大型水利泵站自动化控制智能化技术分析

张琪岳

（兰州市中川上水绿化管理处，甘肃 兰州 730000）

0 引言

水利工程运行管理期间，泵站发挥着至关重要的作用，尤其是在防汛防旱方面可以发挥资源调度的作用。依靠智能化技术进行泵站自动化控制，从而实现数据共享与远程控制，及时对泵站系统进行监控分析，转变以往人工操作的模式，加强对设备的运行维护，保障泵站安全。

1 泵站智能化技术的特点与功能

泵站系统中，智能化技术有着实用性、安全性以及可维护性的特点。泵站自动化控制系统采用分层分布的方式，对现场总线通信机构进行从上到下的不间断控制，各层时间数据互通性较高，实用性较强，可有效提高泵站工作效率。系统可在现场转化与传输数据，并在不同板块完成数据的自动核对和检查，及时发现人员操作失误问题，系统发出警报提示并禁止错误操作，以此保障系统整体稳定性。泵站系统需进行定期的设备维护，所以自动化控制系统需要以安全维护为重要条件，采用智能化、模块化技术展开系统的定期检查，保障系统正常运行。

泵站智能化技术的主要功能大致包含如下：①数据采集与处理。泵站自动化控制可对不同控制单元内的数据及时采集，数据采集系统经过数据分析与处理，主控系统负责采集非电量信息，再对数据分类整理，清除其中的误差与错误数据，压缩最终数据，最后将数据存储于终端，方便系统进行数据共享。②监控系统安全运行，安全性是泵站系统运行的重要指标，所以对系统安全监控是泵站的主要工作，实时监控系统，通过系统主界面对设备远程监控，及时发现设备异常情况，调整各项参数。以多状态监测方式进行设备定期检查，遇到异常问题时，系统立即发出警报，方便人员及时展开维修。对设备运行期间的数据与参数定期分析，及时发展故障与隐患，加强对电容柜与闸门的安全监控，做好设备异常判断。③实时控制与设备运行维护。对泵站系统实时控制，通常可采用自动或手动操作，完成水泵启停、设备故障检测等。系统可对设备运行参数实时检测，通过数据分析与评估，判断设备异常情况，提高泵站运行效率[1]。

2 泵站自动化控制智能化技术的实践应用

2.1 智能化技术用于泵站远程控制

采用智能化技术进行泵站的远程控制，实现对泵站设备的智能监测，为自动采集设备压力与温度等运行状态和参数，将传感器安装在系统内，经过无线网覆盖泵站，实现参数的有效传输，再通过监控系统度信息与参数统一处理，以此实现数据的共享。人工智能化可对泵站进行智能巡检，移动巡检系统对巡查轨迹与现在进行分析，完成工作记录，系统具有信息预警提示功能，可提前发现安全隐患，降低风险发生概率，经过设备异常检测，提出合理的解决建议，向巡检人员展示具体信息，实现对泵站的集中管理。

泵站内采用机组LCU 柜，与前端远程测控装置实施通讯，在模拟量信号与开关量信号的通讯服务下，PLC 系统通过网络模块与上位系统完成数据交换，如图1 所示，各串口通信智能设备在通讯服务器的作用下进行串口，与TCP/IP 网络进行协议互换，泵站进入PLC 系统。采用现地模式对泵站机组与供电系统实施远程控制与条件，LCU 即现地控制单元进入控制模式后，水泵机组得到远程控制[2]。

图1 基于PLC 的泵站远程控制

2.2 智能化技术用于低压调速节能

2.2.1 自动化控制平台

泵站作为水利建筑的主体工程，通常由电机、水泵及辅助设备构成，电机负责提供动力，辅助设备保障水泵与电机稳定运行，因此泵站需要由电机带动设备工作，以电能来克服重力势能，增强水流动能。创建泵站自动化控制平台，凭借智能化技术实现泵站的低压节能，将泵站自动化控制单元分为“管理级”“控制级”与“现场级”3 个级别，形成封闭回路，完成泵站调度工作。自动化控制单元可以将采集到的数据立即传递给系统，泵站人员得到可视化数据信息后，及时发现故障，实现对泵站动态化控制，如图2 所示，基于反馈补偿机制实现对阀门开度的合理控制，根据液位范围与目标液位流量，经过变频控制掌握集液池实时液位与流量情况。

图2 泵站动态化控制

2.2.2 低压调速节能

泵站工作期间，水泵与电机需要实现24h 不间断工作，水泵将水抽出，电机带动水泵工作，水泵与电机的工作会对泵站能耗产生影响。应用智能化技术降低泵站自动化能耗，有必要提高电机与水泵的工作效率。水泵不间断工作会有一定的故障隐患，并消耗一定电力，依靠自动化控制平台，对泵站进行远程自动化控制，采用编程控制的方法提高水泵对信号的接收能力。通过远程控制，完成电机交流电-直流电-交流电转变的控制，其电流变频转变原理如式（1）所示。

式中：n——泵站电机转速；f——电流频率；p——机电级数。

P 固定时可改变f 来调整n 的大小，也就是调整电流频率来改变电机转数，提高转数，降低电机工作电压，凭借智能化技术完成电机电流变频，年轻电流波动，有利用机械冲击将电机的热量带动水泵运行，降低电机运行能耗。为消除不同设备间的差异性，对泵站自动化控制情况进行研究，表1 为泵站参数情况[3]。

表1 泵站参数

基于泵站自动化控制模式掌握电机工作效率与电能消耗情况，其中1#机组采用自动化控制技术，2#机组使用传统控制技术，经过机组运行能耗的对比，发现自动化控制下的泵站工作效率提升了33.07%，千吨水电耗降低37.9kW·h。泵站运行数据对比如表2 所示。

表2 泵站运行数据对比

2.3 智能化技术用于电气自动控制

2.3.1 专家系统

泵站内的电气设备在工作期间会受流量、压力等参数的影响，参数不同，设备工作状态也会不同。仅依靠自动化控制系统计算的理论值与预算设置的程序，是无法对泵站机组与设备进行有效调试，难以发现设备磨损问题。采用专家系统，建立知识库与专家智能控制系统，以监测数据与理论计算结果为参考，经过过程模拟试验，推理不同状态下设备运行的问题，完成对设备的自动化调试分析。

2.3.2 神经网络技术

借助一定的测试检验设备运行工况与性能，再依据测试内容制作设备性能曲线，为接下来设备检测与智能化控制提供参考依据。采用神经网络，基于有限离散数据下的泵机组进行测试，确立以泵机组设备特征为基础的BP 神经网络，将其用于设备性能参数计算。

2.3.3 模糊逻辑控制系统

该系统需依靠计算机对设备进行控制，这是一种闭环式结构的数字化控制系统，使用智能模糊控制器对泵站运行中的设备进行控制与模拟，结合设备负荷变化与流量变化，构建隶属参数，以此与设备状态相互对应，提高泵站工作效果。采用模糊控制的方式，降低泵站电气自动化控制的危险性，提高泵站运行效率。

2.4 泵站智能化技术方案设计

2.4.1 总体框架

当前某水利枢纽泵站工程以完成自动化控制系统建设，实现泵站运行数据的自动化采集与设备自动化控制，但其自动化控制的智能化程度不足，泵站启停的自动化操作仅是将控制开关从开关柜前集中于计算机，但实际操作依然靠人工完成。目前泵站运行期间各项指标与经济性能为达到智能化控制标准。对此，有必要强化智能化技术的应用，对泵站智能化技术方案进行合理设计。以模块化数据体系进行系统设计，对数据源加以统一，系统分析与处理核心位于数据库服务器，以此简化数据分析工作量。图3 为该泵站智能化设计方案的大致框架。

图3 泵站智能化设计方案大致框架

2.4.2 智能研判体系

由图3 可知，方案以智能研判体系、智能控制系统为核心，其中智能研判体系涵盖了智能抽取、智能分析、智能报告等模块内容，以一体化管控平台为前提，对平台中的历史数据与实时数据集中采集，经过数据的深度分析，对泵站当前运行数据展开精准研判[4]。

智能抽取模块可对系统内的原始数据抽取分析，判断其中的偏差情况，按照精大误差判别转折，提出同类型数据内偏差较大的可疑值。再经过稳定性筛选，依靠智能算法剔除不稳定数据，使数据更加准确。最后，将相同类型数据依靠数值统计的方法整理为单个值，为接下来的智能分析奠定基础。

智能分析模块基于人工智能，对大数据信息进行快速抽取与计算，经过数据的智能分析，得到泵站运行期间的特征参数，综合泵站实际情况提出预警。其中，短期研判预警主要对采集到的数据尽心处理，如果发现标准趋势在短时间内出现阶跃，系统会提出短期预警；长期预警就是将实时数据与前后时间内的泵站运行数据相结合，展开长期变化趋势分析，如果出现较长时间之内的阶跃，在超过系统阈值后进行预警；故障诊断预警，即对采集到的数据加以分析，及时发现故障问题，精准进行故障诊断预警，尽快提示管理员进行故障维修。

智能报告模块主要利用泵站运行中产生的振动、温度、噪声等二次效应参数变化趋势与预警情况，以主机组、电气设备安全状态作为单元，将所有采集到的数据展开智能关联分析，编制设备运行状态智能报告，通过故障树来展示报告结果，为设备维修提供参考。

2.4.3 智能控制系统

泵站运行期间消耗较大，为实现泵站优化调度，智能控制系统根据泵站运行工况与供水量，确定泵站最佳运行方案，从而实现对能耗的优化。泵站智能控制如图4 所示，中心控制室负责对操作面板、PLC、CRT 彩色显示屏、打印机的整体控制，完成电网检测，实现对水泵与闸门等设备的监控。泵站智能化控制可一键自动启停，减少人为干预，管理人员可直接在手机客户端控制设备操作[5]。

图4 泵站智能控制

3 结语

总而言之，随着信息化建设的发展，智能化与自动化成为水利工程发展的主要趋势，其技术对泵站运行提供了帮助。以泵站实际运行环境为基础，加强对智能化技术的应用，完成泵站自动化控制系统的安全设计，降低人员工作压力，使泵站巡检工作更加便捷，提高泵站运行的安全性与稳定性，在完成水资源优化调度与合理调控的同时，降低运行能耗。