張琪岳

（蘭州市中川上水綠化管理處，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

水利工程運(yùn)行管理期間，泵站發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是在防汛防旱方面可以發(fā)揮資源調(diào)度的作用。依靠智能化技術(shù)進(jìn)行泵站自動(dòng)化控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與遠(yuǎn)程控制，及時(shí)對(duì)泵站系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控分析，轉(zhuǎn)變以往人工操作的模式，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，保障泵站安全。

1 泵站智能化技術(shù)的特點(diǎn)與功能

泵站系統(tǒng)中，智能化技術(shù)有著實(shí)用性、安全性以及可維護(hù)性的特點(diǎn)。泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分層分布的方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信機(jī)構(gòu)進(jìn)行從上到下的不間斷控制，各層時(shí)間數(shù)據(jù)互通性較高，實(shí)用性較強(qiáng)，可有效提高泵站工作效率。系統(tǒng)可在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化與傳輸數(shù)據(jù)，并在不同板塊完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)核對(duì)和檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員操作失誤問(wèn)題，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示并禁止錯(cuò)誤操作，以此保障系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。泵站系統(tǒng)需進(jìn)行定期的設(shè)備維護(hù)，所以自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要以安全維護(hù)為重要條件，采用智能化、模塊化技術(shù)展開(kāi)系統(tǒng)的定期檢查，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

泵站智能化技術(shù)的主要功能大致包含如下：①數(shù)據(jù)采集與處理。泵站自動(dòng)化控制可對(duì)不同控制單元內(nèi)的數(shù)據(jù)及時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與處理，主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集非電量信息，再對(duì)數(shù)據(jù)分類(lèi)整理，清除其中的誤差與錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，壓縮最終數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于終端，方便系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。②監(jiān)控系統(tǒng)安全運(yùn)行，安全性是泵站系統(tǒng)運(yùn)行的重要指標(biāo)，所以對(duì)系統(tǒng)安全監(jiān)控是泵站的主要工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)主界面對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。以多狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行設(shè)備定期檢查，遇到異常問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，方便人員及時(shí)展開(kāi)維修。對(duì)設(shè)備運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)與參數(shù)定期分析，及時(shí)發(fā)展故障與隱患，加強(qiáng)對(duì)電容柜與閘門(mén)的安全監(jiān)控，做好設(shè)備異常判斷。③實(shí)時(shí)控制與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)。對(duì)泵站系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，通?？刹捎米詣?dòng)或手動(dòng)操作，完成水泵啟停、設(shè)備故障檢測(cè)等。系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與評(píng)估，判斷設(shè)備異常情況，提高泵站運(yùn)行效率[1]。

2 泵站自動(dòng)化控制智能化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 智能化技術(shù)用于泵站遠(yuǎn)程控制

采用智能化技術(shù)進(jìn)行泵站的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)，為自動(dòng)采集設(shè)備壓力與溫度等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，將傳感器安裝在系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)覆蓋泵站，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的有效傳輸，再通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)度信息與參數(shù)統(tǒng)一處理，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。人工智能化可對(duì)泵站進(jìn)行智能巡檢，移動(dòng)巡檢系統(tǒng)對(duì)巡查軌跡與現(xiàn)在進(jìn)行分析，完成工作記錄，系統(tǒng)具有信息預(yù)警提示功能，可提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，經(jīng)過(guò)設(shè)備異常檢測(cè)，提出合理的解決建議，向巡檢人員展示具體信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的集中管理。

泵站內(nèi)采用機(jī)組LCU 柜，與前端遠(yuǎn)程測(cè)控裝置實(shí)施通訊，在模擬量信號(hào)與開(kāi)關(guān)量信號(hào)的通訊服務(wù)下，PLC 系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊與上位系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換，如圖1 所示，各串口通信智能設(shè)備在通訊服務(wù)器的作用下進(jìn)行串口，與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議互換，泵站進(jìn)入PLC 系統(tǒng)。采用現(xiàn)地模式對(duì)泵站機(jī)組與供電系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制與條件，LCU 即現(xiàn)地控制單元進(jìn)入控制模式后，水泵機(jī)組得到遠(yuǎn)程控制[2]。

圖1 基于PLC 的泵站遠(yuǎn)程控制

2.2 智能化技術(shù)用于低壓調(diào)速節(jié)能

2.2.1 自動(dòng)化控制平臺(tái)

泵站作為水利建筑的主體工程，通常由電機(jī)、水泵及輔助設(shè)備構(gòu)成，電機(jī)負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，輔助設(shè)備保障水泵與電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，因此泵站需要由電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備工作，以電能來(lái)克服重力勢(shì)能，增強(qiáng)水流動(dòng)能。創(chuàng)建泵站自動(dòng)化控制平臺(tái)，憑借智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵站的低壓節(jié)能，將泵站自動(dòng)化控制單元分為“管理級(jí)”“控制級(jí)”與“現(xiàn)場(chǎng)級(jí)”3 個(gè)級(jí)別，形成封閉回路，完成泵站調(diào)度工作。自動(dòng)化控制單元可以將采集到的數(shù)據(jù)立即傳遞給系統(tǒng)，泵站人員得到可視化數(shù)據(jù)信息后，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站動(dòng)態(tài)化控制，如圖2 所示，基于反饋補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的合理控制，根據(jù)液位范圍與目標(biāo)液位流量，經(jīng)過(guò)變頻控制掌握集液池實(shí)時(shí)液位與流量情況。

圖2 泵站動(dòng)態(tài)化控制

2.2.2 低壓調(diào)速節(jié)能

泵站工作期間，水泵與電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)24h 不間斷工作，水泵將水抽出，電機(jī)帶動(dòng)水泵工作，水泵與電機(jī)的工作會(huì)對(duì)泵站能耗產(chǎn)生影響。應(yīng)用智能化技術(shù)降低泵站自動(dòng)化能耗，有必要提高電機(jī)與水泵的工作效率。水泵不間斷工作會(huì)有一定的故障隱患，并消耗一定電力，依靠自動(dòng)化控制平臺(tái)，對(duì)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，采用編程控制的方法提高水泵對(duì)信號(hào)的接收能力。通過(guò)遠(yuǎn)程控制，完成電機(jī)交流電-直流電-交流電轉(zhuǎn)變的控制，其電流變頻轉(zhuǎn)變?cè)砣缡剑?）所示。

式中：n——泵站電機(jī)轉(zhuǎn)速；f——電流頻率；p——機(jī)電級(jí)數(shù)。

P 固定時(shí)可改變f 來(lái)調(diào)整n 的大小，也就是調(diào)整電流頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，提高轉(zhuǎn)數(shù)，降低電機(jī)工作電壓，憑借智能化技術(shù)完成電機(jī)電流變頻，年輕電流波動(dòng)，有利用機(jī)械沖擊將電機(jī)的熱量帶動(dòng)水泵運(yùn)行，降低電機(jī)運(yùn)行能耗。為消除不同設(shè)備間的差異性，對(duì)泵站自動(dòng)化控制情況進(jìn)行研究，表1 為泵站參數(shù)情況[3]。

表1 泵站參數(shù)

基于泵站自動(dòng)化控制模式掌握電機(jī)工作效率與電能消耗情況，其中1#機(jī)組采用自動(dòng)化控制技術(shù)，2#機(jī)組使用傳統(tǒng)控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)機(jī)組運(yùn)行能耗的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化控制下的泵站工作效率提升了33.07%，千噸水電耗降低37.9kW·h。泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表2 所示。

表2 泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 智能化技術(shù)用于電氣自動(dòng)控制

2.3.1 專(zhuān)家系統(tǒng)

泵站內(nèi)的電氣設(shè)備在工作期間會(huì)受流量、壓力等參數(shù)的影響，參數(shù)不同，設(shè)備工作狀態(tài)也會(huì)不同。僅依靠自動(dòng)化控制系統(tǒng)計(jì)算的理論值與預(yù)算設(shè)置的程序，是無(wú)法對(duì)泵站機(jī)組與設(shè)備進(jìn)行有效調(diào)試，難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備磨損問(wèn)題。采用專(zhuān)家系統(tǒng)，建立知識(shí)庫(kù)與專(zhuān)家智能控制系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果為參考，經(jīng)過(guò)過(guò)程模擬試驗(yàn)，推理不同狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行的問(wèn)題，完成對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化調(diào)試分析。

2.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

借助一定的測(cè)試檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行工況與性能，再依據(jù)測(cè)試內(nèi)容制作設(shè)備性能曲線，為接下來(lái)設(shè)備檢測(cè)與智能化控制提供參考依據(jù)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于有限離散數(shù)據(jù)下的泵機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，確立以泵機(jī)組設(shè)備特征為基礎(chǔ)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將其用于設(shè)備性能參數(shù)計(jì)算。

2.3.3 模糊邏輯控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)需依靠計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，這是一種閉環(huán)式結(jié)構(gòu)的數(shù)字化控制系統(tǒng)，使用智能模糊控制器對(duì)泵站運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行控制與模擬，結(jié)合設(shè)備負(fù)荷變化與流量變化，構(gòu)建隸屬參數(shù)，以此與設(shè)備狀態(tài)相互對(duì)應(yīng)，提高泵站工作效果。采用模糊控制的方式，降低泵站電氣自動(dòng)化控制的危險(xiǎn)性，提高泵站運(yùn)行效率。

2.4 泵站智能化技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.4.1 總體框架

當(dāng)前某水利樞紐泵站工程以完成自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與設(shè)備自動(dòng)化控制，但其自動(dòng)化控制的智能化程度不足，泵站啟停的自動(dòng)化操作僅是將控制開(kāi)關(guān)從開(kāi)關(guān)柜前集中于計(jì)算機(jī)，但實(shí)際操作依然靠人工完成。目前泵站運(yùn)行期間各項(xiàng)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性能為達(dá)到智能化控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，有必要強(qiáng)化智能化技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)泵站智能化技術(shù)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。以模塊化數(shù)據(jù)體系進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)源加以統(tǒng)一，系統(tǒng)分析與處理核心位于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，以此簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析工作量。圖3 為該泵站智能化設(shè)計(jì)方案的大致框架。

圖3 泵站智能化設(shè)計(jì)方案大致框架

2.4.2 智能研判體系

由圖3 可知，方案以智能研判體系、智能控制系統(tǒng)為核心，其中智能研判體系涵蓋了智能抽取、智能分析、智能報(bào)告等模塊內(nèi)容，以一體化管控平臺(tái)為前提，對(duì)平臺(tái)中的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的深度分析，對(duì)泵站當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)展開(kāi)精準(zhǔn)研判[4]。

智能抽取模塊可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)抽取分析，判斷其中的偏差情況，按照精大誤差判別轉(zhuǎn)折，提出同類(lèi)型數(shù)據(jù)內(nèi)偏差較大的可疑值。再經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性篩選，依靠智能算法剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。最后，將相同類(lèi)型數(shù)據(jù)依靠數(shù)值統(tǒng)計(jì)的方法整理為單個(gè)值，為接下來(lái)的智能分析奠定基礎(chǔ)。

智能分析模塊基于人工智能，對(duì)大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速抽取與計(jì)算，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的智能分析，得到泵站運(yùn)行期間的特征參數(shù)，綜合泵站實(shí)際情況提出預(yù)警。其中，短期研判預(yù)警主要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)盡心處理，如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)階躍，系統(tǒng)會(huì)提出短期預(yù)警；長(zhǎng)期預(yù)警就是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與前后時(shí)間內(nèi)的泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合，展開(kāi)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析，如果出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)的階躍，在超過(guò)系統(tǒng)閾值后進(jìn)行預(yù)警；故障診斷預(yù)警，即對(duì)采集到的數(shù)據(jù)加以分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題，精準(zhǔn)進(jìn)行故障診斷預(yù)警，盡快提示管理員進(jìn)行故障維修。

智能報(bào)告模塊主要利用泵站運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)、溫度、噪聲等二次效應(yīng)參數(shù)變化趨勢(shì)與預(yù)警情況，以主機(jī)組、電氣設(shè)備安全狀態(tài)作為單元，將所有采集到的數(shù)據(jù)展開(kāi)智能關(guān)聯(lián)分析，編制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能報(bào)告，通過(guò)故障樹(shù)來(lái)展示報(bào)告結(jié)果，為設(shè)備維修提供參考。

2.4.3 智能控制系統(tǒng)

泵站運(yùn)行期間消耗較大，為實(shí)現(xiàn)泵站優(yōu)化調(diào)度，智能控制系統(tǒng)根據(jù)泵站運(yùn)行工況與供水量，確定泵站最佳運(yùn)行方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的優(yōu)化。泵站智能控制如圖4 所示，中心控制室負(fù)責(zé)對(duì)操作面板、PLC、CRT 彩色顯示屏、打印機(jī)的整體控制，完成電網(wǎng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵與閘門(mén)等設(shè)備的監(jiān)控。泵站智能化控制可一鍵自動(dòng)啟停，減少人為干預(yù)，管理人員可直接在手機(jī)客戶端控制設(shè)備操作[5]。

圖4 泵站智能控制

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著信息化建設(shè)的發(fā)展，智能化與自動(dòng)化成為水利工程發(fā)展的主要趨勢(shì)，其技術(shù)對(duì)泵站運(yùn)行提供了幫助。以泵站實(shí)際運(yùn)行環(huán)境為基礎(chǔ)，加強(qiáng)對(duì)智能化技術(shù)的應(yīng)用，完成泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，降低人員工作壓力，使泵站巡檢工作更加便捷，提高泵站運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，在完成水資源優(yōu)化調(diào)度與合理調(diào)控的同時(shí)，降低運(yùn)行能耗。