自动化控制技术在排涝泵站中的应用探讨

何德璋

摘 要：自动化控制技术在最初出现时，就已经有了被引入到排涝泵站中的构想，因而在基础技术出现之后就很快被应用。最初在排涝泵站中应用的仅仅是半自动化技术，及至自动化控制技术基本成型之后，具有综合性特质的自动化控制技术在排涝泵站中已经得到了良好的应用。该技术的应用很大程度上提升了排涝泵站的运行效率，也为排涝泵站乃至整个社会的发展带来巨大的经济效益。为使排涝泵站在当今社会得到更进一步的发展，针对自动化控制技术在排涝泵站中应用的研究越来越重要。

关键词：自动化控制;排涝泵站;运行效率

中图分类号：TU992.25     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）7-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.016

Abstract： When the concept of automatic control technology first appeared， the concept of being introduced into the drainage pumping station had already been conceived， so it was quickly applied after the appearance of the basic technology. At first， only semi-automatic technology was applied in the drainage pumping station. After the basic formation of the automatic control technology， the automatic control technology with comprehensive characteristics has been well applied in the drainage pumping station. The application of this technology has greatly improved the operation efficiency of the drainage pumping station， and also brought huge economic benefits to the development of the drainage pumping station and the whole society. In order to further develop the drainage pump station in today's society， it is more and more necessary to study the application of automatic control technology in the drainage pump station.

Keywords： automatic control; drainage pump station; operation efficiency

0 引言

自動化控制技术囊括了机电自动化、远程控制技术等多种有效控制手段，在本质上实现了机械管理与电子科技的融合，因而相对人力管理而言具备更高水准的技术优势及更广阔的应用范围，并以此逐渐发展成国内控制技术的主流。在排涝泵站运行过程中有效应用自动化控制技术，显然能使排涝泵站自身的管理能力大幅提升，泵站的功能及结构得到调整与优化，因人为因素导致的故障与错误操作被充分规避，进而使农业生产获得更高效、更可靠的支持。显而易见，自动化控制技术在排涝泵站中的应用，对民生事业而言有着莫大的助益。

1 排涝泵站自动化控制的设计原则

1.1 利益最大化

实现利益最大化是排涝泵站自动化设计的关键原则之一。排涝泵站的运行应当以满足相应社会责任为基础，但使泵站满足社会责任的前提是，确保泵站在运行过程中能获得长远、健康、持续性的经济效益，使泵站能够获得充足的社会资源用于自身发展，进而完成即时性的结构优化与升级，获得更理想的服务状态。就排涝泵站整体的规模及体量而言，实现泵站的自动化需要投入大量的资金及相关资源，即使是要顺应自动化发展的趋势，这些资源的回收仍然是需要充分考量的问题，而且由于泵站资源回收周期长，动辄达到几十年以上，因此排涝泵站自动化控制的设计也需要充分考虑市场因素，不能过于执着追求高水准的自动化[1]。

1.2 明确设计标准

明确设计标准是确定排涝泵站自动化控制设计规模的关键，这一标准需要契合当地发展状况，并能够有效预测地区未来发展趋势，以及由此所引申出的对排涝泵站的功能需求。首先需要确定的是泵站未来应当达到的性能标准。以宣城市隆兴站的建设为例，该排涝泵站最初汇水面积为2.75 km2，但宣城市建设进度较快，城市用地也因此不断向外辐射，隆兴站原本计划的排区已经发展为城市建设用地，而隆兴站现有的排水能力指标达不到宣城市在排涝上的要求，因此隆兴站的自动化控制在设计时将指标提升到30 a一遇，连续24 h最大暴雨地面不积水的程度。在确定排涝标准之后则需要明确技术特征，其技术特征在于确定整个工程各建筑需达到的等级，以隆兴站为例，结合国家相关水利水电工程规定及泵站设计规范进行分析之后，确定隆兴站属于中型泵站，在工程设计标准上应达到Ⅲ级工程标准，各工程设备中防洪闸、穿堤箱涵应达到2级，建筑物级别3级，泵房、进水池、进水闸3级，其他次要建筑物4级，临时工程5级。在经过多方计算及技术层面的3D演练模拟之后，确定该等级的标准能够满足泵站未来性能所需。

1.3 合理划分工程布置

整个排涝泵站工程布置的合理性将影响到泵站功能能否得到有效发挥。工程布置之前需要先对工程主要建设内容进行明确，包括对原有泵站内容的拆除、重建、基础处理、改造、设备安装调试、线路工程处理等。明确建设内容之后即可结合所有内容对工程布置进行划分，首先要做的是合理调整泵房的布置形式及构成单元，其次则需要针对泵站不同设备进行处理，确定设备的规格及附属设施，如进水闸入水孔孔径和数量的设计、进水闸清污机位置、进水闸规格、泵房机组的数量与排列方式、厂房规格及相关机械设备、汇水箱位置与结构、出水箱涵规格、防洪闸规格与类型、闸门材料、泵房管理区布局等[2]。

2 排涝泵站自动化设计需要注意的问题

2.1 测量、控制及保护之间关系的处理

困扰排涝泵站自动化设计的首要难点往往是自动化技术应用的科学性与合理性，并非自动化技术本身，这主要是由于自动化技术并不取决于泵站，其技术内涵是由自动化研发机构负责的，泵站自动化设计需要做的是如何实现自动化在运行效率、管理成本之间性价比的最大化，也就是要尽可能提升自动化方案与泵站实际运行情况的契合度。这意味着泵站自动化设计需要将测量、控制和保护之间的关系合理处理。对于隆兴站而言，在确定工程概况及泵站应达到的性能指标之后，确定了主厂房3套单项排涝机组配备桥式起重机、集水井排水泵、检修排水泵等附属设施，变配电间、电容器室和值班室部署在副厂房，泵站堤外侧设置了防洪闸门启闭机房并配置了一台低压电机，进水侧工作桥两侧配置了清污皮带机和前池工作门启闭机房，此外还囊括了高低压开关柜、电容补偿柜、变电站和直流系统等配套设施[3]。

2.2 正确划分控制单元

排涝泵站自动化控制系统并非以一个单一、整体化的系统形式出现，整个自动化控制系统实质上是由不同个模块组成的，不同模块分别负责不同的功能，因而自动化控制系统具有单元化的特征。在自动化控制系统运行的过程中，不同功能单元分别处理不同的工作环节，并通过一定的次序相互连接。尽管不同单元的重要性及分工有所不同，但缺少任何一个单元，或是某一个单元的功能无法完全实现、无法与整个系统的功能相协调，泵站的自动化控制就无从实现[4]。基于此，正确划分控制单元，是确保泵站自动化控制正常运行的重要问题。由于不同单元的规模不同，部分规模较大的单元往往会出现包含若干个小控制单元的情况，因此在划分控制单元的过程中须把握好不同单元之间的层次性和功能区别，保证自动化控制系统中各单元能够被明确分工，单元与单元之间实现高效衔接与连结，才能从运行层面保证自动化控制系统的工作效率。

2.3 为自动化控制系统预留出相应的兼容性与扩展性

为整个系统预留出相应的兼容性与扩展性是确保自动化控制系统长效发展的要素之一。做出这样的考量对排涝泵站来说是必须的，这是因为排涝泵站本身具有服务城市和区域的特性，但城市和区域的发展并非一成不变，很多时候随着城市化进程的增速及区域开发进度的提升，城市、区域配套设施也必须进一步发展，来满足日益增长的基建工作需求。除了城市和区域的发展因素，排涝泵站自身自动化发展也并不是一步到位的工作，很多时候需要结合泵站的工作效率、经济效益及其他客观影响因素做进一步的改良优化。由于当前排涝泵站自动化控制的系统具有模块化特征，因而可以将整个自动化控制系统视作由不同单元内容合并构成的整体。最初在排涝泵站探索自动化控制时，很大概率是在一些非关键节点上尝试采用自动化策略，对于一些对整体工作状态影响较大的关键节点则没有贸然提供自动化支持，这样做是为了确保自动化能带来理想的效益[5]。在确保自动化确实能够实现泵站运营各方面工作的提升之后，自动化程度才会在整个泵站中不断提升。

3 自动化控制在排涝泵站中的应用技术

3.1 计算机技术

自动化控制技术在很大程度上依赖计算机技术，因而用于排涝泵站中的自动化控制技术首先要在计算机技术上达到相应要求。出于对自动化控制技术自动化核心理念的考量，整个控制系统应以最大限度减少人员值守（争取无人值班）为前提进行设计，在确保安全性、可靠性、先进性、实用性和经济性的前提下进行配置。隆兴站在设计时充分考虑了自动化控制对计算机技术在遥视、遥控、遥测等远程控制上的需求，并确保应用的系统在各项指标上均达到相关文件规定的水准与要求，可与泵站同步投入运行。在响应时间上，无论是数据采集周期、人机接口响应时间、控制响应时间等几方面内容，绝大多数都将响应时间控制在1 s以内，最大响应时间不超过3 s。而为了确保计算机系统整体的安全性，该站在设计计算机控制系统伊始，就对系统各项功能和路径实现了有效监视，并对系统不同级别操作进行权限设置，不仅对人机接口设置了控制权限及口令要求，也为设备功能失灵的故障配备了自動报警和记录操作[6]。除此之外，还对软硬件冗余能力进行深层强化，软硬件结构预留了足够的存储容量和接口，这意味着在对系统进行扩充和提升设备数量时，原系统的工作性能和工作时间将不会受到影响。

针对功能上的要求，在数据采集处理上需要对模拟量、参数量、开关量、状态量等不同内容予以不同的处理，其中模拟量需在初步处理之后存入实时数据库，而对于模拟量处理中的信号回路断线、抗感染、误差补偿、短路检测等内容则需要进行格式化处理。开关量信号中包括中断开关量和扫查开关量，状态量则囊括了数据通信采集中各种保护和自动化装置的事故故障信号、设备运行状态等数据，经有效性、合理性判断事故、故障报警及相关量处理程序，最后以格式化处理后形成实时数据并存入数据库[7]。此外还要确保计算机技术具备不同类别的数据计算能力，主要以电能分类累加、抽水量累加、效率计算及温度量特征计算为主，同时仍要具备运行管理功能，记录固定时间内运行过程中的特定内容，包括泵组抽水量、用电量、进出水池水位、主要电气设备动作及运行记录、操作记录、事故故障统计记录、设备运行变位记录等，并联系数据库软件以提供技术支持。

3.2 监控技术

监控技术是确保自动化控制系统正常运行的关键，也是及时处理系统问题的有效前提。监控技术的技术要求在于拥有良好的实时性和抗干扰条件，人机界面直观且易于操作。在系统安全功能上应支持多级操作权限，且可对设备控制权限及操作员操作权限进行调整，操作者应当能够访问不同层级、不同内容的监视器和摄像机，且能够根据需求调用不同类型的摄像图案内容，针对自动控制系统中单元功能的不同，实现分区分组的不同切换，支持对时间顺序的调整和不同摄像机之间的关联。针对重要性不同的操作系统应具备记录功能，对于丢失的视频则支持检测和在线编辑。对重要的系统操作有记录功能、视频丢失检测功能，能够进行在线编程等。系统采用画面分割技术，同一显示器能接收几幅图像信息，画面可任意组合、放大和缩小，并能切换其中任一幅图像。监视器图像切换有自动循环和手动切换两种方式。每幅画面能叠加字符，显示摄像机编号、地址、日期、时钟（精确到秒）。字符内容可通过键盘实时修改。支持视频报警功能。可在显示器上设置敏感区域，敏感区内一旦有异常即发生报警，系统能自动将相应区域摄像机的画面切换到显示器上，并自动起动录像。视频报警功能的设置、撤销和修改可在主机上方便地实现。对于观测点应预留观察点预置功能。对于重要的位置，可在主机上预置摄像机的位置、光圈、焦距、景深等参数，在需要查看该观察点时，通过输入预置号即可观察到预定位置。观察点预置功能的设置、撤销和修改可在主机上方便地实现。最后，系统还须具备与局域网及广域网连接的通信功能，方便其他相关单位联动控制工作状态，在监视空间应达到广域且无死角的效果，能够保留长时间录像，并支持一键调出现场画面的功能，即使是在恶劣天气状态下仍能够正常运行。对于监控系统整体应坚持模块化的设计策略，能够灵活匹配不同信道，方便后续系统的扩展与升级。

3.3 电源系统

可靠的电源系统将为整个自动化控制系统提供稳定的能源支持，是自动化控制系统正常运行的基础条件。隆兴站整体配置了一体化电源系统，以使泵站的操作、保护、计算机监控及其他公用设备的工作电源及保护电源得到可靠支持，整个系统包含一套DC220V直流系统和5 kVA的UPS系统，用于泵站的操作、保护、计算机监控及泵站公用设备等系统的工作电源及保护电源。直流电源设备设一组蓄电池，采用单母线的接线方式。单组蓄电池容量为80 Ah，蓄电池组按浮充电方式运行。采用高频开关整流装置作为蓄电池的充电及浮充电设备，蓄电池组配置一套充电浮充电装置。蓄电池组应设有专用的试验放电回路。一体化电源配置UPS装置，容量为5 kVA，不设蓄电池，由DC220V直流系统为其提供直流电源。在结构上囊括了整流器、逆变器、静态旁路开关、逆止二极管、变压器等设备，输入及输出方式上分别采用了三相输入与单相输出，确保整个系统在环境温度条件下能够连续满负荷运行。逆变电源设备回路的布置应相对独立，各设备均应有明显的铭牌标志，相应的端子排应安排在屏的两侧。能满足运行中在线调换直流空气开关的要求。空气开关的接线应满足上进下出原则，并符合极性要求。母线、汇流排加装绝缘热缩套管，无裸露铜排。直流母排截面不小于5 mm×40 mm。柜内直流汇流排和电压小母线，在断开所有其他连接支路时，对地的绝缘电阻应不小于10 MΩ。屏内元件位置编号、元件编号与图纸一致，并且所有可操作部件均用中文标明功能。柜体结构安全、可靠;元件特别是易损件安装便于维护拆装，各元件板应有防尘装置，绝缘监测仪与屏体下部有隔离保安措施，前钢化玻璃门后双开散热门。屏体设备要考虑通风、散热。要保证最大负荷条件下设备散热的通风量。屏内采用截面不小于100 mm2接地铜排。设备设有保护接地。电源监视灯应采用低发热的LED指示灯，布置于对应的开关上方，且明显偏置于对应开关，铭牌布置于开关的下方。

4 结语

排涝泵站中对自动化控制技术的应用是一个不断提升的过程，且整个过程中涉及的内容会随着自动化控制系统的完善逐渐复杂，因而会在最后表现出极高的繁复程度，这就意味着自动化技术的发展将处于一个不断提升强化的状态，且须合理考量实际运行情况对整个系统的影响，以保障经济效益最大化为前提，从全局角度对自动化控制技术的发展完善进行合理统筹，来确保排涝泵站能够正常运行，充分发挥其应有的社会效益与经济效益，为地区发展提供更多支持。

參考文献：

[1] 曾建文.机电自动化控制技术在城市排涝泵站的应用[J].河南水利与南水北调，2019（4）：82-83.

[2] 曹锋.排涝泵站自动化升级改造应用探讨[J].大科技，2020（4）：78-79.

[3] 吴明飞.排涝泵站机电自动化控制技术的应用[J].科技经济导刊，2019（32）：51-52.

[4] 刘晓波.机电自动化控制技术在排涝泵站的应用[J].大科技，2017（16）：338.

[5] 何荔荣.机电自动化控制技术在排涝泵站的应用[J].全文版：工程技术，2016（7）：207.

[6] 张水平.浅析排涝泵站机电自动化控制技术的应用[J].黑龙江水利科技，2016（6）：144-145.

[7] 窦兴亮，沈洪松，王博.自动化控制技术在抚顺东露天排水泵站中的应用[J].露天采矿技术，2018（19）：72-75.