电气自动化在城市雨水泵站中的应用

任菊平

摘要：随着城市下穿立交桥的建成，桥区雨水提升泵站应运而生，为适应城市无缝隙管理，在泵站推广电气自动化很有必要。电气自动化可让泵站引进“无人值班”控制模式，配合监控系统，动态监测潜污泵电机、高/低压成套设备的运行，并有针对性地对泵站现有设备、技术、管理进行必要的改进，对快速有效应对极端降雨过程、确保桥区道路畅通意义重大。

关键词：雨水泵站；电气自动化；桥区

DOI：10.12433/zgkjtz.20232942

汛期，城市下穿桥区汇集的雨水能否得到及时抽排，已成为影响城市交通安全不可小觑的因素之一。目前，仍有部分雨水泵站存在电气设备陈旧、技术与管理落后的情况。在现有泵站工作模式的基础上，应进行适当的技术改造，如：引进可编程控制器PLC（Programmable  Logic  Controller）等自动控制技术实现水泵自动启停，优化整合已有智能产品闲置的通信接口（如以太网通讯模块接口），借助数字管理平台实现远程综合调度与资源共享。

一、泵站现状

截止目前，某市主城区现有雨水泵站53座，总提升能力达41.8万m3/h。其中，地道桥泵站46座，平面提升泵站7座，老旧泵站占比近半成以上。老旧泵站普遍存在泵池占地面积小、容纳雨水有限的问题，严重缺乏对收储雨水的调蓄功能，一旦遇到持续30min以上的强降雨过程，雨水就会淹没地道桥。

近年来，新建泵站多采用双回线路供电，且每一回路都承担着泵站的全部容量，泵站由二级负荷供电，自备柴油发电机组1～2套。市电为10KV高压交流电，变压器容量通常在200～400KVA，较大规模泵站可达630～1000KVA，水泵电机功率在22KW～132KW，个别达到185KW，单台水泵理论最大抽排能力在600～2200m3/h，甚至6480m3/h。水泵启动控制箱由原来的星—三角降压启动，逐渐改造为软启动器降压启动或变频器降压启动，部分泵站管理采用人工加半自动化运行，液位信号采集一直以来应用浮球液位计，利用高、低水位开关信号控制水泵的启停。近年来，通过逐步引进智能控制系统，液位计由结构紧凑、体积小巧、重量较轻的投入式压力液位计或超声波液位计取代，又如在泵站进水管道与缓冲池之间增设回转式固液分离格栅除污提升机，排水管道上的阀门配套安装智能电动执行器，泵站硬件设施技术的提升，给管理带来了较大改善。

然而，不少泵站自动控制仍处于停运状态，原因如下：第一，个别一次探头（传感器）及自动化元件质量较差，可靠性差；第二，一些测试手段尚未得到妥善解决；第三，环境较差，水泵池里的水泵常年被雨水浸泡；第四，缺乏专业技术人员维护；第五，职工观念陈旧。还有些泵站虽然进行了部分技术改造，但仅限于水泵控制或安防独立运行，功能模块分割没有形成有效协同，有限资源没有得到很好的整合利用，泵站技术管理发展空间仍有待挖掘提升。

二、抽排水流程

收水井（沟）、进水管道（闸门）、汇水池、格栅除污提升机组、泵池（泵室）、出水管道（阀门、单向阀）、泄流池、流入市政雨水管道（或雨水沟渠）。

三、自动化管理系统

电气自动化取决于泵站的规模、形式、现有的机电设备性能、是否有足够的通信接口预留等，以达到分散检测与集中控制，通过监控桥区路面积水，监控动力电源设备运行动态参数，以及自动控制泵站水泵等电气设备，按照预先设置的程序设定目标值“启/停”水泵，避免人为误操作，做到及时、可靠、经济运行，较以往管理模式突破了“零人值守”雨水抽排作业。以下以某新建雨水泵站为例，自动化管理程度较高，且运行稳定可靠，做法具有推广应用价值。

（一）泵站自动控制的主要设备及附属设施

1.按担负的任务划分

第一，中控室（工业计算机、PLC控制柜及扩展I/O开关量模块和AI/AO模拟量模块、SPD、触摸屏、数据交换机、UPS电源、打印机以及预留通讯接口、录像机硬盘、交换机、服务器等）；第二，信号采集设备（液位传感器、变送器、水泵电机保护器、位置开关、H2S等有害气体变送器、球形云台摄像机等）；第三，动力设备控制箱（进/排水闸门、排水阀门、反捞式格栅除污机、水泵控制柜、高/低压成套控制柜等）；第四，电缆（信号传输电缆、电源电缆）；第五，金属立杆等附属设施。

2.按功能划分

第一，摄像机：泵站作业区、桥区主干道水位标尺、进排水闸门、配电室、中控室；第二，液位变送器：进水闸门、格栅机前后、调蓄池；第三，智能温度测控仪：每台变压器配置一套；第四，智能水泵保护器：配置在水泵控制柜内，数量与水泵相符；第五，智能电量参数采集仪表：分别投放在高/低压配电柜；第六，H2S等有害气体变送器以及报警仪。

（二）控制模式

根据用电场所及安全风险类别，有水泵电机及附属用电设施控制箱/柜和配电室控制柜两类控制模式。

1.水泵电机及附属用电设施

在“控制箱/柜”面板上设置本地手动和自动模式，这两种模式实施电气互锁和程序互锁。

第一，控制箱/柜均设“手动—停止—自动”功能旋钮；第二，本地手动模式，当旋钮打到“手动”时，通过现场面板上的按钮，就地对设备实施“启/停”操作，主要用于该设备的现场维修、保养与、调试等；第三，远程手动模式，当旋钮打到“自动”且中控室触摸屏人机监控界面处于“远程手动”时，可实现中控室操控作业现场的相关设备“启/停”；第四，自动模式。当旋钮打到“自动”且中控室触摸屏人机监控界面处于“自动”时，可实现设备与PLC交互通信，完成自动控制作业。

2.配电室控制柜

设本地和远程模式，这两种模式在中控室与配电室之间进行点对点对应操作，这两种模式进行电气互锁及程序互锁。

第一，本地模式即在配电室现场进行手动操作；第二，远程模式即在中控室监控界面进行手动操作。

（三）功能

中控室具备动态监测数据、控制、报警、存储数据与查询、形成报告、信息上传通讯等功能。

1.数据监测

监测调蓄池液位、水泵运行（电源电压、运行电流）/停止以及电机保护状态、格栅除污提升机及阀门和闸门工作状态、变压器（三相额定线电压、相电压、功率因数、有功功率、无功功率以及负荷率）状态等。

2.控制

第一，根据设定的每台泵“启/停”液位参考值控制泵的启/停，水泵控制柜接受来自PLC发来的水泵“启动/停止”指令。水泵采用“高启/低停”程序设计，当泵池放置数台水泵时，应将水泵按照开启间隔3～5min的顺序开启，水泵之间应有不同的启止水位，但“启动/停止”水位差不宜过大，通常在0.3～0.6m为宜，自动状态下，由程序控制水泵轮流投入工作。需要注意，水泵开启与关停有可能较为频繁，结合实际运营，应及时调整和优化水泵投入台数，以及泵与泵之间的运行程序，取得最佳运行对应值后，及时修改并输入PLC，从而确保机组处于最佳工况。第二，格栅除污提升机的电气控制具备“手动/自动”功能，自动控制则根据格栅机前/后液位差控制方式，当液位差值大于设定值时自动启动，当液位差值小于设定值时自动停机。第三，根据汛情预报，提前远程开启进/排水闸门及排水阀门。第四，当预报强降雨时，采取人为干预提前开启较小流量的水泵，适当降低调蓄池水位。第五，当遭遇强降雨过程时，结合桥区最低处车道的云台摄像机观测路面的积水情况，保证运行变压器处于最大承载能力的范围内，远程随时增加开启水泵的台数。

3.信号报警

第一，潜污泵多功能保护器故障报警，如：电机泵的过载保护、接线室进水保护、油室进水保护、轴承温度升高过热保护、电机线圈浸水保护。第二，阀门/闸阀电机以及格栅机电机（过载保护、轴承过热保护）报警。第三，集水池超高液位报警、泵室超低液位报警。第四，电源欠压保护报警，电源缺相故障保护报警、电流异常报警。第五，H2S等有毒气体报警仪，安装在地面泵室或泵池入口以上1.3m处，并张贴安全提示标识。第六，安防入侵报警。

4.数据存储与查询

运行时长记录数据、故障事件信息、监测数据存储等。

5.参数设置

第一，水泵液位阶梯参数设置。当液位突破一台水泵液位时，起动一台水泵；当液位突破两台水泵液位时，启动2台水泵；当液位低于所有水泵液位时，停止所有水泵；当液位低于两台水泵液位时，停止泵组内的2台水泵；当液位低于最低保护液位时，停止所有水泵，此时水泵启动控制电路处于锁闭保护状态，在中控室手动控制也不能起动水泵。第二，报警值设置。第三，仪表“模拟量”量程设置。当遇到液位变送器更换且量程改变时，则进入该界面调整变送器相应的量程值。

6.报告

某设备运行记录、故障事件描述、现场采集开关量及模拟电信号参数值。

7.信息上传

借助ADSL网口与上级调度中心实施通讯。

8.权限设置

如西门子PLC设项目密码和权限密码，不区分大小写，监控PC机设开机密码。

9.预留上一级管理通讯接口，以便日后扩展必要功能

（四）通讯协议

第一，配电室低压进线柜借助智能化仪表模块，通过Profibus-Dp接口，将线电流I线、线电压U线、相电压U相、有功功率P有、无功功率P无、功率因数cos?、负荷率等电量传到PLC处理。第二，高/低压进线柜、联络柜断路器开关量信号，通过信号线传送给PLC。第三，变压器由智能化测温仪模块通过Profibus接口，将三个铁芯内置于高压线圈内层的温度4～20mA的模拟量信号，传送给PLC模块处理。第四，水泵控制柜借助智能保护器通过Profibus接口，将三相电流、三相线电压、有功功率、无功功率、功率因数、传给PLC处理。第五，触摸屏与PLC之间通过RS485接口建立通讯。

（五）信号传输

第一，液位信号采集原理。采用投入式集成压力传感器的变送器，变送器规格根据水泵调蓄池最高极限水位深度选用XXm，标准电流信号4～20mA。一定水位深度对应某压力值，而这个压力值又对应4～20mA标准电信号区间内的一个电流值，也就是说，水位变化反映给压力变送器的压力变化以及流过变送器标准电流信号也在变化，该信号被PLC的模拟量AI模块接受并处理，用于读取水位的深度值和控制水泵“启/停”。第二，信号源有开关量信号、标准模拟量（4～20mA）信号，通过屏蔽电缆分别传输给PLC的I点、AI点，屏蔽信号电缆与动力电缆要保持规范的安装距离，且屏蔽层一端接地，严禁两端同时接地。

四、信号采集模块的介绍

BBM-‖型潜水泵保护模块和ZJK-05型水泵多功能保护器、UNT-MMI（Man-Machine Interaction人机交互）智能MCC（Motor control center电机控制中心）智能控制保护装置、智能一体化QZ系列电动执行器模块、HZF-S1型闸门智能测控仪、YS-TY131投入式压力液位计（变送器）与智能数字显示控制仪、智能化气体检测变送器。

五、建议措施

进一步优化泵站自动化应用场景，提高泵站主机组及辅助设备的单机自动化程度，优化电气自动化流程，筛选自动化系统元配件，加强电气维护人员的业务培训与专业考核。

六、结束语

本文介绍了某雨水泵站应用全自动管理的运营场景，实现了对泵站抽排设备的动态监控、日常值守监控、庭院监控等，通过改善劳动生产条件、杜绝值班员的工作盲目性，保证“双控”安全落到实处，降低管理人员的工作强度和管理成本、提高生产效率和管理水平，使泵站在汛期发挥应有的社会效益。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.泵站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2]上海市政工程设计研究院.城市排水泵站设计规程[OL].上海：2003.

[3]上海排水管理处.城镇排水管渠与泵站维护技术规程标准[OL].上海：2016.