電氣自動(dòng)化在城市雨水泵站中的應(yīng)用

任菊平

摘要：隨著城市下穿立交橋的建成，橋區(qū)雨水提升泵站應(yīng)運(yùn)而生，為適應(yīng)城市無縫隙管理，在泵站推廣電氣自動(dòng)化很有必要。電氣自動(dòng)化可讓泵站引進(jìn)“無人值班”控制模式，配合監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測潛污泵電機(jī)、高/低壓成套設(shè)備的運(yùn)行，并有針對性地對泵站現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)、管理進(jìn)行必要的改進(jìn)，對快速有效應(yīng)對極端降雨過程、確保橋區(qū)道路暢通意義重大。

關(guān)鍵詞：雨水泵站；電氣自動(dòng)化；橋區(qū)

DOI：10.12433/zgkjtz.20232942

汛期，城市下穿橋區(qū)匯集的雨水能否得到及時(shí)抽排，已成為影響城市交通安全不可小覷的因素之一。目前，仍有部分雨水泵站存在電氣設(shè)備陳舊、技術(shù)與管理落后的情況。在現(xiàn)有泵站工作模式的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，如：引進(jìn)可編程控制器PLC（Programmable? Logic? Controller）等自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)啟停，優(yōu)化整合已有智能產(chǎn)品閑置的通信接口（如以太網(wǎng)通訊模塊接口），借助數(shù)字管理平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合調(diào)度與資源共享。

一、泵站現(xiàn)狀

截止目前，某市主城區(qū)現(xiàn)有雨水泵站53座，總提升能力達(dá)41.8萬m3/h。其中，地道橋泵站46座，平面提升泵站7座，老舊泵站占比近半成以上。老舊泵站普遍存在泵池占地面積小、容納雨水有限的問題，嚴(yán)重缺乏對收儲(chǔ)雨水的調(diào)蓄功能，一旦遇到持續(xù)30min以上的強(qiáng)降雨過程，雨水就會(huì)淹沒地道橋。

近年來，新建泵站多采用雙回線路供電，且每一回路都承擔(dān)著泵站的全部容量，泵站由二級負(fù)荷供電，自備柴油發(fā)電機(jī)組1～2套。市電為10KV高壓交流電，變壓器容量通常在200～400KVA，較大規(guī)模泵站可達(dá)630～1000KVA，水泵電機(jī)功率在22KW～132KW，個(gè)別達(dá)到185KW，單臺水泵理論最大抽排能力在600～2200m3/h，甚至6480m3/h。水泵啟動(dòng)控制箱由原來的星—三角降壓啟動(dòng)，逐漸改造為軟啟動(dòng)器降壓啟動(dòng)或變頻器降壓啟動(dòng)，部分泵站管理采用人工加半自動(dòng)化運(yùn)行，液位信號采集一直以來應(yīng)用浮球液位計(jì)，利用高、低水位開關(guān)信號控制水泵的啟停。近年來，通過逐步引進(jìn)智能控制系統(tǒng)，液位計(jì)由結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、重量較輕的投入式壓力液位計(jì)或超聲波液位計(jì)取代，又如在泵站進(jìn)水管道與緩沖池之間增設(shè)回轉(zhuǎn)式固液分離格柵除污提升機(jī)，排水管道上的閥門配套安裝智能電動(dòng)執(zhí)行器，泵站硬件設(shè)施技術(shù)的提升，給管理帶來了較大改善。

然而，不少泵站自動(dòng)控制仍處于停運(yùn)狀態(tài)，原因如下：第一，個(gè)別一次探頭（傳感器）及自動(dòng)化元件質(zhì)量較差，可靠性差；第二，一些測試手段尚未得到妥善解決；第三，環(huán)境較差，水泵池里的水泵常年被雨水浸泡；第四，缺乏專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)；第五，職工觀念陳舊。還有些泵站雖然進(jìn)行了部分技術(shù)改造，但僅限于水泵控制或安防獨(dú)立運(yùn)行，功能模塊分割沒有形成有效協(xié)同，有限資源沒有得到很好的整合利用，泵站技術(shù)管理發(fā)展空間仍有待挖掘提升。

二、抽排水流程

收水井（溝）、進(jìn)水管道（閘門）、匯水池、格柵除污提升機(jī)組、泵池（泵室）、出水管道（閥門、單向閥）、泄流池、流入市政雨水管道（或雨水溝渠）。

三、自動(dòng)化管理系統(tǒng)

電氣自動(dòng)化取決于泵站的規(guī)模、形式、現(xiàn)有的機(jī)電設(shè)備性能、是否有足夠的通信接口預(yù)留等，以達(dá)到分散檢測與集中控制，通過監(jiān)控橋區(qū)路面積水，監(jiān)控動(dòng)力電源設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)，以及自動(dòng)控制泵站水泵等電氣設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)置的程序設(shè)定目標(biāo)值“啟/?！彼茫苊馊藶檎`操作，做到及時(shí)、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，較以往管理模式突破了“零人值守”雨水抽排作業(yè)。以下以某新建雨水泵站為例，自動(dòng)化管理程度較高，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，做法具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

（一）泵站自動(dòng)控制的主要設(shè)備及附屬設(shè)施

1.按擔(dān)負(fù)的任務(wù)劃分

第一，中控室（工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC控制柜及擴(kuò)展I/O開關(guān)量模塊和AI/AO模擬量模塊、SPD、觸摸屏、數(shù)據(jù)交換機(jī)、UPS電源、打印機(jī)以及預(yù)留通訊接口、錄像機(jī)硬盤、交換機(jī)、服務(wù)器等）；第二，信號采集設(shè)備（液位傳感器、變送器、水泵電機(jī)保護(hù)器、位置開關(guān)、H2S等有害氣體變送器、球形云臺攝像機(jī)等）；第三，動(dòng)力設(shè)備控制箱（進(jìn)/排水閘門、排水閥門、反撈式格柵除污機(jī)、水泵控制柜、高/低壓成套控制柜等）；第四，電纜（信號傳輸電纜、電源電纜）；第五，金屬立桿等附屬設(shè)施。

2.按功能劃分

第一，攝像機(jī)：泵站作業(yè)區(qū)、橋區(qū)主干道水位標(biāo)尺、進(jìn)排水閘門、配電室、中控室；第二，液位變送器：進(jìn)水閘門、格柵機(jī)前后、調(diào)蓄池；第三，智能溫度測控儀：每臺變壓器配置一套；第四，智能水泵保護(hù)器：配置在水泵控制柜內(nèi)，數(shù)量與水泵相符；第五，智能電量參數(shù)采集儀表：分別投放在高/低壓配電柜；第六，H2S等有害氣體變送器以及報(bào)警儀。

（二）控制模式

根據(jù)用電場所及安全風(fēng)險(xiǎn)類別，有水泵電機(jī)及附屬用電設(shè)施控制箱/柜和配電室控制柜兩類控制模式。

1.水泵電機(jī)及附屬用電設(shè)施

在“控制箱/柜”面板上設(shè)置本地手動(dòng)和自動(dòng)模式，這兩種模式實(shí)施電氣互鎖和程序互鎖。

第一，控制箱/柜均設(shè)“手動(dòng)—停止—自動(dòng)”功能旋鈕；第二，本地手動(dòng)模式，當(dāng)旋鈕打到“手動(dòng)”時(shí)，通過現(xiàn)場面板上的按鈕，就地對設(shè)備實(shí)施“啟/?！辈僮?，主要用于該設(shè)備的現(xiàn)場維修、保養(yǎng)與、調(diào)試等；第三，遠(yuǎn)程手動(dòng)模式，當(dāng)旋鈕打到“自動(dòng)”且中控室觸摸屏人機(jī)監(jiān)控界面處于“遠(yuǎn)程手動(dòng)”時(shí)，可實(shí)現(xiàn)中控室操控作業(yè)現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備“啟/?！?；第四，自動(dòng)模式。當(dāng)旋鈕打到“自動(dòng)”且中控室觸摸屏人機(jī)監(jiān)控界面處于“自動(dòng)”時(shí)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與PLC交互通信，完成自動(dòng)控制作業(yè)。

2.配電室控制柜

設(shè)本地和遠(yuǎn)程模式，這兩種模式在中控室與配電室之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)對應(yīng)操作，這兩種模式進(jìn)行電氣互鎖及程序互鎖。

第一，本地模式即在配電室現(xiàn)場進(jìn)行手動(dòng)操作；第二，遠(yuǎn)程模式即在中控室監(jiān)控界面進(jìn)行手動(dòng)操作。

（三）功能

中控室具備動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制、報(bào)警、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與查詢、形成報(bào)告、信息上傳通訊等功能。

1.數(shù)據(jù)監(jiān)測

監(jiān)測調(diào)蓄池液位、水泵運(yùn)行（電源電壓、運(yùn)行電流）/停止以及電機(jī)保護(hù)狀態(tài)、格柵除污提升機(jī)及閥門和閘門工作狀態(tài)、變壓器（三相額定線電壓、相電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率以及負(fù)荷率）狀態(tài)等。

2.控制

第一，根據(jù)設(shè)定的每臺泵“啟/停”液位參考值控制泵的啟/停，水泵控制柜接受來自PLC發(fā)來的水泵“啟動(dòng)/停止”指令。水泵采用“高啟/低?！背绦蛟O(shè)計(jì)，當(dāng)泵池放置數(shù)臺水泵時(shí)，應(yīng)將水泵按照開啟間隔3～5min的順序開啟，水泵之間應(yīng)有不同的啟止水位，但“啟動(dòng)/停止”水位差不宜過大，通常在0.3～0.6m為宜，自動(dòng)狀態(tài)下，由程序控制水泵輪流投入工作。需要注意，水泵開啟與關(guān)停有可能較為頻繁，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營，應(yīng)及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化水泵投入臺數(shù)，以及泵與泵之間的運(yùn)行程序，取得最佳運(yùn)行對應(yīng)值后，及時(shí)修改并輸入PLC，從而確保機(jī)組處于最佳工況。第二，格柵除污提升機(jī)的電氣控制具備“手動(dòng)/自動(dòng)”功能，自動(dòng)控制則根據(jù)格柵機(jī)前/后液位差控制方式，當(dāng)液位差值大于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)液位差值小于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停機(jī)。第三，根據(jù)汛情預(yù)報(bào)，提前遠(yuǎn)程開啟進(jìn)/排水閘門及排水閥門。第四，當(dāng)預(yù)報(bào)強(qiáng)降雨時(shí)，采取人為干預(yù)提前開啟較小流量的水泵，適當(dāng)降低調(diào)蓄池水位。第五，當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨過程時(shí)，結(jié)合橋區(qū)最低處車道的云臺攝像機(jī)觀測路面的積水情況，保證運(yùn)行變壓器處于最大承載能力的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)程隨時(shí)增加開啟水泵的臺數(shù)。

3.信號報(bào)警

第一，潛污泵多功能保護(hù)器故障報(bào)警，如：電機(jī)泵的過載保護(hù)、接線室進(jìn)水保護(hù)、油室進(jìn)水保護(hù)、軸承溫度升高過熱保護(hù)、電機(jī)線圈浸水保護(hù)。第二，閥門/閘閥電機(jī)以及格柵機(jī)電機(jī)（過載保護(hù)、軸承過熱保護(hù)）報(bào)警。第三，集水池超高液位報(bào)警、泵室超低液位報(bào)警。第四，電源欠壓保護(hù)報(bào)警，電源缺相故障保護(hù)報(bào)警、電流異常報(bào)警。第五，H2S等有毒氣體報(bào)警儀，安裝在地面泵室或泵池入口以上1.3m處，并張貼安全提示標(biāo)識。第六，安防入侵報(bào)警。

4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢

運(yùn)行時(shí)長記錄數(shù)據(jù)、故障事件信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

5.參數(shù)設(shè)置

第一，水泵液位階梯參數(shù)設(shè)置。當(dāng)液位突破一臺水泵液位時(shí)，起動(dòng)一臺水泵；當(dāng)液位突破兩臺水泵液位時(shí)，啟動(dòng)2臺水泵；當(dāng)液位低于所有水泵液位時(shí)，停止所有水泵；當(dāng)液位低于兩臺水泵液位時(shí)，停止泵組內(nèi)的2臺水泵；當(dāng)液位低于最低保護(hù)液位時(shí)，停止所有水泵，此時(shí)水泵啟動(dòng)控制電路處于鎖閉保護(hù)狀態(tài)，在中控室手動(dòng)控制也不能起動(dòng)水泵。第二，報(bào)警值設(shè)置。第三，儀表“模擬量”量程設(shè)置。當(dāng)遇到液位變送器更換且量程改變時(shí)，則進(jìn)入該界面調(diào)整變送器相應(yīng)的量程值。

6.報(bào)告

某設(shè)備運(yùn)行記錄、故障事件描述、現(xiàn)場采集開關(guān)量及模擬電信號參數(shù)值。

7.信息上傳

借助ADSL網(wǎng)口與上級調(diào)度中心實(shí)施通訊。

8.權(quán)限設(shè)置

如西門子PLC設(shè)項(xiàng)目密碼和權(quán)限密碼，不區(qū)分大小寫，監(jiān)控PC機(jī)設(shè)開機(jī)密碼。

9.預(yù)留上一級管理通訊接口，以便日后擴(kuò)展必要功能

（四）通訊協(xié)議

第一，配電室低壓進(jìn)線柜借助智能化儀表模塊，通過Profibus-Dp接口，將線電流I線、線電壓U線、相電壓U相、有功功率P有、無功功率P無、功率因數(shù)cos?、負(fù)荷率等電量傳到PLC處理。第二，高/低壓進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜斷路器開關(guān)量信號，通過信號線傳送給PLC。第三，變壓器由智能化測溫儀模塊通過Profibus接口，將三個(gè)鐵芯內(nèi)置于高壓線圈內(nèi)層的溫度4～20mA的模擬量信號，傳送給PLC模塊處理。第四，水泵控制柜借助智能保護(hù)器通過Profibus接口，將三相電流、三相線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、傳給PLC處理。第五，觸摸屏與PLC之間通過RS485接口建立通訊。

（五）信號傳輸

第一，液位信號采集原理。采用投入式集成壓力傳感器的變送器，變送器規(guī)格根據(jù)水泵調(diào)蓄池最高極限水位深度選用XXm，標(biāo)準(zhǔn)電流信號4～20mA。一定水位深度對應(yīng)某壓力值，而這個(gè)壓力值又對應(yīng)4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號區(qū)間內(nèi)的一個(gè)電流值，也就是說，水位變化反映給壓力變送器的壓力變化以及流過變送器標(biāo)準(zhǔn)電流信號也在變化，該信號被PLC的模擬量AI模塊接受并處理，用于讀取水位的深度值和控制水泵“啟/?！薄５诙?，信號源有開關(guān)量信號、標(biāo)準(zhǔn)模擬量（4～20mA）信號，通過屏蔽電纜分別傳輸給PLC的I點(diǎn)、AI點(diǎn)，屏蔽信號電纜與動(dòng)力電纜要保持規(guī)范的安裝距離，且屏蔽層一端接地，嚴(yán)禁兩端同時(shí)接地。

四、信號采集模塊的介紹

BBM-‖型潛水泵保護(hù)模塊和ZJK-05型水泵多功能保護(hù)器、UNT-MMI（Man-Machine Interaction人機(jī)交互）智能MCC（Motor control center電機(jī)控制中心）智能控制保護(hù)裝置、智能一體化QZ系列電動(dòng)執(zhí)行器模塊、HZF-S1型閘門智能測控儀、YS-TY131投入式壓力液位計(jì)（變送器）與智能數(shù)字顯示控制儀、智能化氣體檢測變送器。

五、建議措施

進(jìn)一步優(yōu)化泵站自動(dòng)化應(yīng)用場景，提高泵站主機(jī)組及輔助設(shè)備的單機(jī)自動(dòng)化程度，優(yōu)化電氣自動(dòng)化流程，篩選自動(dòng)化系統(tǒng)元配件，加強(qiáng)電氣維護(hù)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)與專業(yè)考核。

六、結(jié)束語

本文介紹了某雨水泵站應(yīng)用全自動(dòng)管理的運(yùn)營場景，實(shí)現(xiàn)了對泵站抽排設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、日常值守監(jiān)控、庭院監(jiān)控等，通過改善勞動(dòng)生產(chǎn)條件、杜絕值班員的工作盲目性，保證“雙控”安全落到實(shí)處，降低管理人員的工作強(qiáng)度和管理成本、提高生產(chǎn)效率和管理水平，使泵站在汛期發(fā)揮應(yīng)有的社會(huì)效益。

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