第４期 ２０１６年２月 江苏科技信息 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｏ．４ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１６ 泵站综合自动化及控制调节优化研究 洪继龙 ，杨晨霞 （１．扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州２２５００７； ２．江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州２２５１２７） 摘要：针对当前水利系统中泵站自动化建设的技术发展现状，文章研究了泵站的监控和控制调节需求， 实现了一个分层次的综合自动化管理系统，可以满足对一个泵站的全过程远程监控和自动化运行。根据泵 站实际运行中出现的问题，文章提出了一种优化调节控制策略，提高了泵站运行的安全｝生和控制效率。 关键词：泵站；自动化系统；控制调节 １ 泵站结构及其自动化设计需求分析 １．１ 泵站的组成及工作原理 个完整的泵站一般包括泵房、管道、进出水建 筑物及变电站等，泵房内一般安装有水泵、传送装置、 动力机机组、辅助设备等，进出水建筑物中一般安装 有进水池和引水设施、出水池和取水设施等。泵站工 作时，水流通过进水建筑物进入水泵，经过水泵加压 后通过出水建筑物，并流向泵站的输出水利系统，从 而实现提水、输水的功能。从能量运动的角度看，通过 水泵的运动，泵站将电能转化为机械能，然后传送给 待抽送液体，使液体的动能和势能增加，并通过管道 将液体输送到高处或远处。 水泵的核心装置是离心泵，它由固定的泵壳以及 安装在其中的带有弯曲叶片的叶轮组成。当电力驱动 叶轮高速转动时，带动了叶轮中的待抽送液体快速旋 转，由于液体与叶轮间的摩擦力不足以维持其旋转的 向心力，因此液体逐渐流向叶轮边缘，最终被甩人泵 壳中，再经过扩散椎管的减速，液体的动能大部分转 化为势能，从而扬至高处。在水流被甩入泵壳的过程 中，内部水流减少形成真空，由于大气压作用，吸水管 中的液体被吸人叶轮中央作为补充。由此循环，离心 泵达到输送液体的作用。 １．２ 系统的功能需求 １．２．１现地数据采集 现地数据采集的信息主要包括：（１）电气信息，如 泵站机组和主变电压的电流、电压、功率等；（２）非电 气信息，如机组温度、水位、水流量、压力等；（３）状态 信息，如机组运行、关闭、检修等状态，以 及机组开关闭合及辅助设备的状态等； （４）控制和调节，如控制机组开关、变频器 频率调整等。 １．２．２上层监控 （１）系统整体的实时运行状态，包括 泵站机组、辅助设施、配电设施等，在系统 出现故障时能够提供有效、及时的报警信 息，提供故障所在的泵站设备和故障类 型；（２）数据显示和控制，对不同类型的数 一据进行分析和可视化显示，帮助泵站控制人员了解数 据问的联系，并且提供查询和存储数据的功能；（３）能 够监控管理人员的操作记录，并且对操作人员进行权 限管理，从而在交互层面保证系统的运行安全。 １．２－３数据存储与管理 对于历史数据要建立统一的存储与管理平台，从 而分析与评估泵站的运行状况，并且建立接口与上层 水利系统信息共享。 １－３ 系统的体系结构 本系统主要采用由上位机监控软件、可编程控制 逻辑（ＰＬＣ）和现地检测装置组成的３层自动化管理 系统，以实现对泵站现地测控、泵站数据处理和上层 监督控制３个层次的要求。体系结构如图１所示。 ２泵站综合自动化系统的设计 ２．１现地控制层设计 在泵站自动化系统设计中，现地控制层的主要设 备是可编程控制逻辑（ＰＬＣ）。在压力传感器、流量传 感器、水位传感器等底层传感器获得液体压力、流量 水位等初始观测数据以及电机机组的运行状态后，现 地控制层将数据进行初步处理后经由局域网发送给 监督管理层的服务器，同时ＰＬＣ还将接收由上层监 控器发来的控制命令，从而实现分层自动化系统的远 程控制。 本系统中共设置２个ＰＬＣ控制逻辑，分别控制 水源泵站和加压泵站，对其下的传感器进行数据采集 和机组控制。每个ＰＬＣ分别配备１个触摸屏，用来显 示传感器采集的数据和设备当前状态，并且在传感器 图１泵站自动化管理系统体系结构 作者简介：洪继龙（１９８２一），男，江苏南京，本科，工程师；研究方向：电气工程及自动化设计。 一６３— 第４期 ２０１６年２月 Ｎｏ．４ 江苏科技信息・技术探讨 Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１６ 数据超出安全阈值时发出报警信息，从而方便泵站工 作人员监控。ＰＬＣ控制逻辑通过局域网与监督控制层 服务器进行信息交互，为了保证泵站的持续正常工 作，给ＰＬＣ控制逻辑配备不问断电源，同时底层的传 感器配备备用电源。 本系统选择西门子的Ｓ７—２００系列ＰＬＣ阵列，该 系列ＰＬＣ广泛用于分布式系统中的远程控制模块， 通过多个ＰＬＣ的相连可以构建出复杂的分布式网 络。本系统中使用ＣＰＵ２２４ＸＰ ＣＮ作为现地控制模块 的核心，它拥有丰富的指令集，内置ＰＩＤ调节控制器， 可以进行多种指令操作和计算，硬件编程环境采用 ＳＴＥＰ７／Ｍｉｃｒｏ Ｗｉｎ，可进行在线和离线调试。该芯片 还包含２个ＲＳ２８５通讯端口，可以方便远程调控。 ２．２监督控制层设计 该系统的监督控制层采用传统的Ｃ／Ｓ架构，主要 将控制模块分为服务器和客户端２个部分。其中，服 务器是监督控制层的核心，它为客户端提供数据资源 和访问资源，客户端根据服务器提供的数据和权限处 理数据和下达命令。 服务器端通过建立ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ数据库服务器存 储泵站的数据信息。数据库的主要功能为：查询历史 数据，制作历史报表，查看历史报警记录，分析历史数 据。同时，服务器建立与外部水利系统的统一接口，用 来与其他控制系统和水利管理系统进行不同权限下 历史数据的共享与交互。 服务器与客户端之间的通信通过局域网实现，局 域网中的终端包括监督控制服务器、操作员站和工程 师站的设备终端、现地控制层的ＰＬＣ控制逻辑，这些 终端组成一个完整的综合自动化系统。局域网整体的 结构如图２所示。 ２．３控制调节优化 图２自动化系统整体网络结构 制。控制调节策略结合了智能控制和传统控制的优 点，采用模糊控制＋ＰＩＤ控制的机制，由模糊控制方式 控制电机机组开启台数，ＰＩＤ控制变频器频率。 ３结语 本文总结了目前泵站的总体结构，并从中获取了 泵站综合自动化系统建设的用户需求，据此建立＿ｒ一 个基于局域网的分层次泵站管理和优化控制调节的 分布式系统，满足了水利系统对泵站自动化管理和远 程管理的要求，并且使不同的权限操作者对泵站的远 程管理高效化、安全化、简洁化。 参考文献 ［１］孙平安．泵站综合自动化及其优化控制调节研究 ｌ Ｄ １．扬州：扬州大学，２０１２． ［２］樊智敏．泵站综合自动化系统控制功能的研究与 实现［Ｄ］．哈尔滨：东北农业大学，２００６． （责任编辑王敏） 由于当前由人工调度的泵站系统存在加压泵站 进水池水位过高或过低的问题，泵站自动化系统要能 够通过自动控制将加压泵站进水池的水位保持在设 计合理的范围内。在本系统中主要通过离散控制电机 机组开启的个数和连续控制电机机组的运行频率相 结合的混合控制模式，实现对进水池水位的优化控 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎｓ Ｈｏｎｇ Ｊｉｌｏｎｇ ，Ｙａｎｇ Ｃｈｅｎｘｉａ。 （１．Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｓｕｒｖｅｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５ １ ２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ． ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎｓ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ６４—— ——