淺析電磁液體流量計在污水泵站自控系統(tǒng)運用
點擊次數(shù)：2494 發(fā)布時間：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，當時移交情況就是各個泵站缺少自控系統(tǒng)，每個泵站沒有保持很好的水位運行區(qū)間，也很難有一些運行數(shù)據(jù)的反饋，因此，根據(jù)當時這四個泵站的設(shè)備現(xiàn)狀，我們逐步對各個泵站進行自控改造，增加PLC 柜、水泵控制柜等設(shè)備，實現(xiàn)每個泵站的自動化運行，又達到數(shù)據(jù)監(jiān)測，設(shè)備監(jiān)控的效果。
1 當時狀況
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)一負責(zé)運行管理。當時移交這些泵站時，四個泵站都沒有自控，水位的控制依靠每個泵站的四路水位控制箱運行，靠一個投入式液位來反饋信號。這就帶來一個一連串的問題：梅嶼泵站有 5 號泵坑，雖然當時沒安裝，但后續(xù)安裝好后無法被控制；四路水位控制箱每一路的簡易程序只能控制水泵啟停一次，下一次必定是啟停另一臺水泵，如果需要強制性開啟兩臺水泵，必須要手動，而且水位的設(shè)定過程復(fù)雜；投入式的液位儀探頭容易被污水池底的污泥包裹，影響傳感器的準確度，而如果把液位探頭固定懸于水中，就很難進行絕對標高的參照。而其他設(shè)備如攔渣除污機、電動啟閉機都沒有自動運行的硬件控制。為保證這四座泵站功能的安全可靠運行，降低運行人員的勞動強度，亟需進行自動化改造。
2 改造內(nèi)容
2.1 新橋泵站的改造內(nèi)容
考慮當時要拿一個泵站作為一期改造試點，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化改造的試點泵站。
2.2 改造要求：
① 由于當時我們對 PLC 的市場的了解，又鑒于自來水廠廣泛應(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 對老的水泵控制柜進行更新，每一個水泵的控制回路上配置了電機的保護軟啟動器，不僅使電路更穩(wěn)定運行，減少水錘效應(yīng)，更由于軟啟動器自帶的電流監(jiān)測功能，只要在 PLC 柜內(nèi)配置好通訊模塊，就可以實現(xiàn)將水泵電機的運行狀況反映在自控系統(tǒng)當中。水泵控制設(shè)置兩種可切換模式：遠程手動啟停 / 程序控制自動運行。
④ 在格柵機前配置總的進水池超聲波液位計，在兩個泵池內(nèi)各配置一臺超聲波液位計，保留原來的投入式液位計，但拆掉控制線路，作為水位參考用。
⑤ 格柵機的邏輯控制改造：將格柵機從人工啟停改為在 PLC 程序設(shè)計上用時間和格柵前后水位高差來控制。如果格柵機前垃圾較多，那么 PLC 會自動判斷格柵機前后的液位差是否達到限定值，然后啟動運行（這種情況較少）。還有一種就是根據(jù)時間，在一個小時或數(shù)個小時內(nèi)連續(xù)運行一段世間，再自動停止。
⑥ 在出水總管上新裝一臺 E+H 電磁液體流量計，和超聲波液位計，電磁液體流量計主要用于測量封閉管道中的導(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是 4-20mA 的信號，所以我們特別留意信號干擾和衰減的問題，要求信號線必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號線。
⑦ 可視化人機界面和上位機監(jiān)控：通過 PLC 增加的以太網(wǎng)模塊，將人機界面（觸摸屏）和上位機（工控機）組網(wǎng)。上位機功能和 PLC 柜上的人機界面內(nèi)容一致，且有同等操作權(quán)限。
在人機界面上能看到運行事實情況，達到如下效果：
機泵和格柵機運行電流 上位機 可視
流量和液位數(shù)據(jù) 上位機 可視
機泵、格柵機 上位機 可視 / 可控
然后通過邏輯設(shè)計，將各臺水泵編號，以運行時間*短的水泵優(yōu)先啟動，依次類推。如果啟動后無反饋的，系統(tǒng)自動判定跳過，啟動下一臺。
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)定運行，不僅使整個運行水位區(qū)間合理，也因為有了流量，使得水泵的運行狀況有了更直觀的判斷依據(jù)。但是這些都只是實現(xiàn)了一個泵站自控*基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實現(xiàn)了一部分的自動控制和數(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、各臺水泵的能耗分析、軟啟動器的故障信號反饋、直觀的泵站水位曲線、瞬時流量曲線、各水泵的運行電流曲線等。因為一個單一泵站，其實它的邏輯控制部分比較簡單，*重要的部分是能夠通過對設(shè)備運行情況的多方位監(jiān)視，讓這個泵站的運行更直觀。
2.4 對高翔泵站、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，但出于對品*的信任，這兩個泵站不再設(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配電，增加一個帶 RS485 通訊的多功能電表。多功能電表可以反饋有功、無功、電流、電壓、總做功等數(shù)據(jù)；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司*新信號軟啟動器 PSTX 系列，該軟啟動器不僅本身對電機的保護功能強大，自帶過載機電保護，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)測和控制，方便我們接下來的改造。
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程啟停外，水泵還是要在 PLC上設(shè)置兩種模式：遠程手動啟停 / 程序控制自動運行。其他的設(shè)備控制邏輯方式都幾乎與新橋一樣。在人機界面這一塊，在觸摸屏上，因為顯示內(nèi)容有限，只能反映整體設(shè)備所處的狀態(tài)。但在上位機上，除了運行工藝，還增加了以下幾個獨立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設(shè)備故障報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、單日運行報表的查詢等功能。
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、超聲波液位的安裝都已完成，且預(yù)留了線路。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，在每個泵站配置煙霧感應(yīng)報警和溫濕度器（數(shù)字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機界面上體現(xiàn)。
3 總結(jié)和思考
當四個泵站的自控改造基本完成時，其實我們對排水自控領(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化。而建立真正智慧排水，還需要更多的嘗試，包括建立獨立的水位分析，與自控數(shù)據(jù)進行比對，遠程調(diào)取泵站運行情況，在手機終端可以查看記錄，幾個泵站建立聯(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課題。
1 當時狀況
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)一負責(zé)運行管理。當時移交這些泵站時，四個泵站都沒有自控，水位的控制依靠每個泵站的四路水位控制箱運行，靠一個投入式液位來反饋信號。這就帶來一個一連串的問題：梅嶼泵站有 5 號泵坑，雖然當時沒安裝，但后續(xù)安裝好后無法被控制；四路水位控制箱每一路的簡易程序只能控制水泵啟停一次，下一次必定是啟停另一臺水泵，如果需要強制性開啟兩臺水泵，必須要手動，而且水位的設(shè)定過程復(fù)雜；投入式的液位儀探頭容易被污水池底的污泥包裹，影響傳感器的準確度，而如果把液位探頭固定懸于水中，就很難進行絕對標高的參照。而其他設(shè)備如攔渣除污機、電動啟閉機都沒有自動運行的硬件控制。為保證這四座泵站功能的安全可靠運行，降低運行人員的勞動強度，亟需進行自動化改造。
2 改造內(nèi)容
2.1 新橋泵站的改造內(nèi)容
考慮當時要拿一個泵站作為一期改造試點，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化改造的試點泵站。
2.2 改造要求：
① 由于當時我們對 PLC 的市場的了解，又鑒于自來水廠廣泛應(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 對老的水泵控制柜進行更新，每一個水泵的控制回路上配置了電機的保護軟啟動器，不僅使電路更穩(wěn)定運行，減少水錘效應(yīng)，更由于軟啟動器自帶的電流監(jiān)測功能，只要在 PLC 柜內(nèi)配置好通訊模塊，就可以實現(xiàn)將水泵電機的運行狀況反映在自控系統(tǒng)當中。水泵控制設(shè)置兩種可切換模式：遠程手動啟停 / 程序控制自動運行。
④ 在格柵機前配置總的進水池超聲波液位計，在兩個泵池內(nèi)各配置一臺超聲波液位計，保留原來的投入式液位計，但拆掉控制線路，作為水位參考用。
⑤ 格柵機的邏輯控制改造：將格柵機從人工啟停改為在 PLC 程序設(shè)計上用時間和格柵前后水位高差來控制。如果格柵機前垃圾較多，那么 PLC 會自動判斷格柵機前后的液位差是否達到限定值，然后啟動運行（這種情況較少）。還有一種就是根據(jù)時間，在一個小時或數(shù)個小時內(nèi)連續(xù)運行一段世間，再自動停止。
⑥ 在出水總管上新裝一臺 E+H 電磁液體流量計，和超聲波液位計，電磁液體流量計主要用于測量封閉管道中的導(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是 4-20mA 的信號，所以我們特別留意信號干擾和衰減的問題，要求信號線必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號線。
⑦ 可視化人機界面和上位機監(jiān)控：通過 PLC 增加的以太網(wǎng)模塊，將人機界面（觸摸屏）和上位機（工控機）組網(wǎng)。上位機功能和 PLC 柜上的人機界面內(nèi)容一致，且有同等操作權(quán)限。
在人機界面上能看到運行事實情況，達到如下效果：
機泵和格柵機運行電流 上位機 可視
流量和液位數(shù)據(jù) 上位機 可視
機泵、格柵機 上位機 可視 / 可控
然后通過邏輯設(shè)計，將各臺水泵編號，以運行時間*短的水泵優(yōu)先啟動，依次類推。如果啟動后無反饋的，系統(tǒng)自動判定跳過，啟動下一臺。
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)定運行，不僅使整個運行水位區(qū)間合理，也因為有了流量，使得水泵的運行狀況有了更直觀的判斷依據(jù)。但是這些都只是實現(xiàn)了一個泵站自控*基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實現(xiàn)了一部分的自動控制和數(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、各臺水泵的能耗分析、軟啟動器的故障信號反饋、直觀的泵站水位曲線、瞬時流量曲線、各水泵的運行電流曲線等。因為一個單一泵站，其實它的邏輯控制部分比較簡單，*重要的部分是能夠通過對設(shè)備運行情況的多方位監(jiān)視，讓這個泵站的運行更直觀。
2.4 對高翔泵站、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，但出于對品*的信任，這兩個泵站不再設(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配電，增加一個帶 RS485 通訊的多功能電表。多功能電表可以反饋有功、無功、電流、電壓、總做功等數(shù)據(jù)；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司*新信號軟啟動器 PSTX 系列，該軟啟動器不僅本身對電機的保護功能強大，自帶過載機電保護，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)測和控制，方便我們接下來的改造。
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程啟停外，水泵還是要在 PLC上設(shè)置兩種模式：遠程手動啟停 / 程序控制自動運行。其他的設(shè)備控制邏輯方式都幾乎與新橋一樣。在人機界面這一塊，在觸摸屏上，因為顯示內(nèi)容有限，只能反映整體設(shè)備所處的狀態(tài)。但在上位機上，除了運行工藝，還增加了以下幾個獨立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設(shè)備故障報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、單日運行報表的查詢等功能。
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、超聲波液位的安裝都已完成，且預(yù)留了線路。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，在每個泵站配置煙霧感應(yīng)報警和溫濕度器（數(shù)字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機界面上體現(xiàn)。
3 總結(jié)和思考
當四個泵站的自控改造基本完成時，其實我們對排水自控領(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化。而建立真正智慧排水，還需要更多的嘗試，包括建立獨立的水位分析，與自控數(shù)據(jù)進行比對，遠程調(diào)取泵站運行情況，在手機終端可以查看記錄，幾個泵站建立聯(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課題。