藉河生态治理工程泵站监控系统分析

吕 凯，栗祯泽

0 前言

藉河生态治理工程二期工程位于甘肃省天水市，工程设计范围为藉河生态综合治理一期续建工程末端（水家沟口）至藉河入渭口，治理河段长度9.6 km。设计共布置3座泵站，其中1号泵站控制1#和2#橡胶坝，2号泵站控制3#和4#橡胶坝，3号泵站控制5#和6#橡胶坝。因此,为了便于管道布置及方便管理，3座泵站站址均选择在蓄水区河道左岸堤防外侧。泵站主要由电力设备、机械设备等共同组成，其本身是一个综合体。在建设泵站过程中，如果对其中的各种设备进行选择、配套、管理始终都是人们所关注的一项重要问题。合理的方式可以最大化其经济效益，确保泵站在建设后能够长期稳定运行，而在此过程中，泵站监控系统的作用巨大。由此可见，加强对泵站监控系统的分析具有现实意义。

1 泵站监控系统的分析

1.1 泵站监控系统的主要功能

泵站监控系统在具体应用过程中的主要功能有以下几点：①采集数据，并对采集的数据进行处理。②具体生产过程中可以实现自动控制：启动泵组、关闭泵组，控制闸门的启动与关闭，自动控制厂用电和变电站开关，以及对辅助设备的自动控制和调节转角叶片[1]。③统计、计算历史数据：对各个机组运行过程中的有功、无功、功率因素内容进行动态记录；计算任意时间段单台机运行过程中的各项参数，泵组的启动与关闭次数，全厂总用电量；累积运行时间等多项内容。④经济运行:依据不同的目标函数，例如依据全站运行消耗电量最低，运行效率最高、全站抽水量最大等多种方式，根据泵站出口、进口水位发生的具体变化，然后在通过动态计算，对泵组流量进行合理调节，依据计算结果计算开机台数，并优化各个泵组[2]。在满足各项约束条件下，对泵站的节能强度进行挖掘，从而使泵站在运行过程中能够以最小的能耗，实现最优运行，从而提高泵站的经济效益。⑤泵站监控系统要能够与其它系统进行通信，从而提高泵站系统运行的合理性。其具体结构如图1所示。

图1 集控性泵站监控系统结构

1.2 泵站控制对象

1.2.1 调节叶片

大型泵站中的多数水泵的抽水叶片都是可调节的，如果叶片的角度过小，抽水量也会过小，相应的叶片的负载也就会较轻；如果叶片的角度较大，相应的抽水量也大，此时叶片的载重也大[3]。当然，负载的重量、抽水量大小都与泵站的上游水位和下游的水位差有着一定影响，水位差越小，负载越小，反之越大。由此可见，在调节叶片时，要充分考虑抽水量、水位差、机组运行情况。

调节叶片的方法主要有以下两种：（1）由伺服电机带动机械传动部件，从而改变叶片角度；（2）利用液压结构，带动叶片转动，从而使叶片的角度发生改变。对两种不同的调节方式进行对比，前者的主要优点是控制更加便捷，调整起来速度较快，缺点是容易出现水泵冲击，因此该方式经常在较小的水泵中使用；后者的优点是水泵不易发生冲击，因此能够在大型水泵中使用，其缺点是调整速度相对来说比较缓慢，并且具有一定的滞后性。调整对象不同，通常水泵叶片调整角度范围为-6°-+6°。因此，在具体调节过程中主机（控制系统主机）要依据叶片的角度下达相应的调节指令，从而使机械传动机构或液压执行机构件叶片调整到所需要的位置，叶片角度的调整通常需要经过多次调整才能达到期望的位置。

调节叶片角度，使其处于合理的位置，是控制系统的一个重要任务，同时也是提升泵站运行效果的一项主要手段[4]。

1.2.2 电机选择

对于流量的调节主要是通过加减泵量和调节泵运行频率来实现的，在本项目中，上游流量变化较大，单纯的调节频率的变化不足以满足实际生产中对于流量的调节要求，因此本项目中选择的是异步定频电机，所有机泵流量稳定，这样能够有效的降低建设成本，同时提高运行的稳定性。

泵的开启与关闭可以通过程序自动运行，也可以由管理人员下达具体指令。每个泵站都有独立的管控系统，可以根据液位情况决定开泵量的多少以及开泵时间的长短，同时也接受远程指令调控。

1.3 控制系统的结构和指标

1.3.1 控制系统的结构

泵站自动化控制系统通常采用的都为分层式管理、分布式控制。其主要特点就是：公共辅机保护、励磁控制的各个部分、各个机组等各自都形成一个相互独立的单元，我们将其称为现地控制单元，各个单元与控制系统通过总线、网络方式与主机相连，主机与各单元的控制命令的现场数据的上传与下传通讯。

在自动化泵站中，变送器采集方式已经逐渐被淘汰，取而代之的是更加优秀的交流参数采集，对交流直接采集技术进行了广泛应用，利用计算机对互感器中的电参数进行直接采集，并通过还原的方式，计算出电流、电压、无功功率等各项参数数据。利用该技术制作的表计具有精度高、体积小、速度快等诸多特点，并且可以通过总线接口完成数据的组网传送，以及参数远程设定，是一种先进的仪表[5]。

1.3.2 确保系统运行安全性的措施

泵站自动化控制系统对反应速度有着特殊要求，具体反应在泵站运行过程中涉及到的各项参数的采集以及控制命令的反应速度，具体内容如下：（1）人机接口相应时间：刷新画面数据的时间要小于2 s（该时间的计算应当从数据库刷新后开始计时）；对新画面进行调节的相应时间不能超过2 s；事件的发生或者警报的响起到画面显示和发出响应的时间不能超过2 s。（2）数据巡测周期：温度模拟量小于20 s；电气模拟量小于3 s；开关量小于3 s；开关分辨率小于5 ms。

为了确保控制系统在运行过程中的安全性，需要对不同的工作人员的权利进行限制，不同的操作者的访问权限有所不同，避免因为误操作导致控制系统在具体运行中出现工作。控制系统的可靠性指标如表1所示。

表1 控制系统可靠性指标

2 现场工况下智能调控

由于本项目涉及到3个泵站之间的相互协作，而液位流量等有一个延时反馈，单纯的依靠液位指标进行调控是完全满足不了实际生产要求的。因此本项目采用三级调控的方式，对整体蓄水分洪的要求进行满足。

由于本项目涉及到的地理位置较广，所以与水量和天气情况有十分密切的关系，日常运行过程中，在某一时间，来水量通常是一个较为平稳的波动值。针对这一波动值，设定高、中、低三个排水档次，这三个档次在不同时期，排水量不同。根据当地实际天气情况，对这三个档次标准进行调节。当本流域流经地区有雨时，调节档次上升一个标准；天气正常时，调节档次不变；当天气晴朗，地表径流蒸发量较大时，调节档次下调一个标准。这个标准能够一定程度上对大的流量变化进行比较好的调整，但是还达不到精细化调整的目的。

针对流量的精细化调整就需要在已有三个档次的基础上再进行分析，这三个泵站在地理位置上并不是并联的，而是位于河流的上下游。当排水档次根据当地天气情况调整好后，整体水量会预先有一个波动，因为雨水还未汇集到径流中，而径流水已经被加速排出，在此情况下，由位置最接近天气变化点泵站进行监控，监控液位的变化幅度大小，如果幅度区域平稳，则保持现有调节方式。如果幅度变化持续增大，则需要在其他泵站进行补偿调节，最终确保整体稳定。

4 结论

泵站监控系统虽然得到了广泛应用，但是其具体发展过程中还存在一些问题有待解决:

（1）因为在设计中没有统一的标准和模式，因此在技术水平上呈出了参差不齐的局面，特别是在具体建设时，没有统一的标准对设计、监理、验收进行规范。

（2）依据相关统计结果显示，多数泵站中的工作人员掌握的计算机知识比较有限，吸收、消化运行维护泵站监控系统的能力也有限，这在一定程度上对泵站监控系统的作用发挥产生了不良影响。

（3）针对泵站运行数据资源的共享程度还需要工作人员进行深度挖掘，并且需要加强对数据的共享方式和共享内容的深入分析。

[1]韩昭嵘,邹金慧.基于GPRS无线传感网络和STM32的泵站监控系统[J].电器与能效管理技术,2016,03:48-57.

[2]赵敏,刘洁,杨海柱.新型泵站监控系统在木瓜煤矿的应用[J].电子世界,2013,05:127-128.

[3]袁建军,骆洋,顾文杰.PLC在泵站监控系统改造中的运用[J].电工技术,2013,07:36-49.

[4]李强.基于PLC泵站监控系统的设计与实现[J].自动化技术与应用,2013,06:113-116.

[5]陈龙飞.基于STM32的城市二次供水泵站远程监控系统[J].电子世界，2014，07:40-41.