泵站自动化及信息管理系统—物联网智慧水务

       泵站自动化及信息管理系统解决方案

泵站自动化及信息化管理系统之取水泵站远程监控系统

概述

       地表水一般通过取水泵站汇集并输送到水厂。取水泵站远程监控系统是城市供水远程监控与调度管理系统中的子系统。调度ZX工作人员可以远程监控泵站设备工作情况，取水泵站管理人员可以远程控制泵站设备。

系统组成

       取水泵站远程监控系统主要包括：调度ZX服务器、水厂值班室计算机、监控系统软件、通信网络、取水泵站远程监控终端、水泵启动柜、水位计、压力变送器、流量计等。

组网通信方式

       根据具体情况选择下列组网通信方式：

       方式一：取水泵站直接与主管水厂通信，每个水厂再与调度ZX进行通信。

       方式二：所有取水泵站直接与调度ZX通信，水厂通过访问调度ZX与下属泵站进行通信。

主要功能

       ◆ 监测取水泵站配电室供电电流、供电电压、电能、线路供电状态等。
       ◆ 监测每台提水泵工作电流、工作电压、检修状态、启停状态、保护状态等。
       ◆ 监测每个电动阀门的开度、开到位关到位状态。
       ◆ 监测出水压力、出水流量、取水池水位、浊度等信息。
       ◆ 监测泵房内污水积水池水位，根据水位控制污水泵排水。
       ◆ 自动控制每台提水泵、阀门；远程控制每台提水泵、阀门。
       ◆ 自动记录每台水泵的工作时间，合理安排水泵工作，均匀磨损。
       ◆ 监测吸管真空度，自动、远程控制真空泵。
       ◆ 人员进入泵房，自动报警，自动拍照上传照片；也可远程控制拍照。
       ◆ 电流、电压、水位、压力、浊度等超过设定数值时报警，支持自动保护；停电报警。
       ◆ 监测终端和监控ZX服务器均可存储历史数据。
       ◆ 自动生成生产报表、曲线。
       ◆ 支持多种通信方式，采用光纤或无线网桥通信时支持视频监控。

值班操作员界面

主要设备组成

1、监控现场（单个测点）

       备注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信为例。

2、监控ZX

    备注：客户也可直接租用“平升云平台”，点击“云平台软件”了解详情。

泵站自动化及信息化管理系统加压泵站远程监控系统

 适用范围

       泵站远程监控系统适用于城市供水系统中加压泵站的远程监控及管理。

       泵站管理人员在监控ZX即可远程监测泵站水池水位或进站压力、加压泵组工作状态、出站流量、出站压力等；可远程控制、自动控制加压泵组的启停；光纤通信时，可图像监视站内全景及重要工位，实现泵站无人值守。

系统组成

系统功能

软件界面

现场展示

主要设备组成

1、监控现场（单个测点）

     备注：以采用“GPRS/CDMA/4G/NB-IOT”通信为例。

2、监控ZX

     备注：客户也可直接租用“平升云平台”，点击“云平台软件”了解详情。      

应用案例

案例一、华北油田万庄矿区供水泵站远程监控系统

项目需求：

        华北油田万庄生活区的生活用水分别由东、南、西、北4个恒压供水泵站供应，每个泵站的水源来自1~3口水源井。供水系统采用人工值守的方式管理，由32名工人24小时轮流值班，管理成本极高。

       为减少泵站运营费用，管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。

工艺流程图：

系统说明：

1、通信及组网

        4个泵站分布在小区的东、南、西、北四个方向，如系统采用有线方式传输，则布线、施工难度大且时间长、费用高。鉴于小区内GPRS信号较好，采用GPRS通讯完全能够满足数据实时传输的要求，而且改造速度快、成本低，所以ZZ采用GPRS无线传输。 

        监控ZX不具备上网条件且水源井、泵站监控设备之间需要自主通信，因此系统需要采用VPN专网模式进行组网，每套设备里面都安装了GPRS-VPN专网的SIM卡。

2、系统功能

        ① 泵站监控终端DATA-9201作为主监控终端，安装于供水泵站内，采集蓄水罐水位、管网压力、管网流量、泵组运行状态和参数，并根据管网压力自动控制加压泵组的运行。

        ② 水源井监控终端DATA-9201作为子监控终端，安装于各水源井泵房，每个子监控终端监控一台水源井，采集水源井水位、流量、泵的累计运行时间、泵运行状态，根据供水泵站内蓄水罐水位、各泵累计运行时间自动控制各水源井为蓄水罐补水。

        ③ 各泵站、水源井的水泵状态及运行参数、管道压力、管道流量、蓄水罐水位等数据全部上报给监控ZX；数据越限，设备故障时，系统自动向管理人员手机发送报警短信。

3、自动供水实现原理

        自动供水系统分为两部分，即供水泵站蓄水罐端和水源井端。 

        供水泵站蓄水罐端：泵站监控终端DATA-9201采集水罐水位，并设定期望水位值、期望水位变化值△、水位报警的4个限值，根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量，当水位过低时自动关停泵站加压泵组，停止对外供水。

        水源井端：水源井监控终端DATA-9201采集水源井水位、水源井流量、泵状态、泵的累计运行时间，根据水泵状态及运行时间进行选泵（实现各水源井水泵均衡运行）并根据泵站监控终端输出的需求流量进行自主启、停泵操作为水罐补水，使蓄水罐水位一直在期望值范围内。

应用效果：

        经升级改造后，供水系统无论在供水高峰期或低峰期，都能够保证水罐水位在期望值范围内。主、子监控终端根据蓄水罐水位智能控制水源井水泵的启动个数和运行时间，避免了水泵频繁启动和空转现象的发生。

        泵站远程监控系统的建设，提高了水泵运行效率、大大节约了电能、缩减了27名工作人员，实现了用户无人值守的需求，达到了减员增效的目的。

案例二、安徽某水厂取水泵站远程监控系统

项目需求：

        安徽某水厂的水源来自5公里外的河道，长久以来一直采用人工值守的方式来管理河道取水泵站。

当水厂内水池水位低时，调度人员需打电hua通知泵站值守人员手动开泵；水池水位高时，再打电hua通知泵站值守人员手动关泵，泵站的人力、交通等管理成本非常高。

        为降低管理成本、提高管理效率，该水厂决定安装一套取水泵站远程监控系统。

工艺流程图：

系统说明：

1、通信及组网

        现场情况：

        ① 河道取水泵站所在位置GPRS信号质量很差但能通过宽带上网。

        ② 水厂水池处GPRS信号质量很好。

        ③ 水厂调度ZX可以上网，并绑定了固定IP地址。

        组网方案：

        该系统中，泵站测控终端和水池测控终端需要点对点通信，实现供水自动控制；

        泵站测控终端和水池测控终端需要通过网络将监控数据上报给调度ZX，实现远程监控；

        综合现场通信条件和系统功能需求，ZZ采用了专网云的方式来组网建设系统，如“工艺流程图”所示。

2、系统功能

        ① 远程监测

        ★ 取水泵站电磁阀、水泵运行状态及电压、电流。

        ★ 取水泵站管道压力、取水流量；水厂内水池水位。

        ★ 泵站测控终端、水池测控终端箱门状态、供电状态。

        ② 自动供水

        河道取水泵站根据水厂内水池水位自动供水，保障水池适度蓄水，实现无人值守运行。

        ③ 远程控制

        支持远程手动控制水泵和阀门，当系统出现异常时，可及时进行人工干预。

        ④ 故障预警

        数据越限、设备故障时系统自动报警。

3、自动供水实现原理  

        ① 当水池水位到达上限时，系统自动关停取水泵、电磁阀；

        ② 当水池水位到达下限时，系统自动开启电磁阀、取水泵；

        ③ 当某台泵的管道压力到达上限时，系统优先关停该组取水泵、电磁阀，保护管道安全。

案例三、贵州某地农村供水工程多级泵站远程监控系统

项目需求：

        贵州某地农村水厂的源水取自湖泊，经水厂净化、消毒后通过三级泵站（含水厂内一级泵站）提水到A山高位水池，之后自流到山下四级泵站，四级泵站再提水到B山高位水池，ZH通过自流的方式为山下的村庄供水。

        为解决管理人员不足、系统运行能耗高、管理费用高等诸多问题，当地水司提出了建设一套“多级泵站远程监控系统”的需求。我公司为该项目提供了了全套的监控设备和软件，实现了四级泵站的联动控制和系统的无人值守运行，取得了很好的应用效果。

工艺流程图：

        本项目中，各级泵站的内部工艺基本相同，水池后均配置2台提升泵（一备一用），如下图所示：

系统说明：

1、通信及组网

        该项目位于山区，无线信号质量很差。为保证系统的稳定性并方便后期扩展视频监控功能，各站点间均铺设了光纤，组成了光纤局域网。

2、系统功能

        ① 监控ZX实时监测各级泵站、水池运行工况及运行数据，包括：

        ★ 水泵、电动阀运行状态、故障状态、控制模式、工作电流和电压。

        ★ 泵站水池、高位水池水位。

        ★ 测控终端箱门状态、供电状态。

        ② 四级泵站联动，保障各级水池合理蓄水。

        每级泵站根据下一环节水池水位自动运行，水位低时自动补水、水位高时自动停水，四级泵站联动、无人值守运行。

        系统运行效率高、水泵运行时间短，保障供水安全、电能节约。

        各级泵站均支持远程控泵、控阀，一旦供水异常可及时进行手动控制。

        ③ 远程控制高位水池电动阀门，实现按需供水。

        监控ZX根据用水需求，远程控制高位水池电动阀门的开启、关闭，

        ④ 故障预警，可及时发现和处理设备故障。

        水泵/阀门故障、电流超限、电压缺相等故障发生时自动报警，以便维护人员及时检修，保障正常供水。

3、泵站联动控制原理

        ① 下一环节水池水位到达水位上限时，本级泵站自动关阀、关泵，停止供水；

        ② 下一环节水池水位到达水位下限时，本级泵站自动开泵、开阀，启动供水；

        各级泵站均按上述逻辑自主运行，实现四级泵站联动控制，系统自动供水。

设备安装现场：

泵站自动化及信息管理系统之泵站远程监控系统

自来水事业部订购热线:（0315）7353608

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无人值守泵站工艺逻辑设计及应用

（The work logic design and applications for unattended water-pumping stations） 

姚妍彬、庞传龙、卢成伟、张晓华

摘要：结合实例阐述了无人值守泵站的设计思路和实现方法，ZD总结了多口水源井为蓄水罐补水的自控逻辑设计，为此类给水泵站的自动化改造提供了新思路。

Abstract: The paper mainly introduces the design and realization?for unattended water-pumping stations,summarizes the auto-control logic of several water-pumps supply water for one water storage tank.?It provides a new thought for this kind of pump stations’automation.

关键词：水源井、给水泵站、泵站改造、无人值守、自控逻辑

1、项目背景

        华北油田廊坊万庄矿区的生活小区有常驻人口8万人、板式楼房100余座，小区内的生活用水分别由分布在小区东、南、西、北的4个给水泵站供给。4个泵站均采用人工值守的工作方式，由32名工人24小时轮流值班，管理成本极高。

        为了减少泵站运营费用，管理部门要求将所有泵站改造成为无人值守自动运行泵站，希望仅配置少量设备维护人员即可保障泵站的正常运行。

2、设计思路及改造要求

        首先要解决的就是数据传输问题，即将所有泵站的数据集中至中控室计算机，以便于远程监控。考虑到小区占地面积比较大，如果采用光纤传输，布线、施工难度大且时间长、费用高。鉴于生活小区内手机信号比较好，采用GPRS传输完全能够满足数据实时传输的要求，且改造速度快、成本低，ZZ确定采用GPRS的传输方式。 

        其次要解决的是给水泵站无人值守改造，需要解决大量现场设备的控制顺序、逻辑以及各种故障自动处理机制。这些问题在有人员值班的时候很容易解决，一旦人员全部撤离后，如何保证泵站的正常运行就比较困难。 

        给水泵站现场概况：泵站内水源采自地下水，每个泵站均有1-3口水源井提供水源。多数水源井分布在站内，个别水源井离泵站较远。给水泵站内安装地上蓄水罐1-5个，容量不一（大的蓄水罐容积700m³、小的蓄水罐容积为300 m³），蓄水罐底部通过管道连通，罐内水位变化一致。站内另安装有3台加压泵，将蓄水罐内的水变频恒压输送至小区给水管网。工艺示意图如下：

         改造思路：在加压泵组控制室安装主监控终端，用来采集水池液位、管网流量、管网压力并自动控制加压泵组的运行。在站内、站外水源井处分别安装子监控终端，每个子监控终端监控一台水源井。站内子监控终端采用串口电缆与主监控终端连接，站外子监控终端通过GPRS网络与主监控终端联网。泵站控制逻辑均由主监控终端来处理。 

        主监控终端内采用逻辑控制器DATA-7301，该控制器接口丰富、I/O扩展方便。逻辑控制器的RS485串口有3个，DY路连接一台DATA-6106 GPRS模块，且设置为A型，可同时与监控ZX以及站外水源井子监控终端通信；第二路连接站内水源井子监控终端；第三路预留。同时，逻辑控制器通过CAN总线连接3台I/O扩展模块（DATA-7302），分别控制3台变频加压泵。

        泵站监控框架图： 

        现场控制要求：多口水源井给蓄水罐供水，蓄水罐中的水再由加压泵组加压对外供出。所有水源井根据蓄水罐水位变化的趋势（由于加压泵出水不规则）能自动控制潜水泵的启、停，且自动调整水泵启动个数，使每口水源井均衡用水，保证地下水位平稳和延长潜水泵的使用寿命，保持储水罐水位始终在一个标准值范围内，并支持水位超限报警、水池过低时自动关停所有加压泵。 

3、控制逻辑总体结构设计

        水源井自动供水系统分为2部分，分别为蓄水罐端和水源井端。蓄水罐端主要采集水罐水位，并设定期望水位值、期望水位变化值△、水位报警的4个限值，根据当前水位的状态及水位变化值计算出需求流量，当水位过低时自动关停加压泵组。水源井端主要采集水源井水位、水源井流量、泵状态、泵的累计运行时间，并根据水泵状态及运行时间进行选泵，再根据水池端输出的需求流量进行控泵。

3.1 计算需求流量△Q 

        系统定时计算，得到水池需加减的瞬时流入量值△Q，从而得到精确控制开关泵的数量与时机。因此准确及时地计算△Q值，是水池逻辑控制的核心。 

        △Q根据水位信息、时间信息及各种设定参数，遵循一套水位控制策略计算得来。 

        水池需加减的瞬时流入量值△Q的运算过程如下： 

        (1) 计算当前水位值L 

        当前水位值需要进行滤波处理，设定水位滤波间隔T1。 

        每个采集周期t采集1个水位值Li，在T1时间内对采集到的所有水位值求平均值。

        如果采集时间没到T1，则对采集的水位值求和，并计算采集次数n，根据采集次数计算水位值的平均值； 

        如果采集时间大于T1，则始终对T1内的所有水位值求平均值。即每次采集到新水位值时，水位值的和减去上一次的水位平均值，再加上新水位值；采集次数n不变，之后计算水位值的平均值。 

        (2) 计算当前水位变化值△L 

        计算出当前水位值后进行备份Lbak = L，之后每隔T2时间取一次当前水位值，并计算当前水位变化值△L。 

        △L = L – Lbak 

        △L > 0表示水位处于上升趋势； 

        △L < 0表示水位处于下降趋势。 

        (3) 计算需求流量 

        △Q =△L*S/ T2*3600; 

        △L:上一步求得的结果。 

        S:水池底面积。 

        T2:取水位的间隔时间。 

        ZH把计算结果*3600转换成每个小时的需求流量。

3.2 水池水位控制策略 

        系统根据水池状态进行开关泵动作，实现对水池水位的控制。 

        (1) 水位下降 

        即发生水位线触碰期望水位下限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续上升。直到水位触碰期望水位，解除控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制开泵操作，使水位持续上升。此过程中，只执行开泵动作，不执行关泵动作。 

        (2) 水位上升 

        即发生水位线触碰期望水位上限后，系统进入控制状态，以确保水池水位持续下降。直到水位触碰期望水位，此时结束控制。 

        在该控制阶段，定时进行逻辑运算，控制关泵，使水位持续下降。此过程中，只执行关泵动作，不执行开泵动作。 

        此过程控制目标：保持水位处于持续下降趋势。 

3.3 超调量 

        超调量是指需要开关泵调控水位时，除了要抵消△Q外，要增加水位调控的速度而额外增加的流量或者开关泵数： 

△Q1=△Q+对应水位的超调量 

        采用查表法实现，下表是一个表样例。 

4、改造效果 

        四个供水泵站经过以上逻辑改造，已经完全符合无人值守泵站的要求，即无论在供水高峰期或低峰期，水罐水位都能够保证在期望范围内。主、子监控终端根据水罐水位智能控制水源井的启动个数及运行时间，避免水源井频繁启动造成的泵损坏和加压泵空转现象的发生，提高水泵运行能效、节约电能，WM实现了供水设备的自动化运行和给水泵站的无人值守管理。 

        4个给水泵站改造至今已近2年的时间，整套系统运转良好、经济效益显著。2年内共发生过两次故障，均为继电器故障，监控ZX及时获得了报警信息，故障得以迅速解决。泵站经过无人职守改造后，现场去掉了值班人员29人、增加了维护人员2人，大幅度降低了泵站运营成本并提高了故障响应速度。 

        自2014年以来，该套泵站自控逻辑先后又在山西、甘肃、内蒙等地的多处泵站改造项目中得到运用，系统运转稳定、可靠，效果大大超出预期，得到了用户的一致好评。

注：作者为本单位技术人员，本文已刊登在《ZG给水排水》杂志  2016年6月1日出版  第32卷  第11期（总第415期），如需转载，请标注转载来源、作者单位、作者姓名等信息，否则视为侵权