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智慧泵站無(wú)人值守系統(tǒng)
無(wú)人值守泵站
摘要：華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬(wàn)人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個(gè)給水泵站供給。4個(gè)泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時(shí)輪流值班，管理成本極高。為了減少泵站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，管理部門(mén)要求將所有泵站改造成為無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運(yùn)行。
無(wú)人值守泵站工藝邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用
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1、項(xiàng)目背景
華北油田廊坊萬(wàn)莊礦區(qū)的生活小區(qū)有常駐人口8萬(wàn)人、板式樓房100余座，小區(qū)內(nèi)的生活用水分別由分布在小區(qū)東、南、西、北的4個(gè)給水泵站供給。4個(gè)泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小時(shí)輪流值班，管理成本極高。
為了減少泵站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，管理部門(mén)要求將所有泵站改造成為無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運(yùn)行。
2、設(shè)計(jì)思路及改造要求
首先要解決的就是數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，即將所有泵站的數(shù)據(jù)集中至中控室計(jì)算機(jī)，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。考慮到小區(qū)占地面積比較大，如果采用光纖傳輸，布線(xiàn)、施工難度大且時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。鑒于生活小區(qū)內(nèi)手機(jī)信號(hào)比較好，采用GPRS傳輸完全能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅腋脑焖俣瓤臁⒊杀镜停罱K確定采用GPRS的傳輸方式。
其次要解決的是給水泵站無(wú)人值守改造，需要解決大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制順序、邏輯以及各種故障自動(dòng)處理機(jī)制。這些問(wèn)題在有人員值班的時(shí)候很容易解決，一旦人員全部撤離后，如何保證泵站的正常運(yùn)行就比較困難。
給水泵站現(xiàn)場(chǎng)概況：泵站內(nèi)水源采自地下水，每個(gè)泵站均有1-3口水源井提供水源。多數(shù)水源井分布在站內(nèi)，個(gè)別水源井離泵站較遠(yuǎn)。給水泵站內(nèi)安裝地上蓄水罐1-5個(gè)，容量不一（大的蓄水罐容積700m3、小的蓄水罐容積為300 m3），蓄水罐底部通過(guò)管道連通，罐內(nèi)水位變化一致。站內(nèi)另安裝有3臺(tái)加壓泵，將蓄水罐內(nèi)的水變頻恒壓輸送至小區(qū)給水管網(wǎng)。工藝示意圖如下：
改造思路：在加壓泵組控制室安裝主監(jiān)控終端，用來(lái)采集水池液位、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)壓力并自動(dòng)控制加壓泵組的運(yùn)行。在站內(nèi)、站外水源井處分別安裝子監(jiān)控終端，每個(gè)子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺(tái)水源井。站內(nèi)子監(jiān)控終端采用串口電纜與主監(jiān)控終端連接，站外子監(jiān)控終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控終端聯(lián)網(wǎng)。泵站控制邏輯均由主監(jiān)控終端來(lái)處理。
主監(jiān)控終端內(nèi)采用邏輯控制器DATA-7301，該控制器接口豐富、I/O擴(kuò)展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個(gè)，第一路連接一臺(tái)DATA-6106 GPRS模塊，且設(shè)置為A型，可同時(shí)與監(jiān)控中心以及站外水源井子監(jiān)控終端通信；第二路連接站內(nèi)水源井子監(jiān)控終端；第三路預(yù)留。同時(shí)，邏輯控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)連接3臺(tái)I/O擴(kuò)展模塊（DATA-7302），分別控制3臺(tái)變頻加壓泵。
泵站監(jiān)控框架圖：
現(xiàn)場(chǎng)控制要求：多口水源井給蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加壓泵組加壓對(duì)外供出。所有水源井根據(jù)蓄水罐水位變化的趨勢(shì)（由于加壓泵出水不規(guī)則）能自動(dòng)控制潛水泵的啟、停，且自動(dòng)調(diào)整水泵啟動(dòng)個(gè)數(shù)，使每口水源井均衡用水，保證地下水位平穩(wěn)和延長(zhǎng)潛水泵的使用壽命，保持儲(chǔ)水罐水位始終在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，并支持水位超限報(bào)警、水池過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)停所有加壓泵。
3、控制邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
水源井自動(dòng)供水系統(tǒng)分為2部分，分別為蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報(bào)警的4個(gè)限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計(jì)算出需求流量，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，并根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行選泵，再根據(jù)水池端輸出的需求流量進(jìn)行控泵。
3.1 計(jì)算需求流量
△Q系統(tǒng)定時(shí)計(jì)算，得到水池需加減的瞬時(shí)流入量值△Q，從而得到精確控制開(kāi)關(guān)泵的數(shù)量與時(shí)機(jī)。因此準(zhǔn)確及時(shí)地計(jì)算△Q值，是水池邏輯控制的核心。
△Q根據(jù)水位信息、時(shí)間信息及各種設(shè)定參數(shù)，遵循一套水位控制策略計(jì)算得來(lái)。
如果采集時(shí)間沒(méi)到T1，則對(duì)采集的水位值求和，并計(jì)算采集次數(shù)n，根據(jù)采集次數(shù)計(jì)算水位值的平均值；
如果采集時(shí)間大于T1，則始終對(duì)T1內(nèi)的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時(shí)，水位值的和減去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次數(shù)n不變，之后計(jì)算水位值的平均值。
(2) 計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L
計(jì)算出當(dāng)前水位值后進(jìn)行備份Lbak = L，之后每隔T2時(shí)間取一次當(dāng)前水位值，并計(jì)算當(dāng)前水位變化值△L。
△L = L – Lbak
△L > 0表示水位處于上升趨勢(shì)；
△L < 0表示水位處于下降趨勢(shì)。
(3) 計(jì)算需求流量
△Q =△L*S/ T2*3600;
△L:上一步求得的結(jié)果。
S:水池底面積。
T2:取水位的間隔時(shí)間。
最后把計(jì)算結(jié)果*3600轉(zhuǎn)換成每個(gè)小時(shí)的需求流量。
3.2 水池水位控制策略
系統(tǒng)根據(jù)水池狀態(tài)進(jìn)行開(kāi)關(guān)泵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水池水位的控制。
(1) 水位下降
即發(fā)生水位線(xiàn)觸碰期望水位下限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)上升。直到水位觸碰期望水位，解除控制。
在該控制階段，定時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開(kāi)泵操作，使水位持續(xù)上升。此過(guò)程中，只執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作，不執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)作。
(2) 水位上升
即發(fā)生水位線(xiàn)觸碰期望水位上限后，系統(tǒng)進(jìn)入控制狀態(tài)，以確保水池水位持續(xù)下降。直到水位觸碰期望水位，此時(shí)結(jié)束控制。
在該控制階段，定時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制關(guān)泵，使水位持續(xù)下降。此過(guò)程中，只執(zhí)行關(guān)泵動(dòng)作，不執(zhí)行開(kāi)泵動(dòng)作。
此過(guò)程控制目標(biāo)：保持水位處于持續(xù)下降趨勢(shì)。
3.3 超調(diào)量
超調(diào)量是指需要開(kāi)關(guān)泵調(diào)控水位時(shí)，除了要抵消△Q外，要增加水位調(diào)控的速度而額外增加的流量或者開(kāi)關(guān)泵數(shù)：
△Q1=△Q+對(duì)應(yīng)水位的超調(diào)量采用查表法實(shí)現(xiàn)，下表是一個(gè)表樣例。
4、改造效果
四個(gè)供水泵站經(jīng)過(guò)以上邏輯改造，已經(jīng)完全符合無(wú)人值守泵站的要求，即無(wú)論在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能夠保證在期望范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)水罐水位智能控制水源井的啟動(dòng)個(gè)數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，避免水源井頻繁啟動(dòng)造成的泵損壞和加壓泵空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運(yùn)行能效、節(jié)約電能，完美實(shí)現(xiàn)了供水設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行和給水泵站的無(wú)人值守管理。
4個(gè)給水泵站改造至今已近2年的時(shí)間，整套系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2年內(nèi)共發(fā)生過(guò)兩次故障，均為繼電器故障，監(jiān)控中心及時(shí)獲得了報(bào)警信息，故障得以迅速解決。泵站經(jīng)過(guò)無(wú)人職守改造后，現(xiàn)場(chǎng)去掉了值班人員29人、增加了維護(hù)人員2人，大幅度降低了泵站運(yùn)營(yíng)成本并提高了故障響應(yīng)速度。
自2014年以來(lái)，該套泵站自控邏輯先后又在山西、甘肅、內(nèi)蒙等地的多處泵站改造項(xiàng)目中得到運(yùn)用，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，效果大大超出預(yù)期，得到了用戶(hù)的一致好評(píng)。
智慧泵站無(wú)人值守系統(tǒng)解決方案
適用范圍
智慧泵站無(wú)人值守系統(tǒng)適用于城市供水系統(tǒng)中加壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理。
泵站管理人員在監(jiān)控中心即可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)泵站水池水位或進(jìn)站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等；可遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制加壓泵組的啟停；光纖通信時(shí)，可圖像監(jiān)視站內(nèi)全景及重要工位，實(shí)現(xiàn)泵站無(wú)人值守。
系統(tǒng)組成
系統(tǒng)功能
軟件界面
現(xiàn)場(chǎng)展示
主要設(shè)備組成
1、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)（單個(gè)測(cè)點(diǎn)）
備注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。
2、監(jiān)控中心
備注：客戶(hù)也可直接租用“平升云平臺(tái)”，點(diǎn)擊“云平臺(tái)軟件”了解詳情。
應(yīng)用案例
案例一、華北油田萬(wàn)莊礦區(qū)供水智慧泵站無(wú)人值守系統(tǒng)
項(xiàng)目需求：
華北油田萬(wàn)莊生活區(qū)的生活用水分別由東、南、西、北4個(gè)恒壓供水泵站供應(yīng)，每個(gè)泵站的水源來(lái)自1~3口水源井。供水系統(tǒng)采用人工值守的方式管理，由32名工人24小時(shí)輪流值班，管理成本極高。
為減少泵站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，管理部門(mén)要求將所有泵站改造成為無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行泵站，希望僅配置少量設(shè)備維護(hù)人員即可保障泵站的正常運(yùn)行。
工藝流程圖：
系統(tǒng)說(shuō)明：
1、通信及組網(wǎng)
4個(gè)泵站分布在小區(qū)的東、南、西、北四個(gè)方向，如系統(tǒng)采用有線(xiàn)方式傳輸，則布線(xiàn)、施工難度大且時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。鑒于小區(qū)內(nèi)GPRS信號(hào)較好，采用GPRS通訊完全能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅腋脑焖俣瓤臁⒊杀镜停宰罱K采用GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸。
監(jiān)控中心不具備上網(wǎng)條件且水源井、泵站監(jiān)控設(shè)備之間需要自主通信，因此系統(tǒng)需要采用 VPN專(zhuān)網(wǎng)模式進(jìn)行組網(wǎng)，每套設(shè)備里面都安裝了GPRS-VPN專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡。
2、系統(tǒng)功能
① 泵站監(jiān)控終端DATA-9201作為主監(jiān)控終端，安裝于供水泵站內(nèi)，采集蓄水罐水位、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量、泵組運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，并根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制加壓泵組的運(yùn)行。
② 水源井監(jiān)控終端DATA-9201作為子監(jiān)控終端，安裝于各水源井泵房，每個(gè)子監(jiān)控終端監(jiān)控一臺(tái)水源井，采集水源井水位、流量、泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、泵運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)供水泵站內(nèi)蓄水罐水位、各泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)控制各水源井為蓄水罐補(bǔ)水。
③ 各泵站、水源井的水泵狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)、管道壓力、管道流量、蓄水罐水位等數(shù)據(jù)全部上報(bào)給監(jiān)控中心；數(shù)據(jù)越限，設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向管理人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。
3、自動(dòng)供水實(shí)現(xiàn)原理
自動(dòng)供水系統(tǒng)分為兩部分，即供水泵站蓄水罐端和水源井端。
供水泵站蓄水罐端：泵站監(jiān)控終端DATA-9201采集水罐水位，并設(shè)定期望水位值、期望水位變化值△、水位報(bào)警的4個(gè)限值，根據(jù)當(dāng)前水位的狀態(tài)及水位變化值計(jì)算出需求流量，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)停泵站加壓泵組，停止對(duì)外供水。
水源井端：水源井監(jiān)控終端DATA-9201采集水源井水位、水源井流量、泵狀態(tài)、泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)水泵狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行選泵（實(shí)現(xiàn)各水源井水泵均衡運(yùn)行）并根據(jù)泵站監(jiān)控終端輸出的需求流量進(jìn)行自主啟、停泵操作為水罐補(bǔ)水，使蓄水罐水位一直在期望值范圍內(nèi)。
應(yīng)用效果：
經(jīng)升級(jí)改造后，供水系統(tǒng)無(wú)論在供水高峰期或低峰期，都能夠保證水罐水位在期望值范圍內(nèi)。主、子監(jiān)控終端根據(jù)蓄水罐水位智能控制水源井水泵的啟動(dòng)個(gè)數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，避免了水泵頻繁啟動(dòng)和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。
泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，提高了水泵運(yùn)行效率、大大節(jié)約了電能、縮減了27名工作人員，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)無(wú)人值守的需求，達(dá)到了減員增效的目的。
案例二、安徽某水廠(chǎng)取水泵站無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
項(xiàng)目需求：
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