張成棟

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司制水分公司，上海 200436）

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自來水給水泵站在城市管網(wǎng)中的數(shù)量正在不斷上升，主要承擔(dān)著供水管網(wǎng)中自來水的調(diào)蓄、增壓和水質(zhì)維持任務(wù)[1]。近年來，依托上級(jí)水務(wù)集團(tuán)和制水公司的項(xiàng)目資金和政策支持，市北泵站管理所正逐步對(duì)轄區(qū)泵站進(jìn)行設(shè)施設(shè)備的更新和自動(dòng)化改造。該文就以松花江泵站為實(shí)例，從泵站清水庫進(jìn)水的管路設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、信號(hào)采集和邏輯控制等多個(gè)方面，分享在給水遠(yuǎn)程控制泵站清水庫自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)，并說明了該系統(tǒng)今后的優(yōu)化方向。

1 松花江泵站概況

松花江泵站是轄區(qū)內(nèi)一座較為典型的水庫增壓泵站，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)清水庫2 座（20 000m3/座，庫容達(dá)40 000 m3），泵房?jī)?nèi)配置6 臺(tái)低壓380 V 機(jī)組（4 增2 庫）。經(jīng)常運(yùn)行方式是一增一庫，夏季高峰期為2 增1 庫，作為泵站無人化規(guī)劃里完成自動(dòng)化改造的第一批次站點(diǎn)，投入運(yùn)行至今，泵站各個(gè)生產(chǎn)層級(jí)系統(tǒng)已逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

2 清水庫自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

清水庫自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)：按照設(shè)定時(shí)間段，可以自由選擇控流或控壓模式進(jìn)行進(jìn)水操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)水庫進(jìn)水調(diào)流閥進(jìn)行補(bǔ)水，直至達(dá)到設(shè)定的水庫液位。整個(gè)系統(tǒng)具備進(jìn)水條件增刪、調(diào)流閥選定、庫容調(diào)節(jié)、液位偏差修正以及進(jìn)水狀態(tài)異常告警等調(diào)校水庫進(jìn)水精度的功能[2]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 進(jìn)水管路設(shè)計(jì)

松花江路泵站現(xiàn)有20 000 m3清水池2 座。設(shè)計(jì)上，考慮每組清水池（水庫）進(jìn)水閥門組配置4 只閥門，分別是進(jìn)水方向的外檔電動(dòng)檢修閥（應(yīng)急操作閥）、內(nèi)檔手動(dòng)檢修閥（保險(xiǎn)閥）、進(jìn)水調(diào)流閥（主控閥門）以及旁通管手動(dòng)閥（檢修旁路），并配套伸縮接頭。其中，外檔電動(dòng)檢修閥、電動(dòng)調(diào)流閥均接高至地面70 cm 處，便于泵站運(yùn)行人員的手動(dòng)操作。

另外，管路配套儀表為：總進(jìn)站管路、總出站管路上配置壓力變送器、電磁流量?jī)x各1 套，每座水庫分設(shè)超聲波液位儀各1 套。

所有儀表數(shù)據(jù)信號(hào)和閥門參控信號(hào)均須采集并接入松花江泵站生產(chǎn)PLC 控制系統(tǒng)中。

2.2.2 設(shè)備和儀表選型

外檔電動(dòng)檢修閥：作為參控的應(yīng)急操作閥，采用keystone 的DN700 戶外型電動(dòng)軟密封蝶閥，配Auma 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，管中心標(biāo)高3.350 m，閥桿接高至地面70 cm 處。

進(jìn)水調(diào)流閥：作為主控的進(jìn)水調(diào)流閥，采用VAG 的DN700 電動(dòng)活塞式調(diào)流調(diào)壓針閥，具備安全減壓、精確持續(xù)調(diào)節(jié)流量、防氣蝕的特性，配Auma 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)SAR07.6。

內(nèi)檔手動(dòng)檢修閥：作為調(diào)流閥檢修、水庫清洗時(shí)的手動(dòng)保險(xiǎn)閥，采用keystone 的DN700 手動(dòng)軟密封蝶閥。

旁通管手動(dòng)閥：作為檢修旁路用的手動(dòng)閥，平時(shí)多處于不參控的常關(guān)狀態(tài)，采用keystone 的DN300 手動(dòng)軟密封蝶閥。

進(jìn)站總管、出站總管流量?jī)x：作為系統(tǒng)程序中調(diào)節(jié)閥門開度的過程參數(shù)之一，通過公式計(jì)算可得到清水庫實(shí)時(shí)進(jìn)水量，采用KROHNE 的OPTIFLUX2000 型分體式電磁流量計(jì)。

進(jìn)站總管、出站總管壓力變送器：作為系統(tǒng)程序中保障平穩(wěn)進(jìn)水的過程參數(shù)之一，起到進(jìn)水管網(wǎng)穩(wěn)流保壓的作用，采用麥克的MPM4700 型差壓變送器。

1#、2#清水庫液位儀：作為系統(tǒng)程序中參控的閉環(huán)目標(biāo)參數(shù)之一，是控制閥門啟閉和調(diào)節(jié)幅度的直接影響因子，采用的是E+H 的FMU30(0～8m)超聲波液位計(jì)。

2.2.3 信號(hào)采集和顯示

參控信號(hào)：電動(dòng)檢修閥開足/關(guān)足DI；進(jìn)水調(diào)流閥開足/關(guān)足DI、閥位反饋AI、控制AO、故障DI；進(jìn)站、出站瞬時(shí)流量AI；1#、2#清水庫液位AI；總進(jìn)、總出壓力AI。

過程信號(hào)：電動(dòng)檢修閥遠(yuǎn)程/就地DI、開足/關(guān)足DI、上電/失電DI；進(jìn)水調(diào)流閥遠(yuǎn)程/就地DI、上電/失電DI；進(jìn)站、出站流量計(jì)故障DI；1#、2#清水庫液位計(jì)故障DI。

內(nèi)存信號(hào)：控制模式選擇、進(jìn)水預(yù)設(shè)時(shí)間、判定時(shí)間、修正液位值、壓力允許下限、高液位急停值、閥位初設(shè)值、本次進(jìn)水計(jì)時(shí)、理論剩余時(shí)間、實(shí)際剩余時(shí)間、目標(biāo)進(jìn)水流量。

圖1 清水庫進(jìn)水管路設(shè)計(jì)圖

2.2.4 邏輯控制

2.2.4.1 自動(dòng)進(jìn)水條件

總進(jìn)水壓力≥“壓力下限設(shè)定值”；進(jìn)水調(diào)流閥處在遠(yuǎn)程模式；被選擇閥門、液位計(jì)，總進(jìn)、總出流量?jī)x均無故障；以上同時(shí)滿足，視為滿足進(jìn)水條件。

2.2.4.2 進(jìn)水調(diào)流閥的選擇

閥門選擇模式分為“1#水庫調(diào)流閥”或者“2#水庫調(diào)流閥”作為進(jìn)水閥門，兩者可以同時(shí)被選中。被選擇閥門執(zhí)行自動(dòng)進(jìn)水程序的開度命令。默認(rèn)選擇“1#水庫調(diào)流閥”。如果2 只調(diào)流閥被同時(shí)選中時(shí)，開度控制為“雙閥同步”。

2.2.4.3 水庫的選擇

水庫選擇模式分為“1#水庫”、“2#水庫”和“兩庫運(yùn)行”3 種模式。根據(jù)選擇水庫模式的對(duì)應(yīng)數(shù)量，計(jì)算達(dá)到目標(biāo)液位、水庫需補(bǔ)水的體積。雙庫進(jìn)水時(shí)，考慮2 只液位計(jì)的誤差和水庫底板標(biāo)高差值，增加目標(biāo)液位的修正值設(shè)定的功能。

2.2.4.4 液位計(jì)選擇

液位計(jì)選擇模式分為“1#水庫液位計(jì)”或者“2#水庫液位計(jì)”作為液位測(cè)量值，且兩者不可同時(shí)被選中。默認(rèn)選擇“1#水庫液位計(jì)”。單庫進(jìn)水時(shí)，自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的水庫液位計(jì)作為目標(biāo)液位測(cè)量值。被選擇的液位計(jì)作為水庫進(jìn)水量、進(jìn)水完成等數(shù)據(jù)的最終依據(jù)。

2.2.4.5 進(jìn)庫瞬時(shí)流量

增壓車開啟時(shí)，進(jìn)水庫瞬時(shí)流量=進(jìn)站瞬時(shí)流量—出站瞬時(shí)流量；增壓車未開啟時(shí)，進(jìn)水庫瞬時(shí)流量=進(jìn)站瞬時(shí)流量。

2.2.4.6 理論進(jìn)水剩余時(shí)間

理論進(jìn)水剩余時(shí)間是自上位機(jī)設(shè)定進(jìn)水時(shí)間后，計(jì)算得出的。“控壓模式”、“控流模式”均需單獨(dú)設(shè)置進(jìn)水時(shí)間。自動(dòng)進(jìn)水開始，“進(jìn)水時(shí)間”倒計(jì)時(shí)就是“理論進(jìn)水剩余時(shí)間”。

2.2.4.7 實(shí)際剩余進(jìn)水時(shí)間

根據(jù)被選擇液位計(jì)測(cè)量值，計(jì)算得出水庫實(shí)時(shí)缺水總量。實(shí)際剩余進(jìn)水時(shí)間=水庫實(shí)時(shí)缺水總量÷當(dāng)前進(jìn)庫瞬時(shí)流量。

2.2.4.8 進(jìn)水模式切換的控制邏輯

在水庫進(jìn)水狀態(tài)下，人工自動(dòng)模式切換時(shí)的閥位保持；自動(dòng)進(jìn)水→手動(dòng)進(jìn)水：程序全部復(fù)位，閥門開度維持；此刻，再手動(dòng)進(jìn)水→自動(dòng)進(jìn)水：程序可遵循新設(shè)目標(biāo)參數(shù)，無縫切入自動(dòng)進(jìn)水程序，且閥門不再作“先歸0、再開啟至閥門開度初始值”的步驟。

2.2.4.9 水庫壓力自動(dòng)進(jìn)水模式（控壓模式）

上位機(jī)選擇“壓力模式”，將執(zhí)行以進(jìn)站壓力參控的自動(dòng)進(jìn)水程序。

設(shè)置“進(jìn)水時(shí)間”、“目標(biāo)壓力”、“目標(biāo)壓力上限偏差值”、“目標(biāo)壓力下限偏差值”“進(jìn)水停止液位”“閥門開度初始值”參數(shù)。

根據(jù)所設(shè)置“目標(biāo)壓力”、“目標(biāo)壓力上限偏差值”、“目標(biāo)壓力下限偏差值”3 個(gè)參數(shù)，確認(rèn)水庫進(jìn)水時(shí) 需要保證進(jìn)水總管壓力在 “目標(biāo)壓力”+“目標(biāo)壓力上限偏差值”和“目標(biāo)壓力”-“目標(biāo)壓力下限偏差值”的壓力范圍內(nèi)。

“進(jìn)水時(shí)間”倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，水庫將繼續(xù)按壓力模式進(jìn)水直至達(dá)到目標(biāo)液位值，除非中途進(jìn)行人工干預(yù)?！斑M(jìn)水停止液位”與被選液位計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較，當(dāng)水庫液位≧“進(jìn)水停止液位”，水庫停止壓力模式自動(dòng)進(jìn)水。

“閥門開度初始值”在水庫開始進(jìn)水時(shí)，被選中調(diào)流閥執(zhí)行此開度命令，閥門自動(dòng)調(diào)壓時(shí)不受此參數(shù)控制。

進(jìn)水壓力＞壓力范圍時(shí)，緩慢加大調(diào)流閥開度，以此控制進(jìn)站壓力≈“目標(biāo)壓力”。

進(jìn)水壓力＜?jí)毫Ψ秶鷷r(shí)，緩慢減小調(diào)流閥開度，以此控制進(jìn)站壓力≈“目標(biāo)壓力”。如果調(diào)流閥減小至較小的開度（可設(shè)定），進(jìn)水壓力仍然小于壓力范圍，水庫停止壓力模式自動(dòng)進(jìn)水。

自動(dòng)進(jìn)水過程中，控壓的可接受區(qū)間不宜設(shè)置過窄，避免調(diào)流閥開度的調(diào)節(jié)頻次過快觸發(fā)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)過載保護(hù)。自動(dòng)進(jìn)水停止時(shí)，完全關(guān)閉調(diào)流閥需要在一定的時(shí)間內(nèi)緩慢完成，避免水錘沖擊管道。緩慢關(guān)閥的時(shí)間，在下位機(jī)程序內(nèi)計(jì)入“進(jìn)水時(shí)間”，確保準(zhǔn)時(shí)關(guān)閥。

2.2.4.10 水庫流量自動(dòng)進(jìn)水模式（控流模式）

上位機(jī)選擇“流量模式”，將執(zhí)行以進(jìn)庫流量參控的自動(dòng)進(jìn)水程序。

設(shè)置“進(jìn)水時(shí)間”、“判斷時(shí)間”、“壓力下限”、“進(jìn)水停止液位”、“閥門開度初始值”參數(shù)。通過設(shè)置“判斷時(shí)間”來計(jì)算“目標(biāo)進(jìn)水瞬時(shí)流量”，控制調(diào)流閥開度，使實(shí)際流量匹配目標(biāo)流量，實(shí)現(xiàn)水庫自動(dòng)進(jìn)水。

“目標(biāo)進(jìn)水瞬時(shí)流量”作為參控?cái)?shù)據(jù)來控制調(diào)流閥開度；“判斷時(shí)間”作為判斷進(jìn)水理論剩余時(shí)間內(nèi)是否需要調(diào)整調(diào)流閥開度以達(dá)到進(jìn)水目標(biāo)高度的依據(jù)；將“進(jìn)水時(shí)間”結(jié)合水庫補(bǔ)水總量，折算出目標(biāo)進(jìn)水平均瞬時(shí)流量，然后控制調(diào)流閥開度，使得進(jìn)水達(dá)到該流量值；再在下個(gè)“判斷時(shí)間”進(jìn)行迭代復(fù)核和調(diào)整。

為了保證進(jìn)水平穩(wěn)，考慮將整個(gè)進(jìn)水時(shí)間控制為3 段。中間時(shí)段的進(jìn)水量分配比重加大，而初始和末尾時(shí)段不作頻繁調(diào)整的動(dòng)作。

當(dāng)進(jìn)站壓力＜“壓力下限”時(shí)，水庫將繼續(xù)按當(dāng)前進(jìn)站壓力進(jìn)水直至達(dá)到目標(biāo)液位值，除非中途進(jìn)行人工干預(yù)。

“進(jìn)水停止液位”與被選液位計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較，當(dāng)水庫液位≧“進(jìn)水停止液位” 水庫停止流量模式自動(dòng)進(jìn)水。

“閥門開度初始值”在水庫開始進(jìn)水時(shí)，被選中調(diào)流閥執(zhí)行此開度命令，閥門自動(dòng)調(diào)流時(shí)不受此參數(shù)控制。

自動(dòng)進(jìn)水過程中，控流的“判斷時(shí)間”不宜設(shè)置過短，避免調(diào)流閥開度的調(diào)節(jié)頻次過快觸發(fā)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)過載保護(hù)。完全關(guān)閉調(diào)流閥需要在一定的時(shí)間內(nèi)緩慢完成，避免水錘沖擊管道。緩慢關(guān)閥的時(shí)間，在下位機(jī)程序內(nèi)計(jì)入“進(jìn)水時(shí)間”，確保準(zhǔn)時(shí)關(guān)閥。

2.2.4.11 進(jìn)水完成提示

在自動(dòng)進(jìn)水程序的結(jié)束以時(shí)間、目標(biāo)液位同時(shí)為基準(zhǔn)，閥門控制程序停止，完全關(guān)閉閥門并彈提示框。

如果目標(biāo)液位到、時(shí)間未到，則綠字顯示“松花江泵站水庫進(jìn)水已完成，已達(dá)到目標(biāo)液位4.5 m； 如果目標(biāo)液位未到、時(shí)間已到，則紅字告警“松花江泵站水庫進(jìn)水已完成，未達(dá)到目標(biāo)液位4.5 m，目前液位為4.3 m”（突顯進(jìn)水未完成狀況）。

2.3 主要應(yīng)用場(chǎng)景分析

壓力自動(dòng)進(jìn)水模式（控壓模式）是根據(jù)清水庫補(bǔ)水需量、時(shí)長(zhǎng)和即時(shí)流量反饋進(jìn)行整個(gè)進(jìn)水作業(yè)的，主要特點(diǎn)是在過程中，進(jìn)站壓力的控制由上位機(jī)預(yù)設(shè)的上下閾值條件進(jìn)行約束，而對(duì)于整個(gè)進(jìn)水過程的流量和時(shí)間分配沒有太高的要求，只要確保時(shí)間充裕，該種進(jìn)水模式能在保證管網(wǎng)壓力不因進(jìn)水作業(yè)造成大幅波動(dòng)的前提下，還能適時(shí)、適度的自動(dòng)分配單位時(shí)間的進(jìn)水量，直至整個(gè)進(jìn)水作業(yè)得以順利完成。此種模式適應(yīng)性強(qiáng)、精準(zhǔn)度略有不足，更適用于處于區(qū)域壓力嚴(yán)格控制的、日間運(yùn)行高負(fù)荷的（經(jīng)常性有日間水庫蓄水需求的）、中心城區(qū)的水庫增壓泵站。

而流量自動(dòng)進(jìn)水模式（控流模式）則是更加精進(jìn)，傾向于把更多的控制優(yōu)先級(jí)設(shè)置在進(jìn)庫流量的精細(xì)控制上，采取每隔一段時(shí)間復(fù)核進(jìn)水進(jìn)度來調(diào)節(jié)進(jìn)水速率的方式，不斷的修正因站外管網(wǎng)的負(fù)荷變化所帶來的進(jìn)水量控制誤差，確保極短時(shí)間內(nèi)的及時(shí)糾偏，從而達(dá)到清水庫進(jìn)水控制的精準(zhǔn)要求。但若是站外管網(wǎng)壓力工況發(fā)生劇烈的變化（如爆管等），將會(huì)有一定概率導(dǎo)致進(jìn)水調(diào)流閥門無序動(dòng)作的情況發(fā)生?？箾_擊性不足的短板，使得此種模式更適用于站點(diǎn)周邊供水需量平穩(wěn)、進(jìn)水時(shí)長(zhǎng)相對(duì)固定（夜間進(jìn)水為宜）、峰谷趨勢(shì)明顯的水庫增壓泵站。

2.4 應(yīng)用效果

實(shí)例：按調(diào)度指令要求，自2020 年4 月10 日23：30開始，采用控流模式進(jìn)水，至次日4 月11 日6:00 結(jié)束，目標(biāo)水庫水位為4.8 m。

從歷史曲線和實(shí)際狀態(tài)分析，在啟動(dòng)控流模式的自動(dòng)進(jìn)水程序后，效果如下。1）進(jìn)水調(diào)流閥在6.5 h 進(jìn)水時(shí)間內(nèi)，閥門開度總共調(diào)節(jié)了4 次分別是啟、閉各1 次和因外管網(wǎng)壓力變化的中途調(diào)節(jié)2 次。2）進(jìn)水瞬時(shí)流量控制較為穩(wěn)定，變化基本與閥門調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)同步，無異常。3）進(jìn)水過程中，總進(jìn)水壓力隨外管網(wǎng)壓力正常自由變化，無突變情況。4）啟閉閥門的過程比較平穩(wěn)，閉閥時(shí)間納入進(jìn)水預(yù)設(shè)時(shí)間，無超時(shí)現(xiàn)象。

總體上說，自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)運(yùn)作得較為穩(wěn)定、可靠，且調(diào)節(jié)過程較為精準(zhǔn)、無須人工介入，基本具備了清水庫自動(dòng)進(jìn)水的智能化功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

3 結(jié)語

城市給水泵站要起到區(qū)域水量調(diào)蓄的功能，主要是指遵循供水調(diào)度指令來配合水廠，對(duì)清水庫庫容進(jìn)行控制，起到對(duì)供水管網(wǎng)“削峰補(bǔ)谷”的作用[3]?；诒谜旧偃嘶o人化的發(fā)展趨勢(shì)，清水庫自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)將不斷在各個(gè)泵站普及，為了保障清水庫進(jìn)水的安全性、穩(wěn)定性，進(jìn)一步減少控制中心當(dāng)班人員的工作強(qiáng)度，接下來，我們將摸索進(jìn)水調(diào)流閥工作特性與進(jìn)水流量變化率之間的規(guī)律，以期在清水庫自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略和控制精度上作進(jìn)一步優(yōu)化，從而真正達(dá)到清水庫進(jìn)水系統(tǒng)的全自動(dòng)、精細(xì)化管理的最終目標(biāo)。