張強，陳肖，張開勇

（1.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術學院，江蘇淮安 223001；2.江蘇嵐江科技有限公司，江蘇南京 210000）

根據(jù)“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案[1]，按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，中國水利系統(tǒng)正在向數(shù)字化方向變革，而水利信息中的水情監(jiān)測、引調(diào)水監(jiān)測、排灌監(jiān)測等數(shù)據(jù)均源于各大小水利泵站。泵站工程作為水利系統(tǒng)中取水、送水的重要基礎設施，主要負責區(qū)域的農(nóng)田灌溉、防洪排澇和日常生活供水等關系民生的重要任務[2]。泵站可選水泵種類眾多，而離心泵因具有流量范圍大、壓力平穩(wěn)、波動小、結構緊湊等特點被廣泛應用[3]。傳統(tǒng)的離心泵站站內(nèi)設備主要由3～5 臺離心泵、電動機、高壓開關柜、閥門、儀表、管路及管路附件等組成，而控制方法為基于繼電控制方法的手動控制，泵組內(nèi)配置的真空表、壓力表、溫度表等機械表均需要人工讀取，如遇故障或突發(fā)情況，需由泵站電話聯(lián)系匯報，并手動記錄檔案，在故障發(fā)生之后，無法及時采集泵房現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)[4]?；谏鲜鰡栴}，設計一種自動化的監(jiān)控系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)泵站系統(tǒng)的安全、可靠、高穩(wěn)定性運行，并在最大程度上實現(xiàn)無人值守。

1 控制系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)功能分析

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是對離心泵、電動機、水閘、閥控設備、傳感設備、泵組輔助設備、供電設備等關鍵組成部分的數(shù)據(jù)進行獲取、傳輸、顯示；能通過控制信號及邏輯指令實現(xiàn)對泵站設備的遠程控制、自動化運行，并將系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障匯總報表。通過分析，離心泵站性能及功能需求主要包括監(jiān)測功能、控制功能、保護功能、報警功能、存檔功能、報表功能、管理功能、聯(lián)網(wǎng)功能等，下面基于工程情況，參閱資料對控制系統(tǒng)設計目標制定如下。

1.1.1 實現(xiàn)控制方式多樣化

應能滿足多樣控制需求，控制方式至少包括手動、半自動和自動3 種。手動模式下需要操作人員手動點觸按鈕，打開、關閉閥門或電機，多用于設備檢修或者裝配試車等狀態(tài)。此種方式下，監(jiān)控主站仍然可以顯示各項數(shù)據(jù)，但是無法執(zhí)行主站啟停命令。手動模式具有最高的優(yōu)先控制權限，這種設定能夠保障整個系統(tǒng)在存在控制信號端故障時泵組仍能正常運行。半自動模式是為方便司機操作的人性化設計，在各項參數(shù)檢測正常、各項安全報警程序正常的前提下，由操作人員將監(jiān)控分站的模式旋鈕撥至半自動處，在監(jiān)控主站可以直接控制離心泵的啟停、進水門的開閉、灌泵方式的選擇等。自動模式下泵組系統(tǒng)可以在無人值守情況下自動運行，是一種控制器依據(jù)相關程序通過水位、水量、設定時間等信息自行開關水泵的控制模式。

1.1.2 實現(xiàn)泵站系統(tǒng)設備的電氣化和智能化

完成對泵站系統(tǒng)的技術改造和設備更新，加裝邏輯控制模塊、傳感器檢測模塊、水路電控閥門，使用多組合控制方式，實現(xiàn)泵站電氣化與智能化，減輕工作人員的操作負擔，使監(jiān)控、輸水工作過程更加簡單、直觀。

1.1.3 實現(xiàn)參數(shù)信息的量化

監(jiān)控主站以及上位機系統(tǒng)應滿足對泵組運行的關鍵數(shù)據(jù)，包括水位、軸溫、水泵機組電參量、閥控設備運行狀態(tài)、各水泵運行狀態(tài)等量化顯示的功能，在故障分析以及對泵組效率、工況分析中具有重要的參考價值。

1.1.4 完善故障報警與保護策略[5-6]

壓力保護：主要包括真空度和正壓值兩部分。離心泵必須在充滿水的前提下才能正常啟動，否則水泵轉動時將無法吸水，形成“干燒”，嚴重影響水泵的使用壽命，工程上采取檢測泵內(nèi)壁真空值的方式，判定到達條件后才能啟泵，這是保障開泵安全的重要措施。在水泵打開后，為防止發(fā)生水錘和增加離心泵運行負荷，不能直接打開閘閥，需要設置正壓保護，即出水口處壓力值達到出水管內(nèi)水平，才能開啟閘閥。

時限保護：在灌注環(huán)節(jié)，需要有時間限制來判斷是否因設備密封性不好而遲遲抽不滿水。而且，密封性問題一直以來都是水泵以及管路的主要問題之一，不容忽視。此外，各類閥門在啟停時也需要設置時限，以排除設備故障。

電流保護：離心泵在啟動時，瞬時電流會很大，但數(shù)秒之后便會維持在一定水平。如果運行時電流過小，電機干燒，應立即執(zhí)行關閉動作；如果電流過大，則會對線路造成損害。

溫度保護：離心泵長時間運行時，軸端溫度會升高。因此在溫度達到一定值時，設置報警，提示操作員停泵或換泵。

流量保護：在水泵運行時，水管內(nèi)水流量過小說明離心泵未在正常工作狀態(tài)，離心泵在該狀態(tài)長期運行，始終處于憋壓的狀態(tài)，會導致離心泵振動過大、汽蝕加劇、壽命減短。

水位保護：系統(tǒng)監(jiān)測到進水池水位異常時，可以報警提示。

在監(jiān)測到故障后，系統(tǒng)應能夠自動執(zhí)行停泵或報警操作，在監(jiān)控分站故障燈閃爍、監(jiān)控主站顯示屏上顯示并記錄報表。

1.2 系統(tǒng)結構

根據(jù)工程技術指標和以上分析，設計的離心泵站控制系統(tǒng)應由監(jiān)控分站、監(jiān)控主站以及上位機組成，其中監(jiān)控分站和主站均安裝在泵站，上位機安裝在指揮調(diào)度管理中心。

系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

監(jiān)控分站在工業(yè)上又稱就地控制柜、現(xiàn)地控制柜。按照每一臺離心泵配置一套監(jiān)控分站的比例，安置在離心泵一側。

監(jiān)控主站安置在泵站內(nèi)監(jiān)控室，分站采集的各項數(shù)據(jù)通過通信模塊均傳輸至主站，控制程序的調(diào)試與運行均在主站進行。

上位機設置在遠端的指揮調(diào)度管理中心，配備工業(yè)電視系統(tǒng)和工控機，主站數(shù)據(jù)由光纖通信傳輸至上位機，并顯示在工業(yè)電視系統(tǒng)上。工作人員在集控室可以實時監(jiān)控離心泵組運行狀況，并及時打印、記錄各時段數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

硬件系統(tǒng)包括控制柜、電纜、傳感器、各類閥門等設備。眾多PLC 里，由于S7-300 系列PLC 具有模塊化結構、易于分布式配置、性價比高等優(yōu)點，控制柜的主控制器便選用西門子S7-300 系列PLC。在設計控制系統(tǒng)時，需考慮留足裕量備用點，便于系統(tǒng)擴展與維護。

監(jiān)控分站的硬件設計主要如下：①運行模式切換。通過在分站控制柜上的三位旋鈕可自由切換其對應泵組的運行模式，設置手動、自動、半自動3 種，考慮系統(tǒng)在操作過程中的安全穩(wěn)定性，手動模式的優(yōu)先級最高。②閥門控制。針對每一臺離心泵組對應的控制灌注水方式的球閥、控制上排管路通斷的閘閥的控制信號以及判斷閥控設備開關到位的返回值信號，配置相應I/O 點。③LED 顯示。為了防止因設備故障導致泵組運行在非正常狀態(tài)，需分別在3 臺球閥開關到位、閘閥開關到位、真空泵運行、電機合閘、電機分閘等項上設置信號返回回路，并通過雙色LED 指示燈顯示運行狀態(tài)。④按鍵控制。采用點觸式按鈕以及二位、三位旋鈕的方式，實現(xiàn)對球閥、閘閥、離心泵、真空泵等進行控制。⑤模擬量采集。按照采集位置的不同可分為2 個部分。一是壓力、真空值、液位、流量等管路參數(shù)；二是水泵前軸溫、水泵后軸溫、電機前軸溫、電機后軸溫、電機定子溫等溫度參數(shù)。⑥通信。監(jiān)控分站數(shù)字量采集模塊采用ET200 分布式I/O 模塊，通過DP 總線的方式完成和監(jiān)控主站CPU 的通信，在高防開關與主站之間通過RS-485 通信完成電參量的采集，模擬量采集模塊選用捷通科技公司的DDMF 系列，為8 通道模擬量采集模塊，模擬量分辨率為12 bit，與PROFIBUS 總線系統(tǒng)完全兼容。分站硬件結構具體如圖2 所示。

圖2 分站硬件結構

監(jiān)控主站的硬件設計如下：①數(shù)據(jù)集中。監(jiān)控分站采集的泵組運行數(shù)據(jù)信息經(jīng)總線統(tǒng)一上傳到監(jiān)控主站，監(jiān)控主站通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與顯示屏連接，泵組數(shù)據(jù)除在本站顯示外，還由主站發(fā)出，經(jīng)光電交換機轉換為光纖信號后傳遞至遠程監(jiān)控調(diào)度指揮中心。②人機交互。監(jiān)控主站配置顯示屏，通過MCGS 組態(tài)技術，將數(shù)據(jù)信息以直觀方式顯示并記錄到顯示器中，并支持觸摸輸入控制命令。③監(jiān)控公共設備。包括真空泵組、進出水閘門等設備。主站硬件結構如圖3 所示。

3 軟件設計

3.1 控制流程

3.1.1 控制方式選擇

控制方式設定為3 種：手動控制、半自動控制、自動控制。手動控制模式優(yōu)先級最高，該模式下主站指令不會被執(zhí)行，但是主站觸摸屏仍然正常顯示相關參數(shù)，通過分站對每個對應泵組的閥門、泵體進行按鍵啟停操作。半自動控制模式優(yōu)先級僅次于手動控制，可以通過主站進行控制，還可以完成各泵組的一鍵啟動，分站模式選擇開關需撥至“半自動”擋。在自動控制模式下，不需要人員參與，系統(tǒng)依據(jù)設定程序運行。

3.1.2 離心泵組啟停控制

在離心泵開泵命令發(fā)出后，系統(tǒng)先判斷進水閘是否打開、是否存在故障未解決或復位，自檢無誤后進入啟泵階段。首先打開真空泵完成灌注工作，在檢測泵內(nèi)負壓達到條件后開啟離心泵，待出水口水壓滿足開閘閥條件后，開啟閘閥，同時關閉真空泵組，完成送水。在關停泵時需要先將閘閥關閉，最后停泵，為避免誤操作對送水造成影響，關泵指令發(fā)出后，系統(tǒng)會根據(jù)進水池水位判斷是否需要繼續(xù)輸送水，并在判定需要時報警提示。統(tǒng)計各泵啟停次數(shù)以便操作人員了解水泵啟停頻率耗損情況、定時維護，設置統(tǒng)計次數(shù)，完成后自動復位。

3.1.3 自動化運行設計

泵組自動化運行的執(zhí)行依據(jù)主要是進水池水位和涌水量，按實時水位信息對水位高、中、低三限位來判定是否開泵，按短時間內(nèi)水情增量來判定是否增開泵。為防止在低水位、高涌水情況下的頻繁啟泵，需要中水位的限制。水位可以反映當前水量多少，達到高水位時調(diào)用啟泵程序，低于低水位時調(diào)用停泵程序；預測涌水量則可以反映水量變化的快慢，當涌水過快時，即使未達到高水位也應采取緊急措施，提前開泵。

3.2 組態(tài)界面設計

上位機不僅要能夠滿足對泵組系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能，還需要對泵站內(nèi)各項數(shù)據(jù)進行整合、存儲，方便工作人員查找?；诖?，上位機設計結構包括畫面設計、數(shù)據(jù)管理兩大內(nèi)容。其中，畫面設計包括系統(tǒng)主界面設計、泵組監(jiān)控動畫設計、報警動畫設計、運行曲線界面設計、登錄端口與菜單欄系統(tǒng)設置等若干部分；數(shù)據(jù)管理包括報警數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)等。

4 結束語

在水利泵站系統(tǒng)信息化、智能化程度不斷提高的時代背景下，對離心泵站進行的自動化監(jiān)控系統(tǒng)改建符合時代特征，有利于提高泵站的管理水平和現(xiàn)代化發(fā)展水平。在系統(tǒng)投入運行后，可以根據(jù)水位信息、泵站自排流量、抽排水量等數(shù)據(jù)信息，為泵站節(jié)能建設、多級泵站聯(lián)動運行等方向的研究與開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。此外，該系統(tǒng)的應用還能夠提高工人的科學素養(yǎng)，在改善工作環(huán)境、降低工作強度的同時，也為建設現(xiàn)代化泵站體系提供寶貴經(jīng)驗。