泵站控制系统的设计探讨

[摘 要]文章对泵站控制系统的设计进行了探讨。分析了其关键组成部分、设计原则及设计方法，包括适当选用控制设备、上位控制技术、计算泵站的实时总流量及融入可编程逻辑控制器等，可为泵站控制系统的设计提供有价值的参考和指导。

[关键词]泵站；控制系统；设计原则；智能化；自动化；远程控制

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0003–03

Design Discussion of Pump Station Control System

ZHU Lihuan

[Abstract]This paper discusses the design of the control system of pumping station. The key components， design principles and design methods are analyzed， including proper selection of control equipment， upper control technology， calculation of real-time total flow of pumping station and integration of programmable logic controller， which can provide valuable reference and guidance for the design of pumping station control system.

[Keywords]pumping station； control system； design principles； intelligent； automation； remote control

1 泵站控制系统的基本构成与功能

1.1 泵站控制系统基本组成

（1）电源系统。其对整个控制系统进行稳定供电，保证各电气元件及装置可正常运行。为保障设备正常运行，泵站须配置双电源配电柜及UPS不间断电源。双电源控制柜容量必须大于泵房内所有用电设备的容量。UPS不间断电源须满足控制系统及应急单元设备1 h用电量。

（2）PLC控制系统。其是实现泵站操作监控的中心，其根据泵站运行的需要，由PLC、继电器等电气元件控制变频器，阀门等，实现水泵启停，压力和流量的调控。PLC控制系统的设计需充分考虑泵站工艺流程及运行特性，保证控制逻辑准确可靠。PLC控制系统由人机界面及监控系统组成，人机界面为操作人员提供直观操作界面，便于对泵站运行状态进行监测与控制。监控系统对控制系统进行持续的实时监测和故障检测，一旦检测到任何故障或不正常的状况，会迅速发出警报，提醒操作员采取相应措施。

（3）传感器与检测装置。这些装置可对泵站水位、进出水流量和压力等多种运行参数进行实时检测，并将这些信息转换成电信号传送到PLC控制系统中，PLC控制系统能够依据这些反馈信号自动调整泵站出水压力和流量，并优化运行。

（4）保护系统。为了确保电气设备和系统的稳定和安全运行，保护系统配备了多种电气保护设备。在遇到不正常的状况时，保护系统有能力迅速断开电源或实施其他防护手段，以避免设备的损坏和管网爆漏等意外事故的发生。

（5）网络系统。泵站主控系统网络必须与数据传输外部网络隔离，不可将泵站控制系统中的控制单元暴露在外部网络。在数据采集传输设备与泵站主控系统中，应采用485串口进行数据交互，数据采集传输设备不具有远程升级更新功能，不能远程修改及下载程序，不能响应通信规约约定内容之外的指令，数据采集传输设备必须具有AES-128加解密功能，必须实现密钥更新指令及密钥动态生成算法。

1.2 泵站控制系统作用

（1）控制系统主要作用在于实现水泵精确控制出水压力及流量。通过对控制回路进行逻辑运算，各电气元件协同工作，使系统能按设定程序自动或手动启动，停止或调节水泵工作状态，该精确控制在提高水泵运行效率的同时也可减少能耗，并具有防水锤等功能，使设备使用寿命得以延长。

（2）控制系统有较强的监测与诊断功能，利用传感器及检测装置可对泵站各运行参数进行实时采集，该系统可对数据进行处理与分析，发现异常并及时报警，同时该系统也能快速定位并诊断出故障，给维修人员准确地提供故障信息，减少处理故障的时间并提高维修效率。

（3）控制系统具有优化运行作用，该系统通过对泵站运行数据的统计与分析可以找到最佳运行模式及参数设置，以达到泵站高效运行的目的。同时该系统也可根据实际需要对水泵运行状态进行调节，从而实现节能降耗。

（4）控制系统采纳了众多的电气防护手段和故障处理策略，确保在出现异常时能够迅速断开电源或实施其他防护手段，从而避免设备的损伤和意外事故。同时该系统具有自诊断、自恢复能力，能对故障进行一定范围内的自动修复，增强系统的可靠性与稳定性。

2 控制系统的设计原则

（1）设计之初需要对该系统的功能需求、性能需求及运行环境做深入调查与分析，其中包括综合考虑泵站工艺流程、设备特点、运行环境和操作人员要求等。控制系统应具备不依赖于PLC而独立和多泵自动运行的能力。该系统还应具备手动控制、压差式自动控制、变频自动控制及远程控制4种模式。手动模式优先级高于自动模式，远程优先级最低。

（2）控制系统是泵站中最核心的部分，其稳定直接影响整个泵站是否能够正常工作，所以在进行设计时一定要充分考虑到可能发生的各类异常情况，以及相应的保护措施与故障处理机制，如通过安装电气保护装置，利用冗余设计来增强系统容错能力及抗干扰能力。同时也要求系统经过严格的试验与验证以保证系统在多种极端情况下稳定可靠。此外，在设计时一定要严格按照国家有关电气安全标准及规范进行，保证系统电气元件、设备及整体系统满足安全要求。

（3）考虑操作人员安全问题，应设立紧急停机按钮，以防误操作或意外情况带来的损失。还要对系统的控制逻辑与算法进行优化，以提高响应速度与执行效率。同时还要考虑到系统能耗情况，并通过采取节能措施及技术手段降低运行成本。

（4）对大型复杂泵站可考虑使用分布式控制或智能控制，以提升系统自动化水平及运行效率。可扩展性与可维护性在控制系统设计中同样不容忽视，在泵站日益扩大、技术日益更新的情况下，设计时应充分考虑系统可扩展性问题，并给后续升级改造留足余地。同时还要兼顾系统可维护性，提供便捷维护接口与工具，减少维护成本。

（5）设计过程中要充分考虑操作人员操作习惯及特点，给出直观易用的操作界面及友好的人机交互方式，这样既可降低操作难度及错误率，又可提高操作人员工作效率及满意度。同时还应具备分级密码保护及重要参数二次确认功能。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的密码等级，记录操作人员及其操作信息。

3 泵站控制系统的设计方法

3.1 选用适当控制设备

（1）根据泵站规模、工艺流程及运行特点决定控制设备种类及数量。大型泵站需要使用高性能的PLC（如西门子S7-1500/S7-1200系列）作为核心控制设备，以实现对多个水泵的精确控制和协调运行。小型泵站可选用较经济PLC（如西门子S7-200系列或国产头部品牌）作为核心控制设备。

（2）重视控制设备性能参数及技术指标。包括装置处理能力、响应时间、精度和稳定性。只有当这些参数均满足泵站运行需求时，才能够保证系统正常、高效运转。同时，还要考虑设备兼容性、扩展性等问题，这样系统升级或扩充时就可容易替换或添加设备。

（3）泵站一般工作环境恶劣，所以选用的设备要有较好的抗干扰能力以及防护等级来应对多种不利因素。同时，设备使用寿命及维护周期要满足长期运行需要，才能降低设备故障造成的危害。

（4）在达到性能要求时，要尽可能多地选用性价比较好的器件，从而减少系统整体建设成本。同时，还要考虑到设备售后服务以及技术支持的状况，以保证当设备发生故障或问题时可及时解决。

3.2 上位控制技术

上位控制即处于控制系统上层的控制策略与管理策略，通过集中监控、数据分析及指令下发等方式对泵站整体运行状态进行准确控制。该技术在提高泵站工作自动化水平的同时，也极大地加强了系统可靠性与安全性。具体而言，将上位控制技术应用于泵站主要包括以下几点。

（1）通过设置中央控制室对泵站各设备进行集中监测。中央控制室一般都配有高性能计算机及专业监控软件，可对各个设备运行状态、工作参数及故障信息等进行实时显示，于操作人员以综合信息支持。

（2）上位控制技术运用数据分析功能对泵站运行数据进行处理与分析。对历史数据进行挖掘与比对能够发现设备运行过程中存在的潜在问题，并预测其未来运行趋势从而提供决策依据，另外，上位控制技术可根据实际需求远程调节泵站运行参数，以达到准确控制泵站运行状况的目的。

在实际工作中上位控制技术需和其他控制系统协同配合，才能对泵站整体综合控制，例如，上位控制系统能够通过与PLC（可编程逻辑控制器）以及其他现场控制设备进行通讯，实时捕获现场的数据，并据此发布相应的控制命令。同时上位控制系统也可接入远程监控系统以达到远程监控及故障诊断的目的。值得关注的是，上位控制技术在实现过程中需充分考虑泵站自身的条件与需求，设计时，需根据泵站大小，设备类型及运行要求，选用适当的上位控制软件及硬件设备进行合理配置及调试。另外，需建立良好的安全措施与故障处理机制，保证上位控制系统能够平稳运行与数据安全。

3.3 计算泵站的实时总流量

泵站控制系统中泵站总流量的实时计算是保证系统有效工作的关键环节。实时计算总流量不仅可反映泵站运行情况，而且可为优化调度和节能降耗等工作提供重要基础。所以在泵站控制系统设计中需充分考虑泵站总流量实时计算方法与策略。泵站总流量实时计算方法较多，常用的有基于传感器与计量设备直接测量。通过泵站进、出水口设置流量计等计量设备可实时采集泵站进、出水的流量数据，这些数据由信号传输系统送入中央控制室并由上位控制系统进行处理分析后最终获得泵站总流量。

具体实现时，先要选择适当的流量计类型与规格以保证其测量精度与稳定性符合要求。同时，流量计需定期校准与维修才能确保其测量数据准确。另外，为减小测量误差可通过多点测量和数据平均来处理数据。除直接测量法外，也可采用数学模型及算法间接地计算泵站总流量，该方法以泵站运行参数及物理特性为依据，通过构建数学模型及算法实现泵站总流量预估。对泵站总流量进行实时计算时，还要考虑数据传输与处理的实时性问题。为保证数据的及时性与准确性，必须使用有效的数据传输协议与数据处理算法降低数据传输与处理时的延迟与错误。

3.4 融入可编程逻辑控制器

将PLC整合到泵站的控制系统中，是提高系统智能化和自动化水平的关键。PLC由于具有逻辑控制功能强，高可靠性，易用性和灵活性等特点，已成为现代工业控制系统的重要组成部分。

（1）PLC可显著提升控制系统智能化水平。通过编程，PLC能根据泵站实时运行数据自动调节控制参数，达到精准控制。同时PLC支持各种传感器与执行机构连接，可实现泵站内各类设备及环境综合监测。

（2）PLC具有高可靠性，可确保控制系统稳定工作。PLC抗干扰能力强、防护等级高，可在苛刻环境下长期稳定工作。另外，PLC具有自诊断的功能，可在发生故障的情况下及时发出警报，方便维修人员迅速定位和解决。

4 结束语

通过深入探究泵站控制系统，文章明确了设计原则及方法。在实践中，针对泵站特定的要求及环境条件灵活地运用这些设计方法与策略，可使系统高效稳定可靠地运行。同时，在科技不断进步的情况下，控制系统设计会得到不断的发展与进步，以给泵站今后的发展带来了更大的可能性。

参考文献

[1] 郭义军.浮动式岸边固定取泵站的选型及控制系统设计[J].电气时代，2022（11）：95-99.