水管和水泵前，主要用于控制进站水的流量以及防止供水管道内水倒流入水泵内，可现场开启和远程控制。当电动阀门出现故障时，自动停止相应的水泵设备，同时控制室的监控界面将会显示预警信息。

3.3.加药系统的优化

传统加药模式完全依靠员工工作经验来进行药剂的调配投加，加药精准度较差，作为输水泵站自动化控制的重要环节，加药模式也急需自动化以保证出战水质的合格稳定，故根据泵站的实际情况增加了泵前和泵后水质检测仪表，并且对药剂投加量控制进行了改造，通过进水流量计将泵站进水流量实时监测值上传至PLC，根据水泵前后药剂的含量以及所需出站水质的控制目标，在相应系统公式中计算得出硫酸铵及次氯酸钠药剂投加量。再通过现场PLC控制加药泵工作频率的方式达到精确投加药剂剂量的效果。

其中Q为流量，ρ为投加比，投加比根据水质监测仪表的实时监测数据与标准数据进行比对，根据前馈及PID计算得出实时准确的数值。

可以看到在通过加药方式改造后出站余氯、氨氮的数据在经过无人化改造后更加稳定，各项水质达标率更高，并且在做到精准加药的同时，降低了药剂的消耗，真正做到了降本增效的需求；另外水泵控制运行方式的改变，实现了泵站的恒压供水，能够有效避免管网压力波动的问题，在未来更可以依据水量、压力、设备疲劳度、生产经济性等相关因素完成泵站的智慧化组合运行。为保障出厂水各项指标优良稳定起到了关键性作用。

4. 结语

综上所述，本文对于祝桥供水泵站的无人智能化改造案例进行了分析，通过监控单元采集信息，借助信息传输设备满足了现代化供水泵站所要求的全自动控制系统的建设，其大幅降低了用人成本，有效解决了人工值守存在的诸多弊端，避免了人员生产生活中存在的安全问题。该改造案例适用于同类泵站的优化升级，具有极大的推广价值。

参考文献

[1] 叶彩霞. 无人值守泵站自动控制系统设计应用_叶彩霞[J]. 机电信息, 2012, (36): 137-138.

[2] 陈华,顾士杰.城市排水泵站实现无人值守模式的关键技术探讨——以上海市为例[J].净水技术,2021,40(S1):257-264.

[3] 沈旭。无人值守泵站自动化控制系统的技术探讨[J].净水技术，2019,38(s1):290-293.

[4] 王普磊。智慧城市背景下排水工程智能化的探索J].安徽建筑，2020,27(2):166-167,

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