给水泵站无人值守系统、智能化泵站管理系统
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无人值守泵站工艺逻辑设计及应用
（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations）
姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华 （唐山市水务信息化工程技术研究中心，河北 唐山 063020）
பைடு நூலகம்
摘要：结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，重点总结了多口水 源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计， 为此类给水泵站的自动化改造提供了新思路。
站外水源井
蓄水罐
恒压供至管网 站内水源井 加压泵组
改造思路：在加压泵组控制室安装主监控终端，用来采集水池液位、管网流 量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监 控终端， 每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监 控终端连接，站外子监控终端通过 GPRS 网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑 均由主监控终端来处理。 主监控终端内采用逻辑控制器 DATA-7301，该控制器接口丰富、I/O 扩展方 便。逻辑控制器的 RS485 串口有 3 个，第一路连接一台 DATA-6106 GPRS 模块， 且设置为 A 型， 可同时与监控中心以及站外水源井子监控终端通信； 第二路连接 站内水源井子监控终端；第三路预留。同时，逻辑控制器通过 CAN 总线连接 3 台 I/O 扩展模块（DATA-7302） ，分别控制 3 台变频加压泵。
Abstract: the paper mainly introduces the design and realization for unattended water-pumping stations, summarizes the auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank. It provides a new thought for this kind of pump stations’ automation.
泵站监控框架图：
监控中心
GPRS 网络 工艺参数 加压泵 GPRS 网络
主监控终端
RS485 电缆
子监控终端
子监控终端
站内水源井
站外水源井
现场控制要求： 多口水源井给蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加压泵组加压 对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势（由于加压泵出水不规则）能 自动控制潜水泵的启、停，且自动调整水泵启动个数，使每口水源井均衡用水， 保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命， 保持储水罐水位始终在一个标准值 范围内，并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。
关键词：水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑
1、 项目背景 华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口 8 万人、板式楼房 100 余座， 小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的 4 个给水泵站供给。4 个 泵站均采用人工值守的工作方式， 由 32 名工人 24 小时轮流值班， 管理成本极高。 为了减少泵站运营费用， 管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运 行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。 2、设计思路及改造要求 首先要解决的就是数据传输问题， 即将所有泵站的数据集中至中控室计算机， 以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大，如果采用光纤传输，布线、施工 难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好，采用 GPRS 传输完 全能够满足数据实时传输的要求，且改造速度快、成本低，最终确定采用 GPRS 的传输方式。 其次要解决的是给水泵站无人值守改造， 需要解决大量现场设备的控制顺序、
即发生水位线触碰期望水位下限后，系统进入控制状态，以确保水池水 位持续上升。直到水位触碰期望水位，解除控制。 在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制开泵操作，使水位持续上升。 此过程中，只执行开泵动作，不执行关泵动作。 (2) 水位上升
即发生水位线触碰期望水位上限后，系统进入控制状态，以确保水池水 位持续下降。直到水位触碰期望水位，此时结束控制。 在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制关泵，使水位持续下降。此过 程中，只执行关泵动作，不执行开泵动作。 此过程控制目标：保持水位处于持续下降趋势。
n ∑ Li T1 i =1 , 如果n < n t L = n ∑ Li − L + Li +1 T1 i =1 n , 如果 = n t
如果采集时间没到 T1，则对采集的水位值求和，并计算采集次数 n，根 据采集次数计算水位值的平均值； 如果采集时间大于 T1，则始终对 T1 内的所有水位值求平均值。即每次 采集到新水位值时， 水位值的和减去上一次的水位平均值， 再加上新水位值； 采集次数 n 不变，之后计算水位值的平均值。 (2) 计算当前水位变化值△L 计算出当前水位值后进行备份 Lbak = L，之后每隔 T2 时间取一次当前水 位值，并计算当前水位变化值△L。 △L = L - Lbak △L > 0 表示水位处于上升趋势； △L < 0 表示水位处于下降趋势。 (3) 计算需求流量 △Q =△L*S/ T2*3600; △L:上一步求得的结果。 S:水池底面积。 T2:取水位的间隔时间。 最后把计算结果*3600 转换成每个小时的需求流量。 3.2 水池水位控制策略 系统根据水池状态进行开关泵动作，实现对水池水位的控制。 (1) 水位下降
逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决，一 旦人员全部撤离后，如何保证泵站的正常运行就比较困难。 给水泵站现场概况：泵站内水源采自地下水，每个泵站均有 1-3 口水源井提 供水源。多数水源井分布在站内，个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上 蓄水罐 1-5 个， 容量不一 （大的蓄水罐容积 700m3、 小的蓄水罐容积为 300 m3） ， 蓄水罐底部通过管道连通，罐内水位变化一致。站内另安装有 3 台加压泵，将蓄 水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下：
注：本文已刊登在《中国给水排水》杂志 2016 年 6 月 1 日出版 第 32 卷 第 11 期（总 第 415 期），如需转载，请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权。
3、控制逻辑总体结构设计
进口流量 N 口水源井
蓄水罐 水位上上限 水位上限
水源井水位 泵累计运行时间 泵状态 水源井流量
期望水位 水位下限 水位下下限 出口流量
水源井自动供水系统分为 2 部分，分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主 要采集水罐水位， 并设定期望水位值、 期望水位变化值△、 水位报警的 4 个限值， 根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量， 当水位过低时自动关停加压 泵组。 水源井端主要采集水源井水位、 水源井流量、 泵状态、 泵的累计运行时间， 并根据水泵状态及运行时间进行选泵，再根据水池端输出的需求流量进行控泵。 3.1 计算需求流量△Q 系统定时计算，得到水池需加减的瞬时流入量值△Q，从而得到精确控制开 关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q 值，是水池逻辑控制的核心。 △Q 根据水位信息、时间信息及各种设定参数，遵循一套水位控制策略计算 得来。
当前水位 期望水位 期望水位变化值Δ 水罐底面积 S 水罐逻辑
水位报警上限 水位报警上上限 水位报警下限 水位报警下下限
输出
ΔQ-需求流量 ΔL2-当前水位与期望水位的差值
水罐逻辑输入、输出示意图
水池需加减的瞬时流入量值△Q 的运算过程如下： (1) 计算当前水位值 L 当前水位值需要进行滤波处理，设定水位滤波间隔 T1。 每个采集周期 t 采集 1 个水位值 Li，在 T1 时间内对采集到的所有水位值 求平均值。
2 1.3 1 0.5 -100
0 50 100 150 200
4、改造效果 四个供水泵站经过以上逻辑改造，已经完全符合无人值守泵站的要求，即无 论在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端 根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间， 避免水源井频繁启动造成 的泵损坏和加压泵空转现象的发生，提高水泵运行能效、节约电能，完美实现了 供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。 4 个给水泵站改造至今已近 2 年的时间， 整套系统运转良好、 经济效益显著。 2 年内共发生过两次故障，均为继电器故障，监控中心及时获得了报警信息，故 障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后，现场去掉了值班人员 29 人、增加 了维护人员 2 人，大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。 自 2014 年以来，该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处 泵站改造项目中得到运用，系统运转稳定、可靠，效果大大超出预期，得到了用 户的一致好评。
3.3 超调量 超调量是指需要开关泵调控水位时，除了要抵消△Q 外，要增加水位调控的 速度而额外增加的流量或者开关泵数： △Q1=△Q+对应水位的超调量 采用查表法实现，下表是一个表样例。
序号 1 高水位（米） 100 低水位（米） 3 超调量（吨/小时） 0
2 3 4 5 6
3 2 1.3 1 0.5
（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations）
姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华 （唐山市水务信息化工程技术研究中心，河北 唐山 063020）
பைடு நூலகம்
摘要：结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，重点总结了多口水 源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计， 为此类给水泵站的自动化改造提供了新思路。
站外水源井
蓄水罐
恒压供至管网 站内水源井 加压泵组
改造思路：在加压泵组控制室安装主监控终端，用来采集水池液位、管网流 量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监 控终端， 每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监 控终端连接，站外子监控终端通过 GPRS 网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑 均由主监控终端来处理。 主监控终端内采用逻辑控制器 DATA-7301，该控制器接口丰富、I/O 扩展方 便。逻辑控制器的 RS485 串口有 3 个，第一路连接一台 DATA-6106 GPRS 模块， 且设置为 A 型， 可同时与监控中心以及站外水源井子监控终端通信； 第二路连接 站内水源井子监控终端；第三路预留。同时，逻辑控制器通过 CAN 总线连接 3 台 I/O 扩展模块（DATA-7302） ，分别控制 3 台变频加压泵。
Abstract: the paper mainly introduces the design and realization for unattended water-pumping stations, summarizes the auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank. It provides a new thought for this kind of pump stations’ automation.
泵站监控框架图：
监控中心
GPRS 网络 工艺参数 加压泵 GPRS 网络
主监控终端
RS485 电缆
子监控终端
子监控终端
站内水源井
站外水源井
现场控制要求： 多口水源井给蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加压泵组加压 对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势（由于加压泵出水不规则）能 自动控制潜水泵的启、停，且自动调整水泵启动个数，使每口水源井均衡用水， 保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命， 保持储水罐水位始终在一个标准值 范围内，并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。
关键词：水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑
1、 项目背景 华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口 8 万人、板式楼房 100 余座， 小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的 4 个给水泵站供给。4 个 泵站均采用人工值守的工作方式， 由 32 名工人 24 小时轮流值班， 管理成本极高。 为了减少泵站运营费用， 管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运 行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。 2、设计思路及改造要求 首先要解决的就是数据传输问题， 即将所有泵站的数据集中至中控室计算机， 以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大，如果采用光纤传输，布线、施工 难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好，采用 GPRS 传输完 全能够满足数据实时传输的要求，且改造速度快、成本低，最终确定采用 GPRS 的传输方式。 其次要解决的是给水泵站无人值守改造， 需要解决大量现场设备的控制顺序、
即发生水位线触碰期望水位下限后，系统进入控制状态，以确保水池水 位持续上升。直到水位触碰期望水位，解除控制。 在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制开泵操作，使水位持续上升。 此过程中，只执行开泵动作，不执行关泵动作。 (2) 水位上升
即发生水位线触碰期望水位上限后，系统进入控制状态，以确保水池水 位持续下降。直到水位触碰期望水位，此时结束控制。 在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制关泵，使水位持续下降。此过 程中，只执行关泵动作，不执行开泵动作。 此过程控制目标：保持水位处于持续下降趋势。
n ∑ Li T1 i =1 , 如果n < n t L = n ∑ Li − L + Li +1 T1 i =1 n , 如果 = n t
如果采集时间没到 T1，则对采集的水位值求和，并计算采集次数 n，根 据采集次数计算水位值的平均值； 如果采集时间大于 T1，则始终对 T1 内的所有水位值求平均值。即每次 采集到新水位值时， 水位值的和减去上一次的水位平均值， 再加上新水位值； 采集次数 n 不变，之后计算水位值的平均值。 (2) 计算当前水位变化值△L 计算出当前水位值后进行备份 Lbak = L，之后每隔 T2 时间取一次当前水 位值，并计算当前水位变化值△L。 △L = L - Lbak △L > 0 表示水位处于上升趋势； △L < 0 表示水位处于下降趋势。 (3) 计算需求流量 △Q =△L*S/ T2*3600; △L:上一步求得的结果。 S:水池底面积。 T2:取水位的间隔时间。 最后把计算结果*3600 转换成每个小时的需求流量。 3.2 水池水位控制策略 系统根据水池状态进行开关泵动作，实现对水池水位的控制。 (1) 水位下降
逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决，一 旦人员全部撤离后，如何保证泵站的正常运行就比较困难。 给水泵站现场概况：泵站内水源采自地下水，每个泵站均有 1-3 口水源井提 供水源。多数水源井分布在站内，个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上 蓄水罐 1-5 个， 容量不一 （大的蓄水罐容积 700m3、 小的蓄水罐容积为 300 m3） ， 蓄水罐底部通过管道连通，罐内水位变化一致。站内另安装有 3 台加压泵，将蓄 水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下：
注：本文已刊登在《中国给水排水》杂志 2016 年 6 月 1 日出版 第 32 卷 第 11 期（总 第 415 期），如需转载，请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权。
3、控制逻辑总体结构设计
进口流量 N 口水源井
蓄水罐 水位上上限 水位上限
水源井水位 泵累计运行时间 泵状态 水源井流量
期望水位 水位下限 水位下下限 出口流量
水源井自动供水系统分为 2 部分，分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主 要采集水罐水位， 并设定期望水位值、 期望水位变化值△、 水位报警的 4 个限值， 根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量， 当水位过低时自动关停加压 泵组。 水源井端主要采集水源井水位、 水源井流量、 泵状态、 泵的累计运行时间， 并根据水泵状态及运行时间进行选泵，再根据水池端输出的需求流量进行控泵。 3.1 计算需求流量△Q 系统定时计算，得到水池需加减的瞬时流入量值△Q，从而得到精确控制开 关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q 值，是水池逻辑控制的核心。 △Q 根据水位信息、时间信息及各种设定参数，遵循一套水位控制策略计算 得来。
当前水位 期望水位 期望水位变化值Δ 水罐底面积 S 水罐逻辑
水位报警上限 水位报警上上限 水位报警下限 水位报警下下限
输出
ΔQ-需求流量 ΔL2-当前水位与期望水位的差值
水罐逻辑输入、输出示意图
水池需加减的瞬时流入量值△Q 的运算过程如下： (1) 计算当前水位值 L 当前水位值需要进行滤波处理，设定水位滤波间隔 T1。 每个采集周期 t 采集 1 个水位值 Li，在 T1 时间内对采集到的所有水位值 求平均值。
2 1.3 1 0.5 -100
0 50 100 150 200
4、改造效果 四个供水泵站经过以上逻辑改造，已经完全符合无人值守泵站的要求，即无 论在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端 根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间， 避免水源井频繁启动造成 的泵损坏和加压泵空转现象的发生，提高水泵运行能效、节约电能，完美实现了 供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。 4 个给水泵站改造至今已近 2 年的时间， 整套系统运转良好、 经济效益显著。 2 年内共发生过两次故障，均为继电器故障，监控中心及时获得了报警信息，故 障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后，现场去掉了值班人员 29 人、增加 了维护人员 2 人，大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。 自 2014 年以来，该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处 泵站改造项目中得到运用，系统运转稳定、可靠，效果大大超出预期，得到了用 户的一致好评。
3.3 超调量 超调量是指需要开关泵调控水位时，除了要抵消△Q 外，要增加水位调控的 速度而额外增加的流量或者开关泵数： △Q1=△Q+对应水位的超调量 采用查表法实现，下表是一个表样例。
序号 1 高水位（米） 100 低水位（米） 3 超调量（吨/小时） 0
2 3 4 5 6
3 2 1.3 1 0.5