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--智慧泵站無人值守系統工藝邏輯設計及應用

供稿︰唐山平升電子技術開發有限公司 2019/3/8 10:17:14

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  • 關鍵詞︰ 智慧泵站無人值守系統 無人值守泵站
  • 摘要︰華北油田廊坊萬莊礦區的生活小區有常駐人口8萬人、板式樓房100余座,小區內的生活用水分別由分布在小區東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式,由32名工人24小時輪流值班,管理成本極高。為了減少泵站運營費用,管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站,希望僅配置少量設備維護人員即可保障泵站的正常運行。

無人值守泵站工藝邏輯設計及應用

1、項目背景

華北油田廊坊萬莊礦區的生活小區有常駐人口8萬人、板式樓房100余座,小區內的生活用水分別由分布在小區東、南、西、北的4個給水泵站供給。4個泵站均采用人工值守的工作方式,由32名工人24小時輪流值班,管理成本極高。

 為了減少泵站運營費用,管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站,希望僅配置少量設備維護人員即可保障泵站的正常運行。

2、設計思路及改造要求

首先要解決的就是數據傳輸問題,即將所有泵站的數據集中至中控室計算機,以便于遠程監控。考慮到小區佔地面積比較大,如果采用光縴傳輸,布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于生活小區內手機信號比較好,采用GPRS傳輸完全能夠滿足數據實時傳輸的要求,且改造速度快、成本低,最終確定采用GPRS的傳輸方式。

 其次要解決的是給水泵站無人值守改造,需要解決大量現場設備的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機制。這些問題在有人員值班的時候很容易解決,一旦人員全部撤離後,如何保證泵站的正常運行就比較困難。

給水泵站現場概況︰泵站內水源采自地下水,每個泵站均有1-3口水源井提供水源。多數水源井分布在站內,個別水源井離泵站較遠。給水泵站內安裝地上蓄水罐1-5個,容量不一(大的蓄水罐容積700m3、小的蓄水罐容積為300 m3),蓄水罐底部通過管道連通,罐內水位變化一致。站內另安裝有3台加壓泵,將蓄水罐內的水變頻恆壓輸送至小區給水管網。工藝示意圖如下︰


改造思路︰在加壓泵組控制室安裝主監控終端,用來采集水池液位、管網流量、管網壓力並自動控制加壓泵組的運行。在站內、站外水源井處分別安裝子監控終端,每個子監控終端監控一台水源井。站內子監控終端采用串口電纜與主監控終端連接,站外子監控終端通過GPRS網絡與主監控終端聯網。泵站控制邏輯均由主監控終端來處理。

主監控終端內采用邏輯控制器DATA-7301,該控制器接口豐富、I/O擴展方便。邏輯控制器的RS485串口有3個,第一路連接一台DATA-6106 GPRS模塊,且設置為A型,可同時與監控中心以及站外水源井子監控終端通信;第二路連接站內水源井子監控終端;第三路預留。同時,邏輯控制器通過CAN總線連接3台I/O擴展模塊(DATA-7302),分別控制3台變頻加壓泵。

泵站監控框架圖︰

現場控制要求︰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外供出。所有水源井根據蓄水罐水位變化的趨勢(由于加壓泵出水不規則)能自動控制潛水泵的啟、停,且自動調整水泵啟動個數,使每口水源井均衡用水,保證地下水位平穩和延長潛水泵的使用壽命,保持儲水罐水位始終在一個標準值範圍內,並支持水位超限報警、水池過低時自動關停所有加壓泵。 

3、控制邏輯總體結構設計

水源井自動供水系統分為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,並設定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值,根據當前水位的狀態及水位變化值計算出需求流量,當水位過低時自動關停加壓泵組。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵狀態、泵的累計運行時間,並根據水泵狀態及運行時間進行選泵,再根據水池端輸出的需求流量進行控泵。

3.1 計算需求流量

 △Q系統定時計算,得到水池需加減的瞬時流入量值△Q,從而得到精確控制開關泵的數量與時機。因此準確及時地計算△Q值,是水池邏輯控制的核心。

△Q根據水位信息、時間信息及各種設定參數,遵循一套水位控制策略計算得來。


如果采集時間沒到T1,則對采集的水位值求和,並計算采集次數n,根據采集次數計算水位值的平均值;

 如果采集時間大于T1,則始終對T1內的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值時,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n不變,之後計算水位值的平均值。

(2) 計算當前水位變化值△L

 計算出當前水位值後進行備份Lbak = L,之後每隔T2時間取一次當前水位值,並計算當前水位變化值△L。

 △L = L Lbak

 △L > 0表示水位處于上升趨勢;

 △L < 0表示水位處于下降趨勢。

(3) 計算需求流量

 △Q =△L*S/ T2*3600;

 △L:上一步求得的結果。

 S:水池底面積。

 T2:取水位的間隔時間。

 最後把計算結果*3600轉換成每個小時的需求流量。


3.2 水池水位控制策略

 系統根據水池狀態進行開關泵動作,實現對水池水位的控制。

(1) 水位下降

 

即發生水位線觸踫期望水位下限後,系統進入控制狀態,以確保水池水位持續上升。直到水位觸踫期望水位,解除控制。

在該控制階段,定時進行邏輯運算,控制開泵操作,使水位持續上升。此過程中,只執行開泵動作,不執行關泵動作。

(2) 水位上升

即發生水位線觸踫期望水位上限後,系統進入控制狀態,以確保水池水位持續下降。直到水位觸踫期望水位,此時結束控制。

 在該控制階段,定時進行邏輯運算,控制關泵,使水位持續下降。此過程中,只執行關泵動作,不執行開泵動作。

 此過程控制目標︰保持水位處于持續下降趨勢。

3.3 超調量

 超調量是指需要開關泵調控水位時,除了要抵消△Q外,要增加水位調控的速度而額外增加的流量或者開關泵數︰

 △Q1=△Q+對應水位的超調量采用查表法實現,下表是一個表樣例。

   

4、改造效果

 四個供水泵站經過以上邏輯改造,已經完全符合無人值守泵站的要求,即無論在供水高峰期或低峰期,水罐水位都能夠保證在期望範圍內。主、子監控終端根據水罐水位智能控制水源井的啟動個數及運行時間,避免水源井頻繁啟動造成的泵損壞和加壓泵空轉現象的發生,提高水泵運行能效、節約電能,完美實現了供水設備的自動化運行和給水泵站的無人值守管理。

 4個給水泵站改造至今已近2年的時間,整套系統運轉良好、經濟效益顯著。2年內共發生過兩次故障,均為繼電器故障,監控中心及時獲得了報警信息,故障得以迅速解決。泵站經過無人職守改造後,現場去掉了值班人員29人、增加了維護人員2人,大幅度降低了泵站運營成本並提高了故障響應速度。

 自2014年以來,該套泵站自控邏輯先後又在山西、甘肅、內蒙等地的多處泵站改造項目中得到運用,系統運轉穩定、可靠,效果大大超出預期,得到了用戶的一致好評。

                                                  智慧泵站無人值守系統解決方案

適用範圍

 智慧泵站無人值守系統適用于城市供水系統中加壓泵站的遠程監控及管理。

 泵站管理人員在監控中心即可遠程監測泵站水池水位或進站壓力、加壓泵組工作狀態、出站流量、出站壓力等;可遠程控制、自動控制加壓泵組的啟停;光縴通信時,可圖像監視站內全景及重要工位,實現泵站無人值守。

   

系統組成

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系統功能

 泵站遠程監控系統|加壓泵站遠程監控|泵站監測|供水泵站監控|泵站自動化控制|泵站遠程控制|泵站無線監控|自動控制加壓泵組的啟停|遠程監測加壓泵組工作狀態、出站流量、出站壓力

軟件界面

       

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現場展示

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主要設備組成

1、監控現。 Ж霾獾悖/span>

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   備注︰以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信為例。

 
2、監控中心

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   備注︰客戶也可直接租用“平升雲平台”,點擊雲平台軟件了解詳情。    

 

應用案例

案例一、華北油田萬莊礦區供水智慧泵站無人值守系統

項目需求︰

 華北油田萬莊生活區的生活用水分別由東、南、西、北4個恆壓供水泵站供應,每個泵站的水源來自1~3口水源井。供水系統采用人工值守的方式管理,由32名工人24小時輪流值班,管理成本極高。

 為減少泵站運營費用,管理部門要求將所有泵站改造成為無人值守自動運行泵站,希望僅配置少量設備維護人員即可保障泵站的正常運行。

工藝流程圖︰

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系統說明︰

1、通信及組網

 4個泵站分布在小區的東、南、西、北四個方向,如系統采用有線方式傳輸,則布線、施工難度大且時間長、費用高。鑒于小區內GPRS信號較好,采用GPRS通訊完全能夠滿足數據實時傳輸的要求,而且改造速度快、成本低,所以最終采用GPRS無線傳輸。

 監控中心不具備上網條件且水源井、泵站監控設備之間需要自主通信,因此系統需要采用VPN專網模式進行組網,每套設備里面都安裝了GPRS-VPN專網的SIM卡。

2、系統功能

 ヾ 泵站監控終端DATA-9201作為主監控終端,安裝于供水泵站內,采集蓄水罐水位、管網壓力、管網流量、泵組運行狀態和參數,並根據管網壓力自動控制加壓泵組的運行。

 ゝ 水源井監控終端DATA-9201作為子監控終端,安裝于各水源井泵房,每個子監控終端監控一台水源井,采集水源井水位、流量、泵的累計運行時間、泵運行狀態,根據供水泵站內蓄水罐水位、各泵累計運行時間自動控制各水源井為蓄水罐補水。

 ゞ 各泵站、水源井的水泵狀態及運行參數、管道壓力、管道流量、蓄水罐水位等數據全部上報給監控中心;數據越限,設備故障時,系統自動向管理人員手機發送報警短信。

3、自動供水實現原理

自動供水系統分為兩部分,即供水泵站蓄水罐端和水源井端。

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    供水泵站蓄水罐端︰泵站監控終端DATA-9201采集水罐水位,並設定期望水位值、期望水位變化值△、水位報警的4個限值,根據當前水位的狀態及水位變化值計算出需求流量,當水位過低時自動關停泵站加壓泵組,停止對外供水。

水源井端︰水源井監控終端DATA-9201采集水源井水位、水源井流量、泵狀態、泵的累計運行時間,根據水泵狀態及運行時間進行選泵(實現各水源井水泵均衡運行)並根據泵站監控終端輸出的需求流量進行自主啟、停泵操作為水罐補水,使蓄水罐水位一直在期望值範圍內。

應用效果︰

 經升級改造後,供水系統無論在供水高峰期或低峰期,都能夠保證水罐水位在期望值範圍內。主、子監控終端根據蓄水罐水位智能控制水源井水泵的啟動個數和運行時間,避免了水泵頻繁啟動和空轉現象的發生。

 泵站遠程監控系統的建設,提高了水泵運行效率、大大節約了電能、縮減了27名工作人員,實現了用戶無人值守的需求,達到了減員增效的目的。

案例二、安徽某水廠取水泵站無人值守遠程監控系統

項目需求︰

 安徽某水廠的水源來自5公里外的河道,長久以來一直采用人工值守的方式來管理河道取水泵站。

當水廠內水池水位低時,調度人員需打電話通知泵站值守人員手動開泵;水池水位高時,再打電話通知泵站值守人員手動關泵,泵站的人力、交通等管理成本非常高。

 為降低管理成本、提高管理效率,該水廠決定安裝一套取水泵站遠程監控系統。

工藝流程圖︰

泵站遠程監控系統|加壓泵站遠程監控|泵站監測|供水泵站監控|泵站自動化控制|泵站遠程控制|泵站無線監控|自動控制加壓泵組的啟停|遠程監測加壓泵組工作狀態、出站流量、出站壓力

 

系統說明︰

1、通信及組網

現場情況︰

 ヾ 河道取水泵站所在位置GPRS信號質量很差但能通過寬帶上網。

 ゝ 水廠水池處GPRS信號質量很好。

 ゞ 水廠調度中心可以上網,並綁定了固定IP地址。

組網方案︰

 該系統中,泵站測控終端和水池測控終端需要點對點通信,實現供水自動控制;

泵站測控終端和水池測控終端需要通過網絡將監控數據上報給調度中心,實現遠程監控;

綜合現場通信條件和系統功能需求,最終采用了專網雲的方式來組網建設系統。

2、系統功能

 ヾ 遠程監測

 ★ 取水泵站電磁閥、水泵運行狀態及電壓、電流。

 ★ 取水泵站管道壓力、取水流量;水廠內水池水位。

 ★ 泵站測控終端、水池測控終端箱門狀態、供電狀態。

 ゝ 自動供水

 河道取水泵站根據水廠內水池水位自動供水,保障水池適度蓄水,實現無人值守運行。

 ゞ 遠程控制

支持遠程手動控制水泵和閥門,當系統出現異常時,可及時進行人工干預。

 々 故障預警

 數據越限、設備故障時系統自動報警。

3、自動供水實現原理  

 ヾ 當水池水位到達上限時,系統自動關停取水泵、電磁閥;

 ゝ 當水池水位到達下限時,系統自動開啟電磁閥、取水泵;

 ゞ 當某台泵的管道壓力到達上限時,系統優先關停該組取水泵、電磁閥,保護管道安全。

案例三、貴州某地農村供水工程多級泵站遠程監控系統

項目需求︰

 貴州某地農村水廠的源水取自湖泊,經水廠淨化、消毒後通過三級泵站(含水廠內一級泵站)提水到A山高位水池,之後自流到山下四級泵站,四級泵站再提水到B山高位水池,最後通過自流的方式為山下的村莊供水。

 為解決管理人員不足、系統運行能耗高、管理費用高等諸多問題,當地水司提出了建設一套“多級泵站遠程監控系統”的需求。我公司為該項目提供了了全套的監控設備和軟件,實現了四級泵站的聯動控制和系統的無人值守運行,取得了很好的應用效果。

工藝流程圖︰

泵站遠程監控系統|加壓泵站遠程監控|泵站監測|供水泵站監控|泵站自動化控制|泵站遠程控制|泵站無線監控|自動控制加壓泵組的啟停|遠程監測加壓泵組工作狀態、出站流量、出站壓力

       本項目中,各級泵站的內部工藝基本相同,水池後均配置2台提升泵(一備一用),如下圖所示︰

泵站遠程監控系統|加壓泵站遠程監控|泵站監測|供水泵站監控|泵站自動化控制|泵站遠程控制|泵站無線監控|自動控制加壓泵組的啟停|遠程監測加壓泵組工作狀態、出站流量、出站壓力


系統說明︰

1、通信及組網

 該項目位于山區,無線信號質量很差。為保證系統的穩定性並方便後期擴展視頻監控功能,各站點間均鋪設了光縴,組成了光縴局域網。

2、系統功能

ヾ 監控中心實時監測各級泵站、水池運行工況及運行數據,包括︰

 ★ 水泵、電動閥運行狀態、故障狀態、控制模式、工作電流和電壓。

 ★ 泵站水池、高位水池水位。

 ★ 測控終端箱門狀態、供電狀態。

ゝ 四級泵站聯動,保障各級水池合理蓄水。

 每級泵站根據下一環節水池水位自動運行,水位低時自動補水、水位高時自動停水,四級泵站聯動、無人值守運行。

 系統運行效率高、水泵運行時間短,保障供水安全、電能節約。

 各級泵站均支持遠程控泵、控閥,一旦供水異常可及時進行手動控制。

ゞ 遠程控制高位水池電動閥門,實現按需供水。

  監控中心根據用水需求,遠程控制高位水池電動閥門的開啟、關閉,

々 故障預警,可及時發現和處理設備故障。

  水泵/閥門故障、電流超限、電壓缺相等故障發生時自動報警,以便維護人員及時檢修,保障正常供水。

3、泵站聯動控制原理

ヾ 下一環節水池水位到達水位上限時,本級泵站自動關閥、關泵,停止供水;

ゝ 下一環節水池水位到達水位下限時,本級泵站自動開泵、開閥,啟動供水;

各級泵站均按上述邏輯自主運行,實現四級泵站聯動控制,系統自動供水。

設備安裝現。/span>

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智慧泵站無人值守系統解決方案更多詳情登錄平升電子官網︰www.data86.com/net

案例分享

農業生態園區自動供水系統應用案例︰http://www.data86.com/net/anlifenxiang95.html

優秀行業論文

無人值守泵站工藝邏輯設計及應用—《中國給水排水》唐山市水務信息化工程技術研究中心(姚妍彬 龐傳龍 盧成偉 張曉華)︰http://www.data86.com/net/lunwenu.html

           

審核編輯(王靜)
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