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淺析電磁液體流量計(jì)在污水泵站自控系統(tǒng)運(yùn)用
點(diǎn)擊次數(shù)：2486 發(fā)布時(shí)間：2021-01-02 05:47:01
摘要：甌海三溪片共有四座污水提升泵站，由于建成年份都在移交排水公司之前，當(dāng)時(shí)移交情況就是各個(gè)泵站缺少自控系統(tǒng)，每個(gè)泵站沒(méi)有保持很好的水位運(yùn)行區(qū)間，也很難有一些運(yùn)行數(shù)據(jù)的反饋，因此，根據(jù)當(dāng)時(shí)這四個(gè)泵站的設(shè)備現(xiàn)狀，我們逐步對(duì)各個(gè)泵站進(jìn)行自控改造，增加PLC 柜、水泵控制柜等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)每個(gè)泵站的自動(dòng)化運(yùn)行，又達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，設(shè)備監(jiān)控的效果。
1 當(dāng)時(shí)狀況
甌海三溪片四座污水提升泵站，梅嶼泵站、任橋泵站、新橋泵站、高翔泵站，分別建成年代為 1 9 9 9 年、1 9 9 9 年、2000 年、2004 年。2010 年被溫州市排水有限公司接收，有排水公司統(tǒng)一負(fù)責(zé)運(yùn)行管理。當(dāng)時(shí)移交這些泵站時(shí)，四個(gè)泵站都沒(méi)有自控，水位的控制依靠每個(gè)泵站的四路水位控制箱運(yùn)行，靠一個(gè)投入式液位來(lái)反饋信號(hào)。這就帶來(lái)一個(gè)一連串的問(wèn)題：梅嶼泵站有 5 號(hào)泵坑，雖然當(dāng)時(shí)沒(méi)安裝，但后續(xù)安裝好后無(wú)法被控制；四路水位控制箱每一路的簡(jiǎn)易程序只能控制水泵啟停一次，下一次必定是啟停另一臺(tái)水泵，如果需要強(qiáng)制性開(kāi)啟兩臺(tái)水泵，必須要手動(dòng)，而且水位的設(shè)定過(guò)程復(fù)雜；投入式的液位儀探頭容易被污水池底的污泥包裹，影響傳感器的準(zhǔn)確度，而如果把液位探頭固定懸于水中，就很難進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)高的參照。而其他設(shè)備如攔渣除污機(jī)、電動(dòng)啟閉機(jī)都沒(méi)有自動(dòng)運(yùn)行的硬件控制。為保證這四座泵站功能的安全可靠運(yùn)行，降低運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，亟需進(jìn)行自動(dòng)化改造。
2 改造內(nèi)容
2.1 新橋泵站的改造內(nèi)容
考慮當(dāng)時(shí)要拿一個(gè)泵站作為一期改造試點(diǎn)，要主要工藝設(shè)備穩(wěn)定，又影響較小，我們先將新橋泵站作為自動(dòng)化改造的試點(diǎn)泵站。
2.2 改造要求：
① 由于當(dāng)時(shí)我們對(duì) PLC 的市場(chǎng)的了解，又鑒于自來(lái)水廠(chǎng)廣泛應(yīng)用 AB 公司的 PLC, 我們也采用了AB的L33R1756 系列 CPU 及配套模塊作為 PLC 的基礎(chǔ)硬件。
② 新橋泵站的 PLC 站采用雙 CPU 冗余的結(jié)構(gòu)。
③ 對(duì)老的水泵控制柜進(jìn)行更新，每一個(gè)水泵的控制回路上配置了電機(jī)的保護(hù)軟啟動(dòng)器，不僅使電路更穩(wěn)定運(yùn)行，減少水錘效應(yīng)，更由于軟啟動(dòng)器自帶的電流監(jiān)測(cè)功能，只要在 PLC 柜內(nèi)配置好通訊模塊，就可以實(shí)現(xiàn)將水泵電機(jī)的運(yùn)行狀況反映在自控系統(tǒng)當(dāng)中。水泵控制設(shè)置兩種可切換模式：遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運(yùn)行。
④ 在格柵機(jī)前配置總的進(jìn)水池超聲波液位計(jì)，在兩個(gè)泵池內(nèi)各配置一臺(tái)超聲波液位計(jì)，保留原來(lái)的投入式液位計(jì)，但拆掉控制線(xiàn)路，作為水位參考用。
⑤ 格柵機(jī)的邏輯控制改造：將格柵機(jī)從人工啟停改為在 PLC 程序設(shè)計(jì)上用時(shí)間和格柵前后水位高差來(lái)控制。如果格柵機(jī)前垃圾較多，那么 PLC 會(huì)自動(dòng)判斷格柵機(jī)前后的液位差是否達(dá)到限定值，然后啟動(dòng)運(yùn)行（這種情況較少）。還有一種就是根據(jù)時(shí)間，在一個(gè)小時(shí)或數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行一段世間，再自動(dòng)停止。
⑥ 在出水總管上新裝一臺(tái) E+H 電磁液體流量計(jì)，和超聲波液位計(jì)，電磁液體流量計(jì)主要用于測(cè)量封閉管道中的導(dǎo)電液體和漿液中的體積流量。原理是基于法拉*電磁感應(yīng)定律，電磁液體流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，傳感器在就地，變送器就裝在PLC 柜邊上。由于從傳感器到變送器的信號(hào)是 4-20mA 的信號(hào)，所以我們特別留意信號(hào)干擾和衰減的問(wèn)題，要求信號(hào)線(xiàn)必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號(hào)線(xiàn)。
⑦ 可視化人機(jī)界面和上位機(jī)監(jiān)控：通過(guò) PLC 增加的以太網(wǎng)模塊，將人機(jī)界面（觸摸屏）和上位機(jī)（工控機(jī)）組網(wǎng)。上位機(jī)功能和 PLC 柜上的人機(jī)界面內(nèi)容一致，且有同等操作權(quán)限。
在人機(jī)界面上能看到運(yùn)行事實(shí)情況，達(dá)到如下效果：
機(jī)泵和格柵機(jī)運(yùn)行電流 上位機(jī) 可視
流量和液位數(shù)據(jù) 上位機(jī) 可視
機(jī)泵、格柵機(jī) 上位機(jī) 可視 / 可控
然后通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)，將各臺(tái)水泵編號(hào)，以運(yùn)行時(shí)間*短的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，依次類(lèi)推。如果啟動(dòng)后無(wú)反饋的，系統(tǒng)自動(dòng)判定跳過(guò)，啟動(dòng)下一臺(tái)。
2.3 小結(jié)
在 2 0 1 4 年完成新橋泵站的改造后，P L C 系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，不僅使整個(gè)運(yùn)行水位區(qū)間合理，也因?yàn)橛辛肆髁?，使得水泵的運(yùn)行狀況有了更直觀(guān)的判斷依據(jù)。但是這些都只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)泵站自控*基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實(shí)現(xiàn)了一部分的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)反饋功能，但是仍有一些數(shù)據(jù)比較重要，比如總的電能的用量分析、各臺(tái)水泵的能耗分析、軟啟動(dòng)器的故障信號(hào)反饋、直觀(guān)的泵站水位曲線(xiàn)、瞬時(shí)流量曲線(xiàn)、各水泵的運(yùn)行電流曲線(xiàn)等。因?yàn)橐粋€(gè)單一泵站，其實(shí)它的邏輯控制部分比較簡(jiǎn)單，*重要的部分是能夠通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的多方位監(jiān)視，讓這個(gè)泵站的運(yùn)行更直觀(guān)。
2.4 對(duì)高翔泵站、任橋泵站的改造
2.4.1 硬件方面的要求
① PLC 仍采用 AB 公司的 PLC 模塊，但出于對(duì)品*的信任，這兩個(gè)泵站不再設(shè)置冗余，所以 CPU 模塊選用了L33R1769系列；
② 增加DI、DO模塊，增加Moubus通訊模塊，AI模塊保持不變；
③ 在水泵控制柜的上一級(jí)配電，增加一個(gè)帶 RS485 通訊的多功能電表。多功能電表可以反饋有功、無(wú)功、電流、電壓、總做功等數(shù)據(jù)；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司*新信號(hào)軟啟動(dòng)器 PSTX 系列，該軟啟動(dòng)器不僅本身對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能強(qiáng)大，自帶過(guò)載機(jī)電保護(hù)，而且內(nèi)置旁路，就可以取消熱繼電器和交流接觸器，可以節(jié)省控制柜內(nèi)空間，而且集成了 Modbus RTU用于監(jiān)測(cè)和控制，方便我們接下來(lái)的改造。
2.5 信息層的調(diào)整
在控制程序上，除了任橋泵站為干式泵站，水泵前后的閘閥都需要能夠從遠(yuǎn)程啟停外，水泵還是要在 PLC上設(shè)置兩種模式：遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運(yùn)行。其他的設(shè)備控制邏輯方式都幾乎與新橋一樣。在人機(jī)界面這一塊，在觸摸屏上，因?yàn)轱@示內(nèi)容有限，只能反映整體設(shè)備所處的狀態(tài)。但在上位機(jī)上，除了運(yùn)行工藝，還增加了以下幾個(gè)獨(dú)立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設(shè)備故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、單日運(yùn)行報(bào)表的查詢(xún)等功能。
2.6 梅嶼泵站的改造
由于梅嶼泵站的重要性，繼續(xù)配置 PLC 冗余，且要考慮泵站設(shè)備*多，相應(yīng)的 DI、DO、AI 模塊也要增加。設(shè)備上，控制柜的改造和流量計(jì)、超聲波液位的安裝都已完成，且預(yù)留了線(xiàn)路。但在改造的后期，我們借鑒了其他地區(qū)水務(wù)公司的做法，在每個(gè)泵站配置煙霧感應(yīng)報(bào)警和溫濕度器（數(shù)字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機(jī)界面上體現(xiàn)。
3 總結(jié)和思考
當(dāng)四個(gè)泵站的自控改造基本完成時(shí)，其實(shí)我們對(duì)排水自控領(lǐng)域的初步探索，從硬件的選型和邏輯控制的調(diào)試，只是走出了一小步，有些內(nèi)容，我們還需要深入和細(xì)化。而建立真正智慧排水，還需要更多的嘗試，包括建立獨(dú)立的水位分析，與自控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，遠(yuǎn)程調(diào)取泵站運(yùn)行情況，在手機(jī)終端可以查看記錄，幾個(gè)泵站建立聯(lián)系，根據(jù)總提升泵站的情況，智能調(diào)節(jié)上游提升量，都將是我們的下一個(gè)課題。
1 當(dāng)時(shí)狀況
甌海三溪片四座污水提升泵站，梅嶼泵站、任橋泵站、新橋泵站、高翔泵站，分別建成年代為 1 9 9 9 年、1 9 9 9 年、2000 年、2004 年。2010 年被溫州市排水有限公司接收，有排水公司統(tǒng)一負(fù)責(zé)運(yùn)行管理。當(dāng)時(shí)移交這些泵站時(shí)，四個(gè)泵站都沒(méi)有自控，水位的控制依靠每個(gè)泵站的四路水位控制箱運(yùn)行，靠一個(gè)投入式液位來(lái)反饋信號(hào)。這就帶來(lái)一個(gè)一連串的問(wèn)題：梅嶼泵站有 5 號(hào)泵坑，雖然當(dāng)時(shí)沒(méi)安裝，但后續(xù)安裝好后無(wú)法被控制；四路水位控制箱每一路的簡(jiǎn)易程序只能控制水泵啟停一次，下一次必定是啟停另一臺(tái)水泵，如果需要強(qiáng)制性開(kāi)啟兩臺(tái)水泵，必須要手動(dòng)，而且水位的設(shè)定過(guò)程復(fù)雜；投入式的液位儀探頭容易被污水池底的污泥包裹，影響傳感器的準(zhǔn)確度，而如果把液位探頭固定懸于水中，就很難進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)高的參照。而其他設(shè)備如攔渣除污機(jī)、電動(dòng)啟閉機(jī)都沒(méi)有自動(dòng)運(yùn)行的硬件控制。為保證這四座泵站功能的安全可靠運(yùn)行，降低運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，亟需進(jìn)行自動(dòng)化改造。
2 改造內(nèi)容
2.1 新橋泵站的改造內(nèi)容
考慮當(dāng)時(shí)要拿一個(gè)泵站作為一期改造試點(diǎn)，要主要工藝設(shè)備穩(wěn)定，又影響較小，我們先將新橋泵站作為自動(dòng)化改造的試點(diǎn)泵站。
2.2 改造要求：
① 由于當(dāng)時(shí)我們對(duì) PLC 的市場(chǎng)的了解，又鑒于自來(lái)水廠(chǎng)廣泛應(yīng)用 AB 公司的 PLC, 我們也采用了AB的L33R1756 系列 CPU 及配套模塊作為 PLC 的基礎(chǔ)硬件。
② 新橋泵站的 PLC 站采用雙 CPU 冗余的結(jié)構(gòu)。
③ 對(duì)老的水泵控制柜進(jìn)行更新，每一個(gè)水泵的控制回路上配置了電機(jī)的保護(hù)軟啟動(dòng)器，不僅使電路更穩(wěn)定運(yùn)行，減少水錘效應(yīng)，更由于軟啟動(dòng)器自帶的電流監(jiān)測(cè)功能，只要在 PLC 柜內(nèi)配置好通訊模塊，就可以實(shí)現(xiàn)將水泵電機(jī)的運(yùn)行狀況反映在自控系統(tǒng)當(dāng)中。水泵控制設(shè)置兩種可切換模式：遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運(yùn)行。
④ 在格柵機(jī)前配置總的進(jìn)水池超聲波液位計(jì)，在兩個(gè)泵池內(nèi)各配置一臺(tái)超聲波液位計(jì)，保留原來(lái)的投入式液位計(jì)，但拆掉控制線(xiàn)路，作為水位參考用。
⑤ 格柵機(jī)的邏輯控制改造：將格柵機(jī)從人工啟停改為在 PLC 程序設(shè)計(jì)上用時(shí)間和格柵前后水位高差來(lái)控制。如果格柵機(jī)前垃圾較多，那么 PLC 會(huì)自動(dòng)判斷格柵機(jī)前后的液位差是否達(dá)到限定值，然后啟動(dòng)運(yùn)行（這種情況較少）。還有一種就是根據(jù)時(shí)間，在一個(gè)小時(shí)或數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行一段世間，再自動(dòng)停止。
⑥ 在出水總管上新裝一臺(tái) E+H 電磁液體流量計(jì)，和超聲波液位計(jì)，電磁液體流量計(jì)主要用于測(cè)量封閉管道中的導(dǎo)電液體和漿液中的體積流量。原理是基于法拉*電磁感應(yīng)定律，電磁液體流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，傳感器在就地，變送器就裝在PLC 柜邊上。由于從傳感器到變送器的信號(hào)是 4-20mA 的信號(hào)，所以我們特別留意信號(hào)干擾和衰減的問(wèn)題，要求信號(hào)線(xiàn)必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號(hào)線(xiàn)。
⑦ 可視化人機(jī)界面和上位機(jī)監(jiān)控：通過(guò) PLC 增加的以太網(wǎng)模塊，將人機(jī)界面（觸摸屏）和上位機(jī)（工控機(jī)）組網(wǎng)。上位機(jī)功能和 PLC 柜上的人機(jī)界面內(nèi)容一致，且有同等操作權(quán)限。
在人機(jī)界面上能看到運(yùn)行事實(shí)情況，達(dá)到如下效果：
機(jī)泵和格柵機(jī)運(yùn)行電流 上位機(jī) 可視
流量和液位數(shù)據(jù) 上位機(jī) 可視
機(jī)泵、格柵機(jī) 上位機(jī) 可視 / 可控
然后通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)，將各臺(tái)水泵編號(hào)，以運(yùn)行時(shí)間*短的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，依次類(lèi)推。如果啟動(dòng)后無(wú)反饋的，系統(tǒng)自動(dòng)判定跳過(guò)，啟動(dòng)下一臺(tái)。
2.3 小結(jié)
在 2 0 1 4 年完成新橋泵站的改造后，P L C 系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，不僅使整個(gè)運(yùn)行水位區(qū)間合理，也因?yàn)橛辛肆髁?，使得水泵的運(yùn)行狀況有了更直觀(guān)的判斷依據(jù)。但是這些都只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)泵站自控*基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實(shí)現(xiàn)了一部分的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)反饋功能，但是仍有一些數(shù)據(jù)比較重要，比如總的電能的用量分析、各臺(tái)水泵的能耗分析、軟啟動(dòng)器的故障信號(hào)反饋、直觀(guān)的泵站水位曲線(xiàn)、瞬時(shí)流量曲線(xiàn)、各水泵的運(yùn)行電流曲線(xiàn)等。因?yàn)橐粋€(gè)單一泵站，其實(shí)它的邏輯控制部分比較簡(jiǎn)單，*重要的部分是能夠通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的多方位監(jiān)視，讓這個(gè)泵站的運(yùn)行更直觀(guān)。
2.4 對(duì)高翔泵站、任橋泵站的改造
2.4.1 硬件方面的要求
① PLC 仍采用 AB 公司的 PLC 模塊，但出于對(duì)品*的信任，這兩個(gè)泵站不再設(shè)置冗余，所以 CPU 模塊選用了L33R1769系列；
② 增加DI、DO模塊，增加Moubus通訊模塊，AI模塊保持不變；
③ 在水泵控制柜的上一級(jí)配電，增加一個(gè)帶 RS485 通訊的多功能電表。多功能電表可以反饋有功、無(wú)功、電流、電壓、總做功等數(shù)據(jù)；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司*新信號(hào)軟啟動(dòng)器 PSTX 系列，該軟啟動(dòng)器不僅本身對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能強(qiáng)大，自帶過(guò)載機(jī)電保護(hù)，而且內(nèi)置旁路，就可以取消熱繼電器和交流接觸器，可以節(jié)省控制柜內(nèi)空間，而且集成了 Modbus RTU用于監(jiān)測(cè)和控制，方便我們接下來(lái)的改造。
2.5 信息層的調(diào)整
在控制程序上，除了任橋泵站為干式泵站，水泵前后的閘閥都需要能夠從遠(yuǎn)程啟停外，水泵還是要在 PLC上設(shè)置兩種模式：遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運(yùn)行。其他的設(shè)備控制邏輯方式都幾乎與新橋一樣。在人機(jī)界面這一塊，在觸摸屏上，因?yàn)轱@示內(nèi)容有限，只能反映整體設(shè)備所處的狀態(tài)。但在上位機(jī)上，除了運(yùn)行工藝，還增加了以下幾個(gè)獨(dú)立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設(shè)備故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、單日運(yùn)行報(bào)表的查詢(xún)等功能。
2.6 梅嶼泵站的改造
由于梅嶼泵站的重要性，繼續(xù)配置 PLC 冗余，且要考慮泵站設(shè)備*多，相應(yīng)的 DI、DO、AI 模塊也要增加。設(shè)備上，控制柜的改造和流量計(jì)、超聲波液位的安裝都已完成，且預(yù)留了線(xiàn)路。但在改造的后期，我們借鑒了其他地區(qū)水務(wù)公司的做法，在每個(gè)泵站配置煙霧感應(yīng)報(bào)警和溫濕度器（數(shù)字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機(jī)界面上體現(xiàn)。
3 總結(jié)和思考
當(dāng)四個(gè)泵站的自控改造基本完成時(shí)，其實(shí)我們對(duì)排水自控領(lǐng)域的初步探索，從硬件的選型和邏輯控制的調(diào)試，只是走出了一小步，有些內(nèi)容，我們還需要深入和細(xì)化。而建立真正智慧排水，還需要更多的嘗試，包括建立獨(dú)立的水位分析，與自控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，遠(yuǎn)程調(diào)取泵站運(yùn)行情況，在手機(jī)終端可以查看記錄，幾個(gè)泵站建立聯(lián)系，根據(jù)總提升泵站的情況，智能調(diào)節(jié)上游提升量，都將是我們的下一個(gè)課題。