自动化在配水泵站中的应用

摘要：南方某引水工程是一项大型的水利和市政项目，该工程的顺利建成全面提升了广州市供水质量和安全可靠性。由于该工程的输水管线自佛山市三水区引到广州市白云区，全长70多公里，自动化控制在该工程中广泛应用。本文仅以该工程中某配水泵站为例，谈谈自动化在配水泵站的应用。

关键词：引水工程 配水泵站 自动化

1 引言

引水工程中取水泵站由12台相同的取水泵（并联方式）组成，将所取原水经2条主干管（互相连通）输送到配水站。配水增压泵站是整个引水工程的组成部分，负责向广州市的各大水厂及及规划中的北部水厂配送源水。因此，泵站调度包括配水泵站的配水调度和取水泵站的取水调度；配水需求决定取水调度，而取水调度的效果又对配水的实现产生直接的影响。

2 配水泵站的配置

根据设计院图纸，配水泵站的水泵机组采用荷兰耐荷泵业（Norit Nijhuis Pompen b.v.）的产品，水泵类型均为卧式单级双吸离心泵，其中5套大泵型号为Venusl-12001000，5套中泵型号为 Venusl-9001000，2套小泵型号为 Venusl-800700。配水泵站水泵机组的启动方式分为2种：直接启动和降压启动（采用软启动器）；相应地，水泵机组配套自控系统也分为2类直接启动水泵机组LCU（记为LCU02）和软启动水泵机组LCU（记为LCU01）；即5套大泵采用软启动方式，5套中泵和2套小泵采用直接启动方式。

根据设计院图纸，配水泵站可以采用2种方式完成配水功能：一是采用超越总管（旁通管）为3个水厂直接供应原水（直接配水模式）；二是采用不同的泵组增压后为3个水厂供应原水（增压配水模式）。

引水工程配水总调度主要由指挥部调度中心汇总各目标水厂的水量需求，下达配水综合调度指令。

配水泵站公用LCU根据配水综合调度指令，决定取水泵站水量需求，并将总水量（Q）发送给取水泵站公用LCU。同时，配水公用LCU根据测算结果确定配水泵站的工作模式，并向各受控设备（超越阀门、配水泵组等）发出指令。

3配水泵站组控制LCU 组成

配水泵站LCU组成：配水增压泵站是整个引水工程的组成部分，负责向广州市各大水厂及及规划中的北部水厂配送源水。其泵站设备自动化监控系统采用由可编程序控制器（PLC）与上位计算机组成的集中控制系统。配水泵站LCU由一套公用LCU与12套泵组LCU组成。

配水泵站现场监控结构：与取水泵站监控系统类似，配水泵站也分为三层：

1）现场操作层（现场设备层）；

2）PLC 站控制层（过程控制层）；

3）操作站层（监控管理层）。

配水泵站控制原则：泵站每一工序上的主要设备均设计有三种运行方式，即：全自动控制、集中远程操作和现场（就地）分步操作。设备操作优先权设置满足现场操作层优先于PLC站控制层，PLC站控制层集中分步控制优先于自动控制。控制权限通过设备现场控制屏柜的操作切换开关、LCU柜触摸屏、中控室HMI界面进行切换和闭锁，确保设备控制方式的唯一性。权限级别从高到低依次为：急停、调试、就地、远程控制。在各控制模式下，监控系统都能采集数据和监视运行状态。

配水泵站机组LCU控制对象及各变量描述：配水泵站机组LCU的主要功能包括采集主泵出口流量、进出口压力、主泵转速、主泵电机定子温度、主泵电机轴承温度、主泵轴承温度、主泵振动参数、循环水压力、流量、热水温度等信号;实现机组的一步化开停。机组一步化开停设备包括：主泵电机、主泵出口阀门、循环水泵及循环水进水管压力、流量，出水管温度等。操作终端上动态显示机组工艺流程、工艺检测参数和设备工作状态并实时上传数据，接受上一级下达的控制指令、工艺参数的整定，判断其正确性、可行性后加以执行。

配水水泵机组与电动机：根据设计院图纸，配水泵站的水泵机组采用荷兰耐荷泵业（Norit Nijhuis Pompen b.v.）的产品，水泵类型均为卧式单级双吸离心泵，其中5套大泵型号为Venusl-12001000，5套中泵型号为Venusl-9001000，2套小泵型号为Venusl-800700。配水泵站水泵机组采用2种启动方式：直接启动和降压启动（采用软启动器）；相应地，水泵机组配套自控系统也分为2类直接启动水泵机组LCU（记为LCU02）和软启动水泵机组LCU记为LCU01）；即5套大泵采用软启动方式，5套中泵和2套小泵采用直接启动方式。泵组LCU 关于水泵及电机的控制信号如图3-1所示。

配水泵站机组PLC配置：取水泵机组现场控制柜（LCU柜）采用统一的形式，外形尺寸：2200mm（高）×800mm（宽）×600mm（深）。PLC控制器为AllenBradley公司的CompactLogix系列1769型号的PLC。

配水泵站机组的静态检测：配水泵组在静态时，PLC 循环检测泵组的循环水进、出水温度，电机A 相、B 相、C 相温度，电源相位，水泵轴承温度，电机轴承温度，循环水泵等是否正常；否则，系统将发出报警信号，提醒值班人员。

配水泵站机组的正常启动过程：当静态检测正常时，机组接到开机命令时，现场PLC启动机组，首先开冷却水进水阀；接着开循环水泵，待循环水压力达标后启动水泵；电机正常启动后，检查是否达到出口压力，达到规定压力后，开启液控阀门，整个开机过程结束。根据设计院相关图纸，结合取水泵机组与附属设备相关特点，水泵机组正常启动流程如图3-2所示。在泵组正常开机过程中，PLC检测到某设备故障或者开泵定时监视超时，则进入对应的停泵流程，同样启动停泵定时监视；并且生成相应的报警信息。

配水泵站机组运行过程的检测：在配水泵组运行过程中，PLC检测电机轴承温度、水泵轴承温度、泵口压力是否在设定范围内、阀门是否有故障；运行流程如图3-3所示。PLC根据状态和内容的将故障、报警等信息上传到HMI调度界面，根据报警等级的不同由人工决定采取报警、停机、事故停机等不同的处理流程。

配水泵站机组的停机过程：配水泵组在运行过程中，接到停机命令后，先关闭阀门，然后停水泵，待水泵温度和电机温度达到要求时，再关闭循环水出水阀，最后关闭循环水进水阀；另外，泵组的故障停机过程及处理：

情况一：机组在运行过程中，如果发现故障（如：泵口压力超出范围），PLC将以紧急方式停机，并发出报警信号，记录报警时间和内容。

情况二：电机因为继保动作、失电等原因停止运行，PLC将自动关闭液控阀门。系统发出报警信号，记录报警时间和内容。

情况三：在启动和停止泵组的过程中，不能满足继续执行的条件，PLC将以紧急方式停机过程完成剩余的流程。

配水泵站公用LCU配置：配水泵站公用LCU柜采用统一的形式，外形尺寸：2200mm（高）×800mm （宽）×600mm （深）。公用LCU的PLC控制器为AllenBradley公司的ControlLogix系列1756型号的PLC。

配水泵站公用LCU控制：配水泵站公用LCU主要完成如下功能：

1)轮询各传感器及变送器的相关参数，并传送给上位机：1#、2#低压进线电量变送器，1#、2#变电所低压馈线电量变送器，综合楼、门卫、机修车间低压馈线电量变送器。

2)检测状态信息，并传送给上位机：1#、2#进水总管故障信号，1#、2#、3#出水总管故障信号，1#、2#、3#总管超越阀门启/闭信号、阀过力矩报警信号和手动/自动信号，循环水冷水和热水故障信号，1#、2#循环水阀门启/闭信号、阀过力矩信号和手动/自动信号，1#、2#冷却水塔启/闭信号、故障信号报警信号和手动/自动信号，循环水池出水与补水阀门启/闭信号、阀过力矩信号和手动/自动信号，1#~6#排水泵开停信号、故障信号和手动/自动信号，东侧泵房、西侧泵房和配电间温湿度仪故障信号，UPS 状态信号与自切脱扣信号。

3)根据上位机的指令，控制以下几个设备的开启/关闭：1#、2#、3#总管超越阀门，启/闭1#、2#循环水阀门，开停1#、2#冷却水塔，开启/关闭循环水池出水阀门和补水阀门，开停1#~6#排水泵。

4)配水公用PLC还监测以下变量，并上传上位机：泵房东面1#~3#调节池液位，泵房西面4#~6#调节池，1#、2#进水总管压力和流量，1#~3#出水总管压力和流量，1#~3#总管超越阀门开度，循环水流量，循环水池液位，东侧和西侧泵房、配电间环境温度和湿度。

配水泵机组PLC控制注意事项：从控制角度看，配水泵机组与取水泵机组差别包括：

1）尽管取水泵站与配水泵站都是采用卧式单级双吸离心泵。但取水泵功能是提高原水的水位（抽水），而配水泵功能则是送水，采用的是循环泵形式。

2）取水泵机组采用了变频器调速，而配水大泵机组则使用软启动，配水中泵和小泵则直接启动。

3）基于取水泵机组采用变频器调速，中控室或机柜HMI 可以指定每一台机组的取水能力（即出水流量）；而配水泵机只有大泵、小泵机组启动/关闭控制，一旦启动目标水厂的某一组合水泵，其配水能力则确定。

4结语

配水泵站是水厂工艺流程的重要环节，配水泵机组的控制策略与性能的优劣直接影响水厂的供水能力。自动化在配水本站的应用更能提高泵站水泵机组控制的准确性，只要设计阶段认真考虑各种工况，合理编制相关程序，就能大大提高泵站运行的安全性和高效性。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。