沈建榮

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

在傳統(tǒng)的梯級(jí)泵站建設(shè)過(guò)程中，因?yàn)槿狈ψ詣?dòng)化系統(tǒng)，導(dǎo)致泵站運(yùn)行控制效果較差，且難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，從而無(wú)法有效保障梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。在自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，梯級(jí)泵站的綜合控制系統(tǒng)與自動(dòng)化技術(shù)得以深度融合，通過(guò)采用自動(dòng)化技術(shù)，使梯級(jí)泵站能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化運(yùn)行等功能，從而提高梯級(jí)泵站運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。因?yàn)樽詣?dòng)化運(yùn)行控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢(shì)，所以需要明確在梯級(jí)泵站中的應(yīng)用方向。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)及其優(yōu)勢(shì)分析

1.1 自動(dòng)化技術(shù)的基本內(nèi)涵分析

自動(dòng)化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它與控制論、信息論、系統(tǒng)工程等多個(gè)方面都有著緊密的聯(lián)系，其中控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的影響是最為深刻。

在機(jī)械工程行業(yè)之中，自動(dòng)化技術(shù)就是指通過(guò)機(jī)械來(lái)完成復(fù)雜的管理控制活動(dòng)，從而將管理人員從繁重枯燥的工作中解放出來(lái)。自動(dòng)化技術(shù)脫離了原本大量的勞動(dòng)力資源，通過(guò)自動(dòng)化進(jìn)行控制管理，能夠節(jié)省大量的生產(chǎn)成本，且能夠克服人工生產(chǎn)中的不穩(wěn)定因素，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行控制管理的精準(zhǔn)度和控制效率，同時(shí)減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。

1.2 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)踐證明，自動(dòng)化技術(shù)在梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢(shì)。

第一，提高了梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效率。在梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析和處理是一項(xiàng)重要工作，梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)的運(yùn)行控制模式需要建立在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上才能夠保證整體準(zhǔn)確性，但是傳統(tǒng)的控制技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理準(zhǔn)確性較差，而將梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，能夠提高數(shù)據(jù)收集、分析與處理效率，同時(shí)能夠保證數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性，進(jìn)而為梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)控制提供支持。

第二，優(yōu)化了嚴(yán)控模型構(gòu)建工序。在傳統(tǒng)的梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)控制需要建立在遙控模型基礎(chǔ)上，根據(jù)所建立的模型完成相應(yīng)的遙控工作，但是模型構(gòu)建需要花費(fèi)大量的時(shí)間，且難度較高。通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，可以將控制模型構(gòu)建環(huán)節(jié)優(yōu)化，從而節(jié)省更多的時(shí)間，必須要構(gòu)建的控制模型可以通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理，從而能夠自動(dòng)生成梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)遙控模型，且以數(shù)據(jù)的方式能夠提高自動(dòng)化梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)控制效率和準(zhǔn)確性，使得梯級(jí)泵站遙控工作能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化，相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制模式，自動(dòng)化技術(shù)具有較高的應(yīng)用靈活性[2]。

第三，提高了梯級(jí)泵站控制管理效果。按照當(dāng)前梯級(jí)泵站控制工作的實(shí)際情況來(lái)看，傳統(tǒng)的控制模式在應(yīng)用過(guò)程中依然存在較為分散的問(wèn)題，尚未建立整體化、系統(tǒng)化、集成化的控制系統(tǒng)模式，各個(gè)環(huán)節(jié)采用不同的控制技術(shù)，在前期需要投入大量的資源，且不同的控制工序之間相互交錯(cuò)，會(huì)形成控制錯(cuò)誤的問(wèn)題，從而導(dǎo)致梯級(jí)泵站控制工作受到很大負(fù)面影響。將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)中，通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)收集、分析等功能，能夠建立全面化的梯級(jí)泵站自動(dòng)化控制模式，從而能夠?qū)μ菁?jí)泵站控制工作進(jìn)行整體性的控制、分析和與預(yù)測(cè)。

2 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)概述

本文以某大型梯級(jí)泵站工程為例，該工程包括13座梯級(jí)泵站，采用串聯(lián)方式連接，通過(guò)地下管道逐級(jí)提升的方式進(jìn)行供水。為此，在中間節(jié)點(diǎn)的各級(jí)梯級(jí)泵站運(yùn)行需要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，才能夠保證梯級(jí)泵站處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)樘菁?jí)泵站數(shù)量較多，且位置分布較為分散，各梯級(jí)泵站之間距離較遠(yuǎn)，所以需要采用科學(xué)、先進(jìn)的自動(dòng)化運(yùn)行管理模式，才能夠確保該梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量提高。為此，需要結(jié)合梯級(jí)泵站的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)開(kāi)展一套功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定的梯級(jí)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)。

3 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能

梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由中央控制管理級(jí)、站控級(jí)以及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，調(diào)度主機(jī)采用486雙控機(jī)，雙機(jī)熱備份；同時(shí)安裝2套可編程程序控制器，其中一套主要負(fù)責(zé)對(duì)彩色模擬屏幕的現(xiàn)實(shí)控制，另一套用于梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。調(diào)度中心的主要任務(wù)包括：①實(shí)時(shí)顯示和查詢8座梯級(jí)泵站的運(yùn)行狀態(tài)信息，從而獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；②控制并在7.0 m×3.0 m大型彩色模擬屏幕上顯示現(xiàn)實(shí)狀態(tài)、梯級(jí)泵站的重要信息；③對(duì)梯級(jí)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；④打印輸出系統(tǒng)各種運(yùn)行報(bào)表、圖表以及工作記錄等；⑤向控制中心的終端實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

在通信系統(tǒng)方面，調(diào)度中心和中心泵站通過(guò)有線方式進(jìn)行連接，并與其他7個(gè)泵站采用無(wú)線方式進(jìn)行連接，通信距離在20～40 km范圍內(nèi)。

4 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)RTU單元設(shè)計(jì)

在本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，每個(gè)泵站都安裝了1套R(shí)TU設(shè)備，共計(jì)設(shè)計(jì)8套設(shè)備，RTU主控設(shè)備采用某企業(yè)的SLC-5系列可編程控制器。在控制器中，開(kāi)關(guān)量輸入模塊為3塊1746-IB16，共計(jì)48個(gè)輸出點(diǎn)；開(kāi)關(guān)量輸出模塊為2塊1746-OB16，共計(jì)32個(gè)輸出點(diǎn)；模擬量輸出模塊為2塊1746-NI4，共計(jì)8個(gè)輸入通道。每個(gè)泵站都采用4個(gè)主泵和出水管電動(dòng)閘閥，遙測(cè)5個(gè)壓力值、1個(gè)流量以及2個(gè)液位；遙信4臺(tái)梯級(jí)泵站的開(kāi)關(guān)和停止信號(hào)，并對(duì)4臺(tái)梯級(jí)泵站的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；中心泵站額外配備的1個(gè)遙測(cè)pH值和溫度值的傳感器，共計(jì)遙測(cè)66個(gè)模擬量、60個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)；遙控32臺(tái)泵站的開(kāi)機(jī)、停機(jī)以及電動(dòng)閘閥。本次工程中泵站都采用就地、自動(dòng)以及遠(yuǎn)程控制功能[3]。

可編程邏輯控制器對(duì)于梯級(jí)泵站的控制，主要是按照進(jìn)水池液位高度，并對(duì)其上升和下降的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；為了避免出現(xiàn)干擾問(wèn)題，采用數(shù)字低通濾波方式，能夠有效防止梯級(jí)泵站頻繁啟動(dòng)的問(wèn)題出現(xiàn)，從而能夠提高控制效果，確保梯級(jí)泵站運(yùn)行的安全性?？删幊踢壿嬁刂破鲗?duì)于梯級(jí)泵站的控制流程為：讀入所測(cè)的參數(shù)到內(nèi)存→啟動(dòng)定時(shí)器→定時(shí)→將所有檢測(cè)的參數(shù)發(fā)送到接口→接口出現(xiàn)命令→設(shè)置成為遙控狀態(tài)→遙控開(kāi)啟泵站→遙控關(guān)閉泵站→調(diào)節(jié)泵站子程序→結(jié)束。

綜合來(lái)看，本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，RTU應(yīng)用程序具有如下5項(xiàng)功能：①實(shí)時(shí)采集梯級(jí)泵站的運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及酸堿度等超過(guò)10個(gè)模擬量數(shù)據(jù)；收集梯級(jí)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、中控?cái)?shù)據(jù)、格柵運(yùn)行數(shù)據(jù)等超過(guò)30個(gè)開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)；收集8路累積量數(shù)據(jù)。②與調(diào)度中心相連接，能夠?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠?qū)⒁恢軆?nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。③自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)梯級(jí)泵站的運(yùn)行狀態(tài)，與梯級(jí)泵站閥具有良好的聯(lián)動(dòng)性。④能夠自動(dòng)檢測(cè)梯級(jí)泵站自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)故障，當(dāng)檢測(cè)存在故障問(wèn)題后，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警提醒，從而能夠提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行安全性。⑤能夠?qū)崟r(shí)與調(diào)度中心進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)。

5 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

在本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，梯級(jí)泵站發(fā)送子程序控制流程如圖2所示。

圖2 梯級(jí)泵站發(fā)送子程序控制流程

本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用主從結(jié)構(gòu)模式，將調(diào)度中心作為通信主站，泵站RTU采用SLC-5結(jié)構(gòu)，作為從站，數(shù)據(jù)傳輸采用半雙工模式。調(diào)度中心的額計(jì)算機(jī)和泵站RTU之間的通信采用串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232C；調(diào)度中心工控機(jī)和泵站SLC-5都采用型號(hào)一樣的調(diào)制解調(diào)器TNC-22M，利用頻移鍵控FSK調(diào)制模式，傳輸速率設(shè)計(jì)為1 M/s，信道頻率設(shè)計(jì)為229.4 MHz，傳輸系統(tǒng)誤碼率需要低于1×10-5規(guī)定；無(wú)線電臺(tái)采用M338V型號(hào)，通信方式采用循環(huán)查詢模式。調(diào)度中心的通信功能包括雙行串口，能夠與有線信道和無(wú)線信道相連接，同時(shí)能夠與模擬屏幕和泵站SLC-5進(jìn)行通信。本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信模塊具體參數(shù)設(shè)計(jì)

本次梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)協(xié)議包括：①計(jì)算機(jī)到SLC的信令，接口至SLC信令；報(bào)頭（7E81）+信令+NN+參數(shù)+AA。②在SLC返回信令方面，報(bào)頭（7E8100NN），數(shù)據(jù)10WORDS模擬量+2WWORDS開(kāi)關(guān)量+8WRODS累積量+1B狀態(tài)量；在一天數(shù)據(jù)方面，報(bào)頭（7381FFmmnn），nn為數(shù)據(jù)信號(hào)，戶數(shù)包括模擬量97WORDS、開(kāi)光亮97WORDS以及脈沖量WRODS；在遙控方面，報(bào)頭7E8188NN的參數(shù)為00——信令已被確認(rèn)執(zhí)行，正在執(zhí)行；11——泵號(hào)不正確；22——泵正在執(zhí)行其他信令或不在中控，不能及時(shí)響應(yīng)命令；44——泵站故障，不能執(zhí)行命令；99——閥門故障，不能執(zhí)行命令；AA——水位已經(jīng)達(dá)到限值，不能進(jìn)行遙控。③SLC通信格式為8位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無(wú)校驗(yàn)，1 M/s。

6 梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展方向分析

通過(guò)上文的分析可以看出，通過(guò)采用自動(dòng)化技術(shù)，能夠在很大程度上提高梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)運(yùn)行控制效果、簡(jiǎn)化控制模型構(gòu)建工序以及全面提升運(yùn)行控制效率，所以自動(dòng)化技術(shù)在梯級(jí)泵站綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。但是因?yàn)槿狈?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中依然存在著一些問(wèn)題，所以為了提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，需要準(zhǔn)確掌握梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向。根據(jù)當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展方向具體如下。

精準(zhǔn)化發(fā)展方向。自動(dòng)化技術(shù)具有較高的控制效率，且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及人工智能技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，當(dāng)前梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)正在朝著更加精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，通過(guò)提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)控制精準(zhǔn)性，能夠有效減少控制所具有的誤差問(wèn)題，縮短控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，使其能夠按照當(dāng)前梯級(jí)泵站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的信令，使得梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行控制效果得以全面提升。

智能化發(fā)展方向。通過(guò)將自動(dòng)化與智能化技術(shù)相結(jié)合，能夠在很大程度上提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)智能控制水平，采用智能控制技術(shù)后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行控制，同時(shí)能夠根據(jù)當(dāng)前泵站運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)所發(fā)出指令進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，從而能夠全面提升運(yùn)行控制效率，保證梯級(jí)泵站的運(yùn)行能夠與當(dāng)前實(shí)際情況更加符合，是智能化控制技術(shù)所具有的重要作用。

高效節(jié)能化發(fā)展方向。自動(dòng)化技術(shù)能夠全面提升梯級(jí)泵站控制效率，且當(dāng)前梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)正在向著更加高效和節(jié)能的方向進(jìn)行發(fā)展，通過(guò)優(yōu)化控制技術(shù)，能夠減少梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的資源，符合梯級(jí)泵站發(fā)展要求，是提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要方式，通過(guò)與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，能夠全面降低梯級(jí)泵站運(yùn)行管理成本，從而提升工程經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文全面闡述梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本內(nèi)涵及其優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合具體工程案例，對(duì)梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的具體內(nèi)容進(jìn)行深入分析，最后總結(jié)了梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，希望能夠?qū)χ袊?guó)梯級(jí)泵站建設(shè)起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高梯級(jí)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)完善性。