梯级泵站综合自动化系统研究与发展方向分析

2023-01-07沈建荣

科技与创新 2023年1期

沈建荣

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃白银 730400）

在传统的梯级泵站建设过程中，因为缺乏自动化系统，导致泵站运行控制效果较差，且难以实现远程监控功能，从而无法有效保障梯级泵站综合系统运行稳定性和安全性。在自动化技术快速发展的背景下，梯级泵站的综合控制系统与自动化技术得以深度融合，通过采用自动化技术，使梯级泵站能够实现远程监控、自动化运行等功能，从而提高梯级泵站运行效率与稳定性。因为自动化运行控制系统具有许多优势，所以需要明确在梯级泵站中的应用方向。

1 自动化系统及其优势分析

1.1 自动化技术的基本内涵分析

自动化技术是一门综合性的技术，它与控制论、信息论、系统工程等多个方面都有着紧密的联系，其中控制理论和计算机技术对自动化技术的影响是最为深刻。

在机械工程行业之中，自动化技术就是指通过机械来完成复杂的管理控制活动，从而将管理人员从繁重枯燥的工作中解放出来。自动化技术脱离了原本大量的劳动力资源，通过自动化进行控制管理，能够节省大量的生产成本，且能够克服人工生产中的不稳定因素，从而提高系统运行控制管理的精准度和控制效率，同时减轻工作人员的劳动强度[1]。

1.2 梯级泵站综合自动化系统的应用优势分析

根据相关的应用实践证明，自动化技术在梯级泵站综合系统的应用具有如下优势。

第一，提高了梯级泵站综合系统监测效率。在梯级泵站综合系统运行过程中，数据分析和处理是一项重要工作，梯级泵站综合系统的运行控制模式需要建立在数据的基础上才能够保证整体准确性，但是传统的控制技术对于数据的处理准确性较差，而将梯级泵站综合系统与自动化技术相结合，能够提高数据收集、分析与处理效率，同时能够保证数据分析准确性，进而为梯级泵站综合系统控制提供支持。

第二，优化了严控模型构建工序。在传统的梯级泵站综合系统设计中，梯级泵站综合系统控制需要建立在遥控模型基础上，根据所建立的模型完成相应的遥控工作，但是模型构建需要花费大量的时间，且难度较高。通过应用自动化技术，可以将控制模型构建环节优化，从而节省更多的时间，必须要构建的控制模型可以通过自动化技术进行数据收集与处理，从而能够自动生成梯级泵站综合系统遥控模型，且以数据的方式能够提高自动化梯级泵站综合系统控制效率和准确性，使得梯级泵站遥控工作能够实现全过程自动化，相比于传统的系统控制模式，自动化技术具有较高的应用灵活性[2]。

第三，提高了梯级泵站控制管理效果。按照当前梯级泵站控制工作的实际情况来看，传统的控制模式在应用过程中依然存在较为分散的问题，尚未建立整体化、系统化、集成化的控制系统模式，各个环节采用不同的控制技术，在前期需要投入大量的资源，且不同的控制工序之间相互交错，会形成控制错误的问题，从而导致梯级泵站控制工作受到很大负面影响。将自动化技术应用在梯级泵站综合系统中，通过运行数据收集、分析等功能，能够建立全面化的梯级泵站自动化控制模式，从而能够对梯级泵站控制工作进行整体性的控制、分析和与预测。

2 梯级泵站综合自动化系统概述

本文以某大型梯级泵站工程为例，该工程包括13座梯级泵站，采用串联方式连接，通过地下管道逐级提升的方式进行供水。为此，在中间节点的各级梯级泵站运行需要实现统一调度，才能够保证梯级泵站处于最佳运行状态。因为梯级泵站数量较多，且位置分布较为分散，各梯级泵站之间距离较远，所以需要采用科学、先进的自动化运行管理模式，才能够确保该梯级泵站综合系统运行质量提高。为此，需要结合梯级泵站的实际情况，设计开展一套功能完善、运行稳定的梯级自动化运行系统。

3 梯级泵站综合自动化系统架构设计及功能

梯级泵站综合自动化系统由中央控制管理级、站控级以及通信网络构成。系统结构如图1所示。

图1 梯级泵站综合自动化系统结构简图

在梯级泵站综合自动化系统中，调度主机采用486双控机，双机热备份；同时安装2套可编程程序控制器，其中一套主要负责对彩色模拟屏幕的现实控制，另一套用于梯级泵站综合自动化系统的数据采集和控制。调度中心的主要任务包括：①实时显示和查询8座梯级泵站的运行状态信息，从而获取基础数据；②控制并在7.0 m×3.0 m大型彩色模拟屏幕上显示现实状态、梯级泵站的重要信息；③对梯级泵站进行远程控制；④打印输出系统各种运行报表、图表以及工作记录等；⑤向控制中心的终端实时传输数据。

在通信系统方面，调度中心和中心泵站通过有线方式进行连接，并与其他7个泵站采用无线方式进行连接，通信距离在20～40 km范围内。

4 梯级泵站综合自动化系统RTU单元设计

在本次梯级泵站综合自动化系统中，每个泵站都安装了1套RTU设备，共计设计8套设备，RTU主控设备采用某企业的SLC-5系列可编程控制器。在控制器中，开关量输入模块为3块1746-IB16，共计48个输出点；开关量输出模块为2块1746-OB16，共计32个输出点；模拟量输出模块为2块1746-NI4，共计8个输入通道。每个泵站都采用4个主泵和出水管电动闸阀，遥测5个压力值、1个流量以及2个液位；遥信4台梯级泵站的开关和停止信号，并对4台梯级泵站的状态信号进行监测；中心泵站额外配备的1个遥测pH值和温度值的传感器，共计遥测66个模拟量、60个开关状态；遥控32台泵站的开机、停机以及电动闸阀。本次工程中泵站都采用就地、自动以及远程控制功能[3]。

可编程逻辑控制器对于梯级泵站的控制，主要是按照进水池液位高度，并对其上升和下降的趋势进行预测；为了避免出现干扰问题，采用数字低通滤波方式，能够有效防止梯级泵站频繁启动的问题出现，从而能够提高控制效果，确保梯级泵站运行的安全性。可编程逻辑控制器对于梯级泵站的控制流程为：读入所测的参数到内存→启动定时器→定时→将所有检测的参数发送到接口→接口出现命令→设置成为遥控状态→遥控开启泵站→遥控关闭泵站→调节泵站子程序→结束。

综合来看，本次梯级泵站综合自动化控制系统中，RTU应用程序具有如下5项功能：①实时采集梯级泵站的运行压力数据、水位数据、流量数据、温度数据以及酸碱度等超过10个模拟量数据；收集梯级泵站运行数据、开关数据、故障数据、中控数据、格栅运行数据等超过30个开关量数据；收集8路累积量数据。②与调度中心相连接，能够实时传输数据，同时能够将一周内的数据进行上传。③自动化控制和调节梯级泵站的运行状态，与梯级泵站阀具有良好的联动性。④能够自动检测梯级泵站自动化运行系统故障，当检测存在故障问题后，能够及时发出报警提醒，从而能够提高梯级泵站综合自动化系统运行安全性。⑤能够实时与调度中心进行自动校时。

5 梯级泵站综合自动化系统通信设计

在本次梯级泵站综合自动化控制系统设计中，梯级泵站发送子程序控制流程如图2所示。

图2 梯级泵站发送子程序控制流程

本次梯级泵站综合自动化系统的通信结构设计采用主从结构模式，将调度中心作为通信主站，泵站RTU采用SLC-5结构，作为从站，数据传输采用半双工模式。调度中心的额计算机和泵站RTU之间的通信采用串行通信标准接口RS-232C；调度中心工控机和泵站SLC-5都采用型号一样的调制解调器TNC-22M，利用频移键控FSK调制模式，传输速率设计为1 M/s，信道频率设计为229.4 MHz，传输系统误码率需要低于1×10-5规定；无线电台采用M338V型号，通信方式采用循环查询模式。调度中心的通信功能包括双行串口，能够与有线信道和无线信道相连接，同时能够与模拟屏幕和泵站SLC-5进行通信。本次梯级泵站综合自动化系统通信模块设计的具体参数如表1所示。

表1 梯级泵站综合自动化系统通信模块具体参数设计

本次梯级泵站综合自动化系统的通信系统协议包括：①计算机到SLC的信令，接口至SLC信令；报头（7E81）+信令+NN+参数+AA。②在SLC返回信令方面，报头（7E8100NN），数据10WORDS模拟量+2WWORDS开关量+8WRODS累积量+1B状态量；在一天数据方面，报头（7381FFmmnn），nn为数据信号，户数包括模拟量97WORDS、开光亮97WORDS以及脉冲量WRODS；在遥控方面，报头7E8188NN的参数为00——信令已被确认执行，正在执行；11——泵号不正确；22——泵正在执行其他信令或不在中控，不能及时响应命令；44——泵站故障，不能执行命令；99——阀门故障，不能执行命令；AA——水位已经达到限值，不能进行遥控。③SLC通信格式为8位数据结构，无校验，1 M/s。

6 梯级泵站综合自动化系统发展方向分析

通过上文的分析可以看出，通过采用自动化技术，能够在很大程度上提高梯级泵站综合系统运行控制效果、简化控制模型构建工序以及全面提升运行控制效率，所以自动化技术在梯级泵站综合系统中的应用日益广泛。但是因为缺乏实践经验，当前梯级泵站综合自动化系统在实际应用中依然存在着一些问题，所以为了提高梯级泵站综合自动化系统的实际运行效果，需要准确掌握梯级泵站综合自动化系统的发展方向。根据当前自动化技术的发展现状来看，未来一段时间内梯级泵站综合自动化系统发展方向具体如下。

精准化发展方向。自动化技术具有较高的控制效率，且随着物联网技术、大数据技术以及人工智能技术与自动化技术的结合，当前梯级泵站综合自动化系统正在朝着更加精准化的方向发展，通过提高梯级泵站综合自动化系统控制精准性，能够有效减少控制所具有的误差问题，缩短控制系统响应时间，使其能够按照当前梯级泵站的实际运行状态，发出相应的信令，使得梯级泵站综合自动化系统运行控制效果得以全面提升。

智能化发展方向。通过将自动化与智能化技术相结合，能够在很大程度上提高梯级泵站综合自动化系统智能控制水平，采用智能控制技术后，不仅能够实现自动化运行控制，同时能够根据当前泵站运行的实际数据，对所发出指令进行优化与调整，从而能够全面提升运行控制效率，保证梯级泵站的运行能够与当前实际情况更加符合，是智能化控制技术所具有的重要作用。

高效节能化发展方向。自动化技术能够全面提升梯级泵站控制效率，且当前梯级泵站综合自动化系统正在向着更加高效和节能的方向进行发展，通过优化控制技术，能够减少梯级泵站综合自动化系统运行所消耗的资源，符合梯级泵站发展要求，是提高梯级泵站综合自动化系统运行效果的重要方式，通过与节能技术相结合，能够全面降低梯级泵站运行管理成本，从而提升工程经济效益。