梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)研究與發(fā)展方向分析

沈建榮

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

在傳統(tǒng)的梯級泵站建設(shè)過程中，因為缺乏自動化系統(tǒng)，導(dǎo)致泵站運行控制效果較差，且難以實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，從而無法有效保障梯級泵站綜合系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。在自動化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，梯級泵站的綜合控制系統(tǒng)與自動化技術(shù)得以深度融合，通過采用自動化技術(shù)，使梯級泵站能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控、自動化運行等功能，從而提高梯級泵站運行效率與穩(wěn)定性。因為自動化運行控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，所以需要明確在梯級泵站中的應(yīng)用方向。

1 自動化系統(tǒng)及其優(yōu)勢分析

1.1 自動化技術(shù)的基本內(nèi)涵分析

自動化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它與控制論、信息論、系統(tǒng)工程等多個方面都有著緊密的聯(lián)系，其中控制理論和計算機技術(shù)對自動化技術(shù)的影響是最為深刻。

在機械工程行業(yè)之中，自動化技術(shù)就是指通過機械來完成復(fù)雜的管理控制活動，從而將管理人員從繁重枯燥的工作中解放出來。自動化技術(shù)脫離了原本大量的勞動力資源，通過自動化進行控制管理，能夠節(jié)省大量的生產(chǎn)成本，且能夠克服人工生產(chǎn)中的不穩(wěn)定因素，從而提高系統(tǒng)運行控制管理的精準度和控制效率，同時減輕工作人員的勞動強度[1]。

1.2 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

根據(jù)相關(guān)的應(yīng)用實踐證明，自動化技術(shù)在梯級泵站綜合系統(tǒng)的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢。

第一，提高了梯級泵站綜合系統(tǒng)監(jiān)測效率。在梯級泵站綜合系統(tǒng)運行過程中，數(shù)據(jù)分析和處理是一項重要工作，梯級泵站綜合系統(tǒng)的運行控制模式需要建立在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上才能夠保證整體準確性，但是傳統(tǒng)的控制技術(shù)對于數(shù)據(jù)的處理準確性較差，而將梯級泵站綜合系統(tǒng)與自動化技術(shù)相結(jié)合，能夠提高數(shù)據(jù)收集、分析與處理效率，同時能夠保證數(shù)據(jù)分析準確性，進而為梯級泵站綜合系統(tǒng)控制提供支持。

第二，優(yōu)化了嚴控模型構(gòu)建工序。在傳統(tǒng)的梯級泵站綜合系統(tǒng)設(shè)計中，梯級泵站綜合系統(tǒng)控制需要建立在遙控模型基礎(chǔ)上，根據(jù)所建立的模型完成相應(yīng)的遙控工作，但是模型構(gòu)建需要花費大量的時間，且難度較高。通過應(yīng)用自動化技術(shù)，可以將控制模型構(gòu)建環(huán)節(jié)優(yōu)化，從而節(jié)省更多的時間，必須要構(gòu)建的控制模型可以通過自動化技術(shù)進行數(shù)據(jù)收集與處理，從而能夠自動生成梯級泵站綜合系統(tǒng)遙控模型，且以數(shù)據(jù)的方式能夠提高自動化梯級泵站綜合系統(tǒng)控制效率和準確性，使得梯級泵站遙控工作能夠?qū)崿F(xiàn)全過程自動化，相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制模式，自動化技術(shù)具有較高的應(yīng)用靈活性[2]。

第三，提高了梯級泵站控制管理效果。按照當前梯級泵站控制工作的實際情況來看，傳統(tǒng)的控制模式在應(yīng)用過程中依然存在較為分散的問題，尚未建立整體化、系統(tǒng)化、集成化的控制系統(tǒng)模式，各個環(huán)節(jié)采用不同的控制技術(shù)，在前期需要投入大量的資源，且不同的控制工序之間相互交錯，會形成控制錯誤的問題，從而導(dǎo)致梯級泵站控制工作受到很大負面影響。將自動化技術(shù)應(yīng)用在梯級泵站綜合系統(tǒng)中，通過運行數(shù)據(jù)收集、分析等功能，能夠建立全面化的梯級泵站自動化控制模式，從而能夠?qū)μ菁壉谜究刂乒ぷ鬟M行整體性的控制、分析和與預(yù)測。

2 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)概述

本文以某大型梯級泵站工程為例，該工程包括13座梯級泵站，采用串聯(lián)方式連接，通過地下管道逐級提升的方式進行供水。為此，在中間節(jié)點的各級梯級泵站運行需要實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，才能夠保證梯級泵站處于最佳運行狀態(tài)。因為梯級泵站數(shù)量較多，且位置分布較為分散，各梯級泵站之間距離較遠，所以需要采用科學(xué)、先進的自動化運行管理模式，才能夠確保該梯級泵站綜合系統(tǒng)運行質(zhì)量提高。為此，需要結(jié)合梯級泵站的實際情況，設(shè)計開展一套功能完善、運行穩(wěn)定的梯級自動化運行系統(tǒng)。

3 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及功能

梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)由中央控制管理級、站控級以及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

在梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)中，調(diào)度主機采用486雙控機，雙機熱備份；同時安裝2套可編程程序控制器，其中一套主要負責對彩色模擬屏幕的現(xiàn)實控制，另一套用于梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。調(diào)度中心的主要任務(wù)包括：①實時顯示和查詢8座梯級泵站的運行狀態(tài)信息，從而獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；②控制并在7.0 m×3.0 m大型彩色模擬屏幕上顯示現(xiàn)實狀態(tài)、梯級泵站的重要信息；③對梯級泵站進行遠程控制；④打印輸出系統(tǒng)各種運行報表、圖表以及工作記錄等；⑤向控制中心的終端實時傳輸數(shù)據(jù)。

在通信系統(tǒng)方面，調(diào)度中心和中心泵站通過有線方式進行連接，并與其他7個泵站采用無線方式進行連接，通信距離在20～40 km范圍內(nèi)。

4 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)RTU單元設(shè)計

在本次梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)中，每個泵站都安裝了1套RTU設(shè)備，共計設(shè)計8套設(shè)備，RTU主控設(shè)備采用某企業(yè)的SLC-5系列可編程控制器。在控制器中，開關(guān)量輸入模塊為3塊1746-IB16，共計48個輸出點；開關(guān)量輸出模塊為2塊1746-OB16，共計32個輸出點；模擬量輸出模塊為2塊1746-NI4，共計8個輸入通道。每個泵站都采用4個主泵和出水管電動閘閥，遙測5個壓力值、1個流量以及2個液位；遙信4臺梯級泵站的開關(guān)和停止信號，并對4臺梯級泵站的狀態(tài)信號進行監(jiān)測；中心泵站額外配備的1個遙測pH值和溫度值的傳感器，共計遙測66個模擬量、60個開關(guān)狀態(tài)；遙控32臺泵站的開機、停機以及電動閘閥。本次工程中泵站都采用就地、自動以及遠程控制功能[3]。

可編程邏輯控制器對于梯級泵站的控制，主要是按照進水池液位高度，并對其上升和下降的趨勢進行預(yù)測；為了避免出現(xiàn)干擾問題，采用數(shù)字低通濾波方式，能夠有效防止梯級泵站頻繁啟動的問題出現(xiàn)，從而能夠提高控制效果，確保梯級泵站運行的安全性。可編程邏輯控制器對于梯級泵站的控制流程為：讀入所測的參數(shù)到內(nèi)存→啟動定時器→定時→將所有檢測的參數(shù)發(fā)送到接口→接口出現(xiàn)命令→設(shè)置成為遙控狀態(tài)→遙控開啟泵站→遙控關(guān)閉泵站→調(diào)節(jié)泵站子程序→結(jié)束。

綜合來看，本次梯級泵站綜合自動化控制系統(tǒng)中，RTU應(yīng)用程序具有如下5項功能：①實時采集梯級泵站的運行壓力數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及酸堿度等超過10個模擬量數(shù)據(jù)；收集梯級泵站運行數(shù)據(jù)、開關(guān)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、中控數(shù)據(jù)、格柵運行數(shù)據(jù)等超過30個開關(guān)量數(shù)據(jù)；收集8路累積量數(shù)據(jù)。②與調(diào)度中心相連接，能夠?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，同時能夠?qū)⒁恢軆?nèi)的數(shù)據(jù)進行上傳。③自動化控制和調(diào)節(jié)梯級泵站的運行狀態(tài)，與梯級泵站閥具有良好的聯(lián)動性。④能夠自動檢測梯級泵站自動化運行系統(tǒng)故障，當檢測存在故障問題后，能夠及時發(fā)出報警提醒，從而能夠提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)運行安全性。⑤能夠?qū)崟r與調(diào)度中心進行自動校時。

5 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)通信設(shè)計

在本次梯級泵站綜合自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中，梯級泵站發(fā)送子程序控制流程如圖2所示。

圖2 梯級泵站發(fā)送子程序控制流程

本次梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計采用主從結(jié)構(gòu)模式，將調(diào)度中心作為通信主站，泵站RTU采用SLC-5結(jié)構(gòu)，作為從站，數(shù)據(jù)傳輸采用半雙工模式。調(diào)度中心的額計算機和泵站RTU之間的通信采用串行通信標準接口RS-232C；調(diào)度中心工控機和泵站SLC-5都采用型號一樣的調(diào)制解調(diào)器TNC-22M，利用頻移鍵控FSK調(diào)制模式，傳輸速率設(shè)計為1 M/s，信道頻率設(shè)計為229.4 MHz，傳輸系統(tǒng)誤碼率需要低于1×10-5規(guī)定；無線電臺采用M338V型號，通信方式采用循環(huán)查詢模式。調(diào)度中心的通信功能包括雙行串口，能夠與有線信道和無線信道相連接，同時能夠與模擬屏幕和泵站SLC-5進行通信。本次梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)通信模塊設(shè)計的具體參數(shù)如表1所示。

表1 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)通信模塊具體參數(shù)設(shè)計

本次梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)協(xié)議包括：①計算機到SLC的信令，接口至SLC信令；報頭（7E81）+信令+NN+參數(shù)+AA。②在SLC返回信令方面，報頭（7E8100NN），數(shù)據(jù)10WORDS模擬量+2WWORDS開關(guān)量+8WRODS累積量+1B狀態(tài)量；在一天數(shù)據(jù)方面，報頭（7381FFmmnn），nn為數(shù)據(jù)信號，戶數(shù)包括模擬量97WORDS、開光亮97WORDS以及脈沖量WRODS；在遙控方面，報頭7E8188NN的參數(shù)為00——信令已被確認執(zhí)行，正在執(zhí)行；11——泵號不正確；22——泵正在執(zhí)行其他信令或不在中控，不能及時響應(yīng)命令；44——泵站故障，不能執(zhí)行命令；99——閥門故障，不能執(zhí)行命令；AA——水位已經(jīng)達到限值，不能進行遙控。③SLC通信格式為8位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無校驗，1 M/s。

6 梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展方向分析

通過上文的分析可以看出，通過采用自動化技術(shù)，能夠在很大程度上提高梯級泵站綜合系統(tǒng)運行控制效果、簡化控制模型構(gòu)建工序以及全面提升運行控制效率，所以自動化技術(shù)在梯級泵站綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。但是因為缺乏實踐經(jīng)驗，當前梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)在實際應(yīng)用中依然存在著一些問題，所以為了提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的實際運行效果，需要準確掌握梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。根據(jù)當前自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來一段時間內(nèi)梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展方向具體如下。

精準化發(fā)展方向。自動化技術(shù)具有較高的控制效率，且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及人工智能技術(shù)與自動化技術(shù)的結(jié)合，當前梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)正在朝著更加精準化的方向發(fā)展，通過提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)控制精準性，能夠有效減少控制所具有的誤差問題，縮短控制系統(tǒng)響應(yīng)時間，使其能夠按照當前梯級泵站的實際運行狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的信令，使得梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)運行控制效果得以全面提升。

智能化發(fā)展方向。通過將自動化與智能化技術(shù)相結(jié)合，能夠在很大程度上提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)智能控制水平，采用智能控制技術(shù)后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運行控制，同時能夠根據(jù)當前泵站運行的實際數(shù)據(jù)，對所發(fā)出指令進行優(yōu)化與調(diào)整，從而能夠全面提升運行控制效率，保證梯級泵站的運行能夠與當前實際情況更加符合，是智能化控制技術(shù)所具有的重要作用。

高效節(jié)能化發(fā)展方向。自動化技術(shù)能夠全面提升梯級泵站控制效率，且當前梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)正在向著更加高效和節(jié)能的方向進行發(fā)展，通過優(yōu)化控制技術(shù)，能夠減少梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)運行所消耗的資源，符合梯級泵站發(fā)展要求，是提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)運行效果的重要方式，通過與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，能夠全面降低梯級泵站運行管理成本，從而提升工程經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的基本內(nèi)涵及其優(yōu)勢，并結(jié)合具體工程案例，對梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的具體內(nèi)容進行深入分析，最后總結(jié)了梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，希望能夠?qū)χ袊菁壉谜窘ㄔO(shè)起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高梯級泵站綜合自動化系統(tǒng)完善性。