[摘 要]文章對泵站控制系統(tǒng)的設計進行了探討。分析了其關鍵組成部分、設計原則及設計方法，包括適當選用控制設備、上位控制技術、計算泵站的實時總流量及融入可編程邏輯控制器等，可為泵站控制系統(tǒng)的設計提供有價值的參考和指導。

[關鍵詞]泵站；控制系統(tǒng)；設計原則；智能化；自動化；遠程控制

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]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 泵站控制系統(tǒng)的基本構成與功能

1.1 泵站控制系統(tǒng)基本組成

（1）電源系統(tǒng)。其對整個控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定供電，保證各電氣元件及裝置可正常運行。為保障設備正常運行，泵站須配置雙電源配電柜及UPS不間斷電源。雙電源控制柜容量必須大于泵房內所有用電設備的容量。UPS不間斷電源須滿足控制系統(tǒng)及應急單元設備1 h用電量。

（2）PLC控制系統(tǒng)。其是實現(xiàn)泵站操作監(jiān)控的中心，其根據(jù)泵站運行的需要，由PLC、繼電器等電氣元件控制變頻器，閥門等，實現(xiàn)水泵啟停，壓力和流量的調控。PLC控制系統(tǒng)的設計需充分考慮泵站工藝流程及運行特性，保證控制邏輯準確可靠。PLC控制系統(tǒng)由人機界面及監(jiān)控系統(tǒng)組成，人機界面為操作人員提供直觀操作界面，便于對泵站運行狀態(tài)進行監(jiān)測與控制。監(jiān)控系統(tǒng)對控制系統(tǒng)進行持續(xù)的實時監(jiān)測和故障檢測，一旦檢測到任何故障或不正常的狀況，會迅速發(fā)出警報，提醒操作員采取相應措施。

（3）傳感器與檢測裝置。這些裝置可對泵站水位、進出水流量和壓力等多種運行參數(shù)進行實時檢測，并將這些信息轉換成電信號傳送到PLC控制系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)能夠依據(jù)這些反饋信號自動調整泵站出水壓力和流量，并優(yōu)化運行。

（4）保護系統(tǒng)。為了確保電氣設備和系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行，保護系統(tǒng)配備了多種電氣保護設備。在遇到不正常的狀況時，保護系統(tǒng)有能力迅速斷開電源或實施其他防護手段，以避免設備的損壞和管網(wǎng)爆漏等意外事故的發(fā)生。

（5）網(wǎng)絡系統(tǒng)。泵站主控系統(tǒng)網(wǎng)絡必須與數(shù)據(jù)傳輸外部網(wǎng)絡隔離，不可將泵站控制系統(tǒng)中的控制單元暴露在外部網(wǎng)絡。在數(shù)據(jù)采集傳輸設備與泵站主控系統(tǒng)中，應采用485串口進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)采集傳輸設備不具有遠程升級更新功能，不能遠程修改及下載程序，不能響應通信規(guī)約約定內容之外的指令，數(shù)據(jù)采集傳輸設備必須具有AES-128加解密功能，必須實現(xiàn)密鑰更新指令及密鑰動態(tài)生成算法。

1.2 泵站控制系統(tǒng)作用

（1）控制系統(tǒng)主要作用在于實現(xiàn)水泵精確控制出水壓力及流量。通過對控制回路進行邏輯運算，各電氣元件協(xié)同工作，使系統(tǒng)能按設定程序自動或手動啟動，停止或調節(jié)水泵工作狀態(tài)，該精確控制在提高水泵運行效率的同時也可減少能耗，并具有防水錘等功能，使設備使用壽命得以延長。

（2）控制系統(tǒng)有較強的監(jiān)測與診斷功能，利用傳感器及檢測裝置可對泵站各運行參數(shù)進行實時采集，該系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)進行處理與分析，發(fā)現(xiàn)異常并及時報警，同時該系統(tǒng)也能快速定位并診斷出故障，給維修人員準確地提供故障信息，減少處理故障的時間并提高維修效率。

（3）控制系統(tǒng)具有優(yōu)化運行作用，該系統(tǒng)通過對泵站運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析可以找到最佳運行模式及參數(shù)設置，以達到泵站高效運行的目的。同時該系統(tǒng)也可根據(jù)實際需要對水泵運行狀態(tài)進行調節(jié)，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

（4）控制系統(tǒng)采納了眾多的電氣防護手段和故障處理策略，確保在出現(xiàn)異常時能夠迅速斷開電源或實施其他防護手段，從而避免設備的損傷和意外事故。同時該系統(tǒng)具有自診斷、自恢復能力，能對故障進行一定范圍內的自動修復，增強系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)的設計原則

（1）設計之初需要對該系統(tǒng)的功能需求、性能需求及運行環(huán)境做深入調查與分析，其中包括綜合考慮泵站工藝流程、設備特點、運行環(huán)境和操作人員要求等?？刂葡到y(tǒng)應具備不依賴于PLC而獨立和多泵自動運行的能力。該系統(tǒng)還應具備手動控制、壓差式自動控制、變頻自動控制及遠程控制4種模式。手動模式優(yōu)先級高于自動模式，遠程優(yōu)先級最低。

（2）控制系統(tǒng)是泵站中最核心的部分，其穩(wěn)定直接影響整個泵站是否能夠正常工作，所以在進行設計時一定要充分考慮到可能發(fā)生的各類異常情況，以及相應的保護措施與故障處理機制，如通過安裝電氣保護裝置，利用冗余設計來增強系統(tǒng)容錯能力及抗干擾能力。同時也要求系統(tǒng)經過嚴格的試驗與驗證以保證系統(tǒng)在多種極端情況下穩(wěn)定可靠。此外，在設計時一定要嚴格按照國家有關電氣安全標準及規(guī)范進行，保證系統(tǒng)電氣元件、設備及整體系統(tǒng)滿足安全要求。

（3）考慮操作人員安全問題，應設立緊急停機按鈕，以防誤操作或意外情況帶來的損失。還要對系統(tǒng)的控制邏輯與算法進行優(yōu)化，以提高響應速度與執(zhí)行效率。同時還要考慮到系統(tǒng)能耗情況，并通過采取節(jié)能措施及技術手段降低運行成本。

（4）對大型復雜泵站可考慮使用分布式控制或智能控制，以提升系統(tǒng)自動化水平及運行效率?？蓴U展性與可維護性在控制系統(tǒng)設計中同樣不容忽視，在泵站日益擴大、技術日益更新的情況下，設計時應充分考慮系統(tǒng)可擴展性問題，并給后續(xù)升級改造留足余地。同時還要兼顧系統(tǒng)可維護性，提供便捷維護接口與工具，減少維護成本。

（5）設計過程中要充分考慮操作人員操作習慣及特點，給出直觀易用的操作界面及友好的人機交互方式，這樣既可降低操作難度及錯誤率，又可提高操作人員工作效率及滿意度。同時還應具備分級密碼保護及重要參數(shù)二次確認功能。設立不同的安全操作等級，針對不同的操作者，設置相應的密碼等級，記錄操作人員及其操作信息。

3 泵站控制系統(tǒng)的設計方法

3.1 選用適當控制設備

（1）根據(jù)泵站規(guī)模、工藝流程及運行特點決定控制設備種類及數(shù)量。大型泵站需要使用高性能的PLC（如西門子S7-1500/S7-1200系列）作為核心控制設備，以實現(xiàn)對多個水泵的精確控制和協(xié)調運行。小型泵站可選用較經濟PLC（如西門子S7-200系列或國產頭部品牌）作為核心控制設備。

（2）重視控制設備性能參數(shù)及技術指標。包括裝置處理能力、響應時間、精度和穩(wěn)定性。只有當這些參數(shù)均滿足泵站運行需求時，才能夠保證系統(tǒng)正常、高效運轉。同時，還要考慮設備兼容性、擴展性等問題，這樣系統(tǒng)升級或擴充時就可容易替換或添加設備。

（3）泵站一般工作環(huán)境惡劣，所以選用的設備要有較好的抗干擾能力以及防護等級來應對多種不利因素。同時，設備使用壽命及維護周期要滿足長期運行需要，才能降低設備故障造成的危害。

（4）在達到性能要求時，要盡可能多地選用性價比較好的器件，從而減少系統(tǒng)整體建設成本。同時，還要考慮到設備售后服務以及技術支持的狀況，以保證當設備發(fā)生故障或問題時可及時解決。

3.2 上位控制技術

上位控制即處于控制系統(tǒng)上層的控制策略與管理策略，通過集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析及指令下發(fā)等方式對泵站整體運行狀態(tài)進行準確控制。該技術在提高泵站工作自動化水平的同時，也極大地加強了系統(tǒng)可靠性與安全性。具體而言，將上位控制技術應用于泵站主要包括以下幾點。

（1）通過設置中央控制室對泵站各設備進行集中監(jiān)測。中央控制室一般都配有高性能計算機及專業(yè)監(jiān)控軟件，可對各個設備運行狀態(tài)、工作參數(shù)及故障信息等進行實時顯示，于操作人員以綜合信息支持。

（2）上位控制技術運用數(shù)據(jù)分析功能對泵站運行數(shù)據(jù)進行處理與分析。對歷史數(shù)據(jù)進行挖掘與比對能夠發(fā)現(xiàn)設備運行過程中存在的潛在問題，并預測其未來運行趨勢從而提供決策依據(jù)，另外，上位控制技術可根據(jù)實際需求遠程調節(jié)泵站運行參數(shù)，以達到準確控制泵站運行狀況的目的。

在實際工作中上位控制技術需和其他控制系統(tǒng)協(xié)同配合，才能對泵站整體綜合控制，例如，上位控制系統(tǒng)能夠通過與PLC（可編程邏輯控制器）以及其他現(xiàn)場控制設備進行通訊，實時捕獲現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并據(jù)此發(fā)布相應的控制命令。同時上位控制系統(tǒng)也可接入遠程監(jiān)控系統(tǒng)以達到遠程監(jiān)控及故障診斷的目的。值得關注的是，上位控制技術在實現(xiàn)過程中需充分考慮泵站自身的條件與需求，設計時，需根據(jù)泵站大小，設備類型及運行要求，選用適當?shù)纳衔豢刂栖浖坝布O備進行合理配置及調試。另外，需建立良好的安全措施與故障處理機制，保證上位控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行與數(shù)據(jù)安全。

3.3 計算泵站的實時總流量

泵站控制系統(tǒng)中泵站總流量的實時計算是保證系統(tǒng)有效工作的關鍵環(huán)節(jié)。實時計算總流量不僅可反映泵站運行情況，而且可為優(yōu)化調度和節(jié)能降耗等工作提供重要基礎。所以在泵站控制系統(tǒng)設計中需充分考慮泵站總流量實時計算方法與策略。泵站總流量實時計算方法較多，常用的有基于傳感器與計量設備直接測量。通過泵站進、出水口設置流量計等計量設備可實時采集泵站進、出水的流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由信號傳輸系統(tǒng)送入中央控制室并由上位控制系統(tǒng)進行處理分析后最終獲得泵站總流量。

具體實現(xiàn)時，先要選擇適當?shù)牧髁坑嬵愋团c規(guī)格以保證其測量精度與穩(wěn)定性符合要求。同時，流量計需定期校準與維修才能確保其測量數(shù)據(jù)準確。另外，為減小測量誤差可通過多點測量和數(shù)據(jù)平均來處理數(shù)據(jù)。除直接測量法外，也可采用數(shù)學模型及算法間接地計算泵站總流量，該方法以泵站運行參數(shù)及物理特性為依據(jù)，通過構建數(shù)學模型及算法實現(xiàn)泵站總流量預估。對泵站總流量進行實時計算時，還要考慮數(shù)據(jù)傳輸與處理的實時性問題。為保證數(shù)據(jù)的及時性與準確性，必須使用有效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)處理算法降低數(shù)據(jù)傳輸與處理時的延遲與錯誤。

3.4 融入可編程邏輯控制器

將PLC整合到泵站的控制系統(tǒng)中，是提高系統(tǒng)智能化和自動化水平的關鍵。PLC由于具有邏輯控制功能強，高可靠性，易用性和靈活性等特點，已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。

（1）PLC可顯著提升控制系統(tǒng)智能化水平。通過編程，PLC能根據(jù)泵站實時運行數(shù)據(jù)自動調節(jié)控制參數(shù)，達到精準控制。同時PLC支持各種傳感器與執(zhí)行機構連接，可實現(xiàn)泵站內各類設備及環(huán)境綜合監(jiān)測。

（2）PLC具有高可靠性，可確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定工作。PLC抗干擾能力強、防護等級高，可在苛刻環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。另外，PLC具有自診斷的功能，可在發(fā)生故障的情況下及時發(fā)出警報，方便維修人員迅速定位和解決。

4 結束語

通過深入探究泵站控制系統(tǒng)，文章明確了設計原則及方法。在實踐中，針對泵站特定的要求及環(huán)境條件靈活地運用這些設計方法與策略，可使系統(tǒng)高效穩(wěn)定可靠地運行。同時，在科技不斷進步的情況下，控制系統(tǒng)設計會得到不斷的發(fā)展與進步，以給泵站今后的發(fā)展帶來了更大的可能性。

參考文獻

[1] 郭義軍.浮動式岸邊固定取泵站的選型及控制系統(tǒng)設計[J].電氣時代，2022（11）：95-99.