一種多功能智能水泵控制系統(tǒng)

周金孝 戴岸玨 楊漢偉 賴運河 楚少華 郝越 田術超

摘要：本文提出一種基于計算機控制的多功能智能水泵控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設計，可實現(xiàn)水泵間輪換工作，故障自動切換，自動巡檢，遠方監(jiān)控和控制等功能。實踐證明，該系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，經(jīng)濟安全，有效提高水泵壽命，減少運行風險，提高人員工作效率。

關鍵詞：液位控制;模塊化設計;輪換工作;自檢

引言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化面臨著人口密集、交通堵塞、能源消耗增大等諸多問題，城市空間需求的急劇膨脹與地面空間有限這一矛盾也日益突出，地下空間有效開發(fā)利用已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)階段，在我國大中型城市中，地下車庫和變電站的數(shù)量已到達相當?shù)囊?guī)模，且仍有一大批地下車庫和變電站規(guī)劃待建中。

近年來，隨著厄爾尼諾現(xiàn)象的升級，我國多數(shù)地區(qū)的城市內澇多發(fā)，地下車庫和變電站的給排水設計作為地下設施運維提升到重要環(huán)節(jié)，其有效地給排水作業(yè)直接決定地下車庫及變電站的生產(chǎn)管理和安全管理的成效[1-3]。

根據(jù)《35kV～220kV地下變電站設計規(guī)定》，地下變電站防水設計應遵循“ 防、排、截、堵相結合，剛柔相濟，因地制宜，綜合治理”的原則，地下部分的防水宜采用混凝土結構自防水與外包防水相結合的方法。建筑宜沿地下外墻的內壁設置集水槽，匯于集水池或集水井，并通過排水設施排至站外城市下水道[4]。本文提出一種新型的多功能智能水泵控制系統(tǒng)，采用可編程控制器與液位探測器相結合的控制方式，對集水井水位精準控制。新系統(tǒng)采用模塊化設計，可實現(xiàn)水泵間輪換工作，故障自動切換，自動巡檢，遠方監(jiān)控和控制等功能，避免因水泵長時間運行磨損或長時間停用銹蝕、卡澀、損壞引起集水井漫灌，保證集水井水位在可控范圍，提高車庫和變電站運行的安全性和穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)已申請專利[5]，并在深圳供電局新建地下變電站實施，實踐證明，該系統(tǒng)減少維護人員定期巡視和試驗的工作量，有效延長水泵使用壽命，提高變電站排水系統(tǒng)的可靠性。同時，該系統(tǒng)適用于所有配備地下集水井的地下空間，在較多場合可推廣應用，具備廣闊的發(fā)展前景。

1原集水井水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

1.1原集水井水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，在車庫和變電站電纜層集水井等重要場所，一個集水井往往配置2臺及以上水泵，水泵以一主一備形式工作。集水井水位自動控制一般采用浮子式液位器，每臺水泵根據(jù)自身液位器設置的高、低實現(xiàn)自動啟/停。如圖1所示，主用水泵為低水位水泵A，備用水泵為高水位水泵B。當水位越過L1時，水漫過液位器A時，低水位水泵A自動啟動排水，若水位繼續(xù)上漲，越過L2，水漫過液位器B，對應高水位水泵B自動啟動排水。

1.2存在問題

在實際生產(chǎn)應用中，這種水位控制方式存在以下問題：

（1）在正常情況下，主水泵長期處在工作狀態(tài)，備用水泵有可能幾個月或更長時間處在停用狀態(tài)。主水泵因長期運行導致嚴重磨損而損壞，而備用水泵因長期停用，受環(huán)境因素影響，機械部分易生銹卡死，導致需要運行時不能正常運轉。

（2）在旱季時，主、備水泵幾個月或更長時間都不啟動，受環(huán)境因素影響，機械部分易生銹卡死。需要啟動時因機械部分生銹卡死，直接燒壞主、備電機。

（3）每臺水泵都是根據(jù)液位器自身設置的高、低實現(xiàn)自動啟/停。當主水泵發(fā)生故障停止運行時，需待水位上升至高液位，備用水泵才啟動，導致集水井防溢出裕度降低。當入水量大于單臺泵排水量時，集水井水位不斷升高，增加集水井積水溢出的風險。

（4）當?shù)鸵何黄靼l(fā)生故障時導致主水泵長時間處于空轉工作狀態(tài)，易發(fā)熱損壞。

（5）系統(tǒng)應用場景有限，目前每臺水泵都需要配置一個液位器，這種控制邏輯下，系統(tǒng)升級成本高，可拓展性弱：每接入一臺新水泵，必須新增一個液位器，二次回路改造成本同步增加。

（6）在無人值守處，無法及時了解水泵工作和水位及水泵故障情況。

（7）水泵有故障時，運維人員無法通過聲音判斷設備故障類型和定位故障點。

（8）無遠方通信功能。

2多功能智能水泵控制系統(tǒng)

2.1設計思路

針對上述問題，本文提出一種新型的多功能智能水泵控制系統(tǒng)，可控制水泵數(shù)量2臺及以上，采用計算機控制系統(tǒng)與現(xiàn)有控制回路相結合的思路對原控制系統(tǒng)進行改造：

（1）采用液位超聲儀和極限水位液位器替代原有的液位器作為信號輸入源。

（2）采用可編程的智能水泵控制器部分取代原有控制系統(tǒng)回路，將新增功能寫入智能水泵控制器，并由智能水泵控制器輸出信號控制水泵的啟動/停止。

（3）智能水泵控制器外接控制觸摸屏，可實現(xiàn)人機交互功能，同時外界路由器，帶有以太網(wǎng)通信功能，可以將操作界面?zhèn)魉偷诫娔X或移動終端上，具備遠程通信功能。

改造后的多水泵智能液位控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.2系統(tǒng)構成及各部件功能介紹

多功能智能水泵控制系統(tǒng)由信號采集單元，顯示及參數(shù)設置單元，分析處理單元，通信傳輸單元，信號執(zhí)行單元五部分組成。下文介紹多功能智能水泵控制系統(tǒng)構成及各部件功能。

2.2.1信號采集單元

信號采集單元包括液位超聲儀和極限水位液位器。

液位超聲儀：持續(xù)發(fā)送超聲波至水面，并將實時液位信息傳輸至智能水泵控制器，分辨率高達千分之一米。

極限水位液位器：液位超聲儀故障保護裝置。用于液位超聲儀故障或被遮擋時，保護水泵不因錯誤輸入長期空轉而燒毀。當水位低于極限水位時，水泵不啟動。

2.2.2顯示及參數(shù)設置單元

顯示及參數(shù)設置單元包括現(xiàn)場控制觸摸屏和可通信的遠程終端。

現(xiàn)場控制觸摸屏：現(xiàn)場顯示集水井液位數(shù)據(jù)，并可現(xiàn)場設置監(jiān)控模式、巡檢時間、輪換周期及液位閾值等關鍵參數(shù)。

可通信的遠程終端：遠程顯示集水井液位數(shù)據(jù)，遠程設置監(jiān)控模式、巡檢時間、輪換周期及液位閾值等關鍵參數(shù)。

2.2.3分析處理單元

分析處理單元包括智能水泵控制器和二次控制回路。

智能水泵控制器：內置各類功能程序。根據(jù)采集的信號與設置的參數(shù)，作出判斷，輸出信號控制二次回路的繼電器，進而控制執(zhí)行單元。

二次控制回路：作為智能水泵控制器的補充，傳遞智能水泵控制器的輸出指令至信號執(zhí)行單元;同時具備簡單的判斷功能，可根據(jù)采集的信號作出簡單的邏輯判斷后，輸出至信號執(zhí)行單元。

2.2.4通信傳輸單元

包括路由器，功能為傳遞現(xiàn)場與遠程終端之間的信號。

2.2.5信號執(zhí)行單元

信號執(zhí)行單元包括水泵，蜂鳴器，指示燈等，執(zhí)行分析處理單元輸出的指令。

2.3系統(tǒng)功能設計及原理

水泵具備三種狀態(tài)：低液位狀態(tài)，指水位達到低液位時啟動;高液位狀態(tài)，指水位達到高液位時啟動;備用狀態(tài)，僅在原工作的水泵故障時投入啟動。下文以三臺水泵為例（更多臺水泵同理），介紹系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)新增加的主要功能包括超低液位自動保護，水泵手動/自動控制啟停，定期自動輪換，定期自動巡檢，故障自動切換，遠方監(jiān)控與控制六項，下文針對此六項系統(tǒng)功能作原理介紹。

2.3.1低液位自動保護功能

圖3為水泵動力控制回路圖，其中，M1、M2、M3為#1水泵，#2水泵、#3水泵電機。QF1為極限低水位液位器的常開接點。當集水井水位達到極限水位時，QF1斷開，所有水泵均不啟動。

2.3.2多功能智能水泵手動/自動控制啟停

多臺水泵啟停及報警回路圖如圖4所示。以#1水泵的控制回路圖為例，#2水泵、#3水泵以此類推。其中，KM1為#1水泵啟動繼電器，當KM1勵磁時，圖4中KM1常開接點閉合，#1水泵啟動。K1為水泵手動啟動接點，S1為水泵自動啟動接點，L1為#1水泵啟動指示燈，K1，K2，K3，S1，S2，S3接點的開閉由智能水泵控制器的輸出信號直接控制。

（1）手動模式

當監(jiān)控模式被設置成手動模式且低液位自動保護未啟動時，QF1閉合。在控制觸摸屏上手動點擊“#1水泵啟動”按鍵，K1接點閉合，KM1線圈勵磁，#1水泵啟動;在控制觸摸屏上手動點擊“#1水泵停止”按鍵，K1接點打開，KM1線圈失電，#1水泵停機。

（2）自動模式

假設#1泵工作在低液位狀態(tài)，#2泵工作在高液位狀態(tài)，#3泵在備用狀態(tài)。智能水泵控制器內設有低液位上限水位，低液位下限水位，高液位上限水位，高液位下限水位四個液位參數(shù)，這四個參數(shù)可在觸摸控制屏上手動更改。

低水位水泵自動啟動/關停的軟件控制圖如圖5所示，液位超聲儀實時采集液位數(shù)據(jù)，并結合低水位水泵的工作狀態(tài)判斷是否需要啟動或關停低液位水泵。當液位值大于等于設定的高液位，且水泵未過載，執(zhí)行啟動程序，發(fā)出指令啟動水泵，當液位低過設定的低液位時，水泵停機，延時退出該程序段。高水位水泵控制邏輯類似。

2.3.3 定期自動輪換

水泵間自動輪換周期可在顯示與參數(shù)設置單元手動設置。初始狀態(tài)時，#1泵工作在低液位狀態(tài)，#2泵工作在高液位狀態(tài)，#3泵備用狀態(tài)。N天后#2泵工作在低液位狀態(tài)，#3泵工作在高液位狀態(tài)，#1泵轉為備用狀態(tài)，2N天后#3泵工作在低液位狀態(tài)，#1泵工作在高液位狀態(tài)，#2泵轉為備用狀態(tài)。3N天后#1泵恢復到低液位工作狀態(tài)，#2泵工作在高液位狀態(tài)，#3泵轉為備用狀態(tài)。3臺水泵循環(huán)工作。

初始設定為#1水泵的下一臺水泵是#2水泵，#2水泵的下一臺水泵是#3水泵，#3水泵的下一臺水泵是#1水泵。當前的狀態(tài)維持時間達到輪換周期時，低水位水泵輪換為當前低水位水泵的下一臺水泵，高水位水泵，備用水泵同理，程序邏輯設定如圖6所示。

2.3.4 定期自動巡檢

水泵間自動巡檢周期可在顯示與參數(shù)設置單元手動設置。設置每隔N天對3臺水泵自檢一次。每次水泵工作時間為M秒后自動停機，繼續(xù)循環(huán)到下一臺水泵啟動。直到3臺水泵自檢完。

水泵如遇到以下情形，不會參與自檢：

a.工作中的水泵，不會重新關閉又啟動，只做等待M秒（5）延時自動跳到下一臺水泵自檢。

b.有故障的水泵，自動停止對該水泵的自檢，跳到下一臺水泵自檢。

2.3.5 故障自動切換

圖3中的FR1、FR2、FR3為熱繼電器，與水泵電機串聯(lián)。，其常閉接點串聯(lián)在圖4的水泵啟動回路中，其常開接點串聯(lián)在圖4的水泵故障報警回路中。以#1水泵為例，當水泵電機過電流時，熱繼電器FR1勵磁，其常閉接點斷開，KM1失磁，#1水泵關停;同時，蜂鳴器FM1發(fā)出報警信號，報警燈L4亮。

與此同時，F(xiàn)R1過熱信號輸入智能水泵控制器，程序將#1水泵設置為故障隔離狀態(tài)，#2水泵設置為低水位水泵，#3水泵設置為高水位水泵。

2.3.6 遠方通信與控制

系統(tǒng)具備有以太網(wǎng)通信功能，可以將觸摸屏操作界面?zhèn)魉偷绞謾CAPP或者遠程電腦上，通過服務器預設的IP地址通訊，實現(xiàn)遠程通信與控制。

當用戶使用手機APP進行遠程控制時，登錄系統(tǒng)，按照界面操作提示完成通訊后，就地控制觸摸屏“操作界面和數(shù)據(jù)”可將實時信息傳遞至手機APP上。用戶可通過手機“操作界面”觀察設備當前狀態(tài)（實時水泵工作情況、水位及報警信號等信息），還可以查詢歷史報警、進行參數(shù)設置及遠程手動操作。遠程電腦控制和手機APP控制原理相同，電腦屏幕大、畫面清晰，方便操作。

現(xiàn)場設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)將第一時間將信號上傳至APP或者遠程電腦，提醒設備維護人員現(xiàn)場故障類型及狀態(tài)，輔助維護人員判斷，通過故障性質靈活到現(xiàn)場處理。

3多功能智能水泵控制系統(tǒng)特點

3.1優(yōu)化水泵工作策略，提高水泵使用壽命

（1）通過設置時間，實現(xiàn)水泵主備定期輪換。

定期進行主、備水泵自動切換輪換，均衡水泵工作時間提高水泵使用壽命，有效防止水泵長期運轉磨損和長期不運轉導致機械生銹被卡問題。

（2）通過設置時間，實現(xiàn)水泵定期自檢。

定期進行水泵自動啟動巡檢功能?？梢愿鶕?jù)水泵型號自定義每次巡檢水泵啟動時間，有效防止水泵長期不運轉而導致機械生銹被卡問題。

3.2采用遠程通信技術，具備遙控遙視功能

可通過網(wǎng)絡視頻或手機安裝APP及時了解水泵工作狀態(tài)、集水井水位及水泵故障情況，實現(xiàn)通過網(wǎng)絡或手機進行遠程啟/停。

3.3升級系統(tǒng)魯棒性，有效減少故障時間

（1）實時切換故障水泵至備用水泵，確保水位在可控范圍。

（2）增加水泵故障時的聲光告警功能。增加蜂鳴器、故障指示燈報警，提醒巡檢人員檢查故障。

（3）增加一個極限水位控制器，水位低于極限水位時，水泵即停止工作。防止低液位控制器發(fā)生故障時水泵無法停止運轉，避免水泵因長時間工作而損壞。

（4）多臺水泵只設置一套信號采集單元，減少前期投入和后期維護成本，簡化缺陷排查步驟，縮短缺陷排查時間。

4結語

實際運行表明，本文提出的多功能智能水泵控制系統(tǒng)解決了以往集水井水位監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，提高了車庫和變電站水泵控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，減少人力維護成本，為車庫和變電站及地下設施的遠方維護提供了軟硬件基礎。

參考文獻

[1]侯彩麗.地下變電站給排水設計優(yōu)化措施[J].建材與裝飾，2018，50：197-198

[2]邵筆貴，袁榮湘，孫榮富.金溪水電站集水井控制系統(tǒng)的技術改造[J]，水電自動化與大壩監(jiān)測，2004，28，4，45-47

[3]劉志剛.對集水井泵控制系統(tǒng)的改造[J]，科學大眾，2006，04，31-32

[4]DL/T 5216-2005 35kV～220kV地下變電站設計規(guī)定[S].

[5]周金孝.水泵控制方法、系統(tǒng)、裝置、計算機設備和可讀存儲介質：中國 2010902738.2

[6]張萬忠，孫晉.可編程控制器入門與應用實例[M].北京：中國電力出版社，2005