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摘要：南方某引水工程自佛山市三水区取水，原水经取水泵站增压后，输送至配水泵站，通过配水泵站分配提升，最后通过管道输送至三间水厂。供水量分别为40万m/d、80万m/d和100 万m/d。本文以取水泵站为例，讨论自动化控制在取水泵站的应用。
关键词：南方引水;取水泵站;自动化
引言
南方某引水工程取水泵站由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，负责向各水厂配送源水。
一、取水泵站调度概述
取水泵站由12套取水泵机组构成（10用2备工作方式）。12台水泵为并行的2条原水干管（互相连通）抽取前水池的原水，即12台取水泵呈并联工作关系。取水泵站的水泵机组采用奥地利安德里茨（Austria/Andritz）的产品，12台水泵均为卧式单级双吸离心泵（SFWP40-1000），水泵电动机由AllenBradley公司的Power Flex 7000中压变频器驱动。
二、取水泵站控制模型与策略
取水泵站是水厂工艺流程的第一个环节，取水泵机组的控制策略与性能的优劣最终影响水厂的供水能力。首先，配水公用LCU将调度指挥中心的取水需求量（Q）传送至取水公用LCU；然后，取水公用LCU根据水量需求和取水前池水位，计算出取水泵机组需投入的台数，依据Q—H值曲线测算工作点，得到变频器运行频率，传送至HMI 调度系统提示值班员；接着，值班员根据提示与各泵组运行历史数据确定投入哪几台泵组，由值班员操作启动需要投入运行的泵组；最后，泵组LCU接受HMI调度传送的值班员的启动命令，执行启动流程。
三、泵站控制相关算法与公式
1.水泵控制公式
取水泵站利用变频器对水泵电动机转速进行控制，达到对水流量的控制和有效节能。水泵特性曲线公式可表示为：
H= H0-SQ2
式中， H——水泵扬程（m）；
H0——水泵理论最大扬程（m）；
S——水泵摩阻；
对于泵类负载，同一台泵在不同转速下运行，由相似定律，可得其电机转速n 与流量Ｑ、扬程Ｈ及泵的轴功率Ｎ有如下关系：
以上公式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P（kW）可按下式计算：
水泵工作点水泵总是在一定的管路系统中工作，即与管路组成一个统一的供水系统。因此，水泵的工作状态必将受管路系统特性的制约，即水泵的实际工作状态由水泵的性能与管路系统的特性共同决定。
2. PID 算法
根据经典的PID公式，PLC进行PID 运算控制式如下：
式中：——被控对象的输出量；
SP n——被控对象的给定量；
K p——比例系数；
T I——积分时间常数；
T D——微分时间常数。
具体PID参数值将根据现场自整定、调试、测试结果而确定，并永久保留在 PLC内部非易失存儲器中
四、取水泵站控制
1. 取水泵站LCU概述
1.1 取水泵站LCU 组成
取水泵站现场控制层由公用 LCU、泵站现场 LCU、冷却水系统和排污泵动力系统 PLC 屏、进水池清污机以及 110KV 变电所的系统监控柜及配套设备等组成。其中公用 LCU 设置在泵房 PLC 控制室内；针对 12 个泵站主厂房，配置 12 套泵站现场 LCU。12 套取水泵机组采用并联方式，将所取原水经 2 条主干管（互相连通）输送到鸦岗配水站。
取水泵站公用 LCU 完成如下监控功能：监控泵房、配电控制间环境温度和湿度，泵站平面内进水总管及配水总管流量、压力、吸水井液位、循环水池液位、循环冷热水流量等工艺参数的检测，以及泵房、配电间内环境通风设备、泵站平面内的总管电动阀门、调流阀门、循环冷却塔等设备的运行监控。
取水泵站公用 LCU 除完成设备监视功能之外，其最核心的工作为：根据鸦岗配水泵站的配水需求，测算出取水泵站需要所启动多少台水泵机组以及泵组变频器输出频率（所有启动的泵组运行频率相同） ，从而实现满足配水泵站对原水的需求，达到：当配水泵站使用配水泵机组进行配水时，配水泵站东面与西面调节前池的水位基本稳定；当配水泵站直接使用超越管进行配水时，满足各水厂对原水的总水量需求。
主泵机组 LCU 完成的功能包括：采集主泵出口流量、主泵进口压力、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；实现机组的一步化启/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。
取水泵站公用 LCU 通过串行通讯方式监视和控制前池3台闸板阀启闭机、6台回转式清污机、进水间检修门机启闭设备，并采集出水总管管道阀门状态、压力、流量，取水水源水质监测系统仪表以及附属设备，采集变配电系统参数。
每台机组 LCU 控制对应的进风机、出风机、冷却水水泵、冷却水进出电动阀门、液压阀、来水出水电动阀等，取水泵组为变频机组。
1.2 取水泵站现场监控结构
取水泵站监控系统分为三层：
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）
1.3 取水泵站控制原则
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。
2. 取水泵站机组LCU控制对象及各变量描述
根据设计要求， 12 套取水泵站采用 10 用 2 备的策略运行， 对于 LCU 柜而言，每套泵组 PLC 主要监测与控制对象包括：6KV 开关柜相关信号、变频器、泵组、进水蝶阀、液压阀（一用一备） 、冷却水泵（一用一备） 、轴流风机、循环水冷却器等；其中取水泵机组系统结构如图 2- 1所示。
2.1 取水泵站机组LCU控制及相关流程
2.1.1 取水泵站机组的静态检测
取水泵组在静态时，PLC 循环检测机组控制变频器断路柜是否允许合闸、直流控制电源和合闸电源是否正常、变频器是否准备就绪、液控阀门状态是否正常、泵组的进出水阀门是否正常、温度测量是否正常。当相关参数正常时，允许启动泵组；否则，系统将发出报警信号，提醒值班人员。
2.1.2 取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，首先将启动电机，电机正常启动后，检查是否达到泵组的闭止扬程，达到闭止扬程后，开启液控阀门，阀门开到约 15°，延时 3~10 秒，然后，在阀门允许开启的时间，将阀门开至最大，整个开机过程结束。
结合取水泵机组与附属设备相关特点，水泵机组正常开机流程如图 2-1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。如：
1） 进线断路器无法合闸，则生成进线断路器报警信息，中断开泵流程，返回泵组停止状态。
2） 开启冷却循环水泵而在预定时间内无法检测到冷却水的水流，或者，开启主轴密封水蝶阀而在预定时间内无法检测到密封水的水流，则程序进入图2-2停机流程 C1 点，执行至“泵组停机过程结束” 。
3） 开启泵组变频器，在规定时间内，变频器无反馈信号或者反馈信号仍不是运行状态，或者约定时间内泵出口压力无法达到整定值，则程序进入如图2-2所示停机流程C2 点，执行至“泵组停机过程结束” 。
4） 开启液压阀门，在规定时间内，液压阀门无法达到指定位置，则程序进入如图 2-2所示停机流程C3点，执行至“泵组停机过程结束”。
2.1.3 取水泵站机组运行过程的检测
在取水泵组运行过程中，PLC检测变频器断路柜的状态、电机的电流、电机温度、轴承温度、泵口压力是否在设定范围内、液控阀门是否有故障；具体检测内容除表 2- 2所示项目以外，至少还包括如表 2- 3所示项目。PLC 根据状态和内容的不同设定，采取报警、停机、事故停机等不同的处理方案。
2.1.4 取水泵站机组的停机过程
取水泵组在运行过程中，接到停机命令后，先关闭液控阀门，当液控阀门关至 15°，延时 3~10 秒，以消除水锤效应，然后缓慢关至关闭。然后停电机，整个停机过程完成。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，正常停机与紧急停机流程如图 2- 2所示。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：南方引水;取水泵站;自动化
引言
南方某引水工程取水泵站由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，负责向各水厂配送源水。
一、取水泵站调度概述
取水泵站由12套取水泵机组构成（10用2备工作方式）。12台水泵为并行的2条原水干管（互相连通）抽取前水池的原水，即12台取水泵呈并联工作关系。取水泵站的水泵机组采用奥地利安德里茨（Austria/Andritz）的产品，12台水泵均为卧式单级双吸离心泵（SFWP40-1000），水泵电动机由AllenBradley公司的Power Flex 7000中压变频器驱动。
二、取水泵站控制模型与策略
取水泵站是水厂工艺流程的第一个环节，取水泵机组的控制策略与性能的优劣最终影响水厂的供水能力。首先，配水公用LCU将调度指挥中心的取水需求量（Q）传送至取水公用LCU；然后，取水公用LCU根据水量需求和取水前池水位，计算出取水泵机组需投入的台数，依据Q—H值曲线测算工作点，得到变频器运行频率，传送至HMI 调度系统提示值班员；接着，值班员根据提示与各泵组运行历史数据确定投入哪几台泵组，由值班员操作启动需要投入运行的泵组；最后，泵组LCU接受HMI调度传送的值班员的启动命令，执行启动流程。
三、泵站控制相关算法与公式
1.水泵控制公式
取水泵站利用变频器对水泵电动机转速进行控制，达到对水流量的控制和有效节能。水泵特性曲线公式可表示为：
H= H0-SQ2
式中， H——水泵扬程（m）；
H0——水泵理论最大扬程（m）；
S——水泵摩阻；
对于泵类负载，同一台泵在不同转速下运行，由相似定律，可得其电机转速n 与流量Ｑ、扬程Ｈ及泵的轴功率Ｎ有如下关系：
以上公式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P（kW）可按下式计算：
水泵工作点水泵总是在一定的管路系统中工作，即与管路组成一个统一的供水系统。因此，水泵的工作状态必将受管路系统特性的制约，即水泵的实际工作状态由水泵的性能与管路系统的特性共同决定。
2. PID 算法
根据经典的PID公式，PLC进行PID 运算控制式如下：
式中：——被控对象的输出量；
SP n——被控对象的给定量；
K p——比例系数；
T I——积分时间常数；
T D——微分时间常数。
具体PID参数值将根据现场自整定、调试、测试结果而确定，并永久保留在 PLC内部非易失存儲器中
四、取水泵站控制
1. 取水泵站LCU概述
1.1 取水泵站LCU 组成
取水泵站现场控制层由公用 LCU、泵站现场 LCU、冷却水系统和排污泵动力系统 PLC 屏、进水池清污机以及 110KV 变电所的系统监控柜及配套设备等组成。其中公用 LCU 设置在泵房 PLC 控制室内；针对 12 个泵站主厂房，配置 12 套泵站现场 LCU。12 套取水泵机组采用并联方式，将所取原水经 2 条主干管（互相连通）输送到鸦岗配水站。
取水泵站公用 LCU 完成如下监控功能：监控泵房、配电控制间环境温度和湿度，泵站平面内进水总管及配水总管流量、压力、吸水井液位、循环水池液位、循环冷热水流量等工艺参数的检测，以及泵房、配电间内环境通风设备、泵站平面内的总管电动阀门、调流阀门、循环冷却塔等设备的运行监控。
取水泵站公用 LCU 除完成设备监视功能之外，其最核心的工作为：根据鸦岗配水泵站的配水需求，测算出取水泵站需要所启动多少台水泵机组以及泵组变频器输出频率（所有启动的泵组运行频率相同） ，从而实现满足配水泵站对原水的需求，达到：当配水泵站使用配水泵机组进行配水时，配水泵站东面与西面调节前池的水位基本稳定；当配水泵站直接使用超越管进行配水时，满足各水厂对原水的总水量需求。
主泵机组 LCU 完成的功能包括：采集主泵出口流量、主泵进口压力、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；实现机组的一步化启/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。
取水泵站公用 LCU 通过串行通讯方式监视和控制前池3台闸板阀启闭机、6台回转式清污机、进水间检修门机启闭设备，并采集出水总管管道阀门状态、压力、流量，取水水源水质监测系统仪表以及附属设备，采集变配电系统参数。
每台机组 LCU 控制对应的进风机、出风机、冷却水水泵、冷却水进出电动阀门、液压阀、来水出水电动阀等，取水泵组为变频机组。
1.2 取水泵站现场监控结构
取水泵站监控系统分为三层：
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）
1.3 取水泵站控制原则
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。
2. 取水泵站机组LCU控制对象及各变量描述
根据设计要求， 12 套取水泵站采用 10 用 2 备的策略运行， 对于 LCU 柜而言，每套泵组 PLC 主要监测与控制对象包括：6KV 开关柜相关信号、变频器、泵组、进水蝶阀、液压阀（一用一备） 、冷却水泵（一用一备） 、轴流风机、循环水冷却器等；其中取水泵机组系统结构如图 2- 1所示。
2.1 取水泵站机组LCU控制及相关流程
2.1.1 取水泵站机组的静态检测
取水泵组在静态时，PLC 循环检测机组控制变频器断路柜是否允许合闸、直流控制电源和合闸电源是否正常、变频器是否准备就绪、液控阀门状态是否正常、泵组的进出水阀门是否正常、温度测量是否正常。当相关参数正常时，允许启动泵组；否则，系统将发出报警信号，提醒值班人员。
2.1.2 取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，首先将启动电机，电机正常启动后，检查是否达到泵组的闭止扬程，达到闭止扬程后，开启液控阀门，阀门开到约 15°，延时 3~10 秒，然后，在阀门允许开启的时间，将阀门开至最大，整个开机过程结束。
结合取水泵机组与附属设备相关特点，水泵机组正常开机流程如图 2-1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。如：
1） 进线断路器无法合闸，则生成进线断路器报警信息，中断开泵流程，返回泵组停止状态。
2） 开启冷却循环水泵而在预定时间内无法检测到冷却水的水流，或者，开启主轴密封水蝶阀而在预定时间内无法检测到密封水的水流，则程序进入图2-2停机流程 C1 点，执行至“泵组停机过程结束” 。
3） 开启泵组变频器，在规定时间内，变频器无反馈信号或者反馈信号仍不是运行状态，或者约定时间内泵出口压力无法达到整定值，则程序进入如图2-2所示停机流程C2 点，执行至“泵组停机过程结束” 。
4） 开启液压阀门，在规定时间内，液压阀门无法达到指定位置，则程序进入如图 2-2所示停机流程C3点，执行至“泵组停机过程结束”。
2.1.3 取水泵站机组运行过程的检测
在取水泵组运行过程中，PLC检测变频器断路柜的状态、电机的电流、电机温度、轴承温度、泵口压力是否在设定范围内、液控阀门是否有故障；具体检测内容除表 2- 2所示项目以外，至少还包括如表 2- 3所示项目。PLC 根据状态和内容的不同设定，采取报警、停机、事故停机等不同的处理方案。
2.1.4 取水泵站机组的停机过程
取水泵组在运行过程中，接到停机命令后，先关闭液控阀门，当液控阀门关至 15°，延时 3~10 秒，以消除水锤效应，然后缓慢关至关闭。然后停电机，整个停机过程完成。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，正常停机与紧急停机流程如图 2- 2所示。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。