淺析電磁液體流量計在污水泵站自控系統運用
點(diǎn)擊次數：1563 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，當時(shí)移交情況就是各個(gè)泵站缺少自控系統，每個(gè)泵站沒(méi)有保持很好的水位運行區間，也很難有一些運行數據的反饋，因此，根據當時(shí)這四個(gè)泵站的設備現狀，我們逐步對各個(gè)泵站進(jìn)行自控改造，增加PLC 柜、水泵控制柜等設備，實(shí)現每個(gè)泵站的自動(dòng)化運行，又達到數據監測，設備監控的效果。
1 當時(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，有排水公司統一負責運行管理。當時(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行，靠一個(gè)投入式液位來(lái)反饋信號。這就帶來(lái)一個(gè)一連串的問(wèn)題：梅嶼泵站有 5 號泵坑，雖然當時(shí)沒(méi)安裝，但后續安裝好后無(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水泵，如果需要強制性開(kāi)啟兩臺水泵，必須要手動(dòng)，而且水位的設定過(guò)程復雜；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(jìn)行絕對標高的參照。而其他設備如攔渣除污機、電動(dòng)啟閉機都沒(méi)有自動(dòng)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(dòng)強度，亟需進(jìn)行自動(dòng)化改造。
2 改造內容
2.1 新橋泵站的改造內容
考慮當時(shí)要拿一個(gè)泵站作為一期改造試點(diǎn)，要主要工藝設備穩定，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 由于當時(shí)我們對 PLC 的市場(chǎng)的了解，又鑒于自來(lái)水廠(chǎng)廣泛應用 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 的基礎硬件。
② 新橋泵站的 PLC 站采用雙 CPU 冗余的結構。
③ 對老的水泵控制柜進(jìn)行更新，每一個(gè)水泵的控制回路上配置了電機的保護軟啟動(dòng)器，不僅使電路更穩定運行，減少水錘效應，更由于軟啟動(dòng)器自帶的電流監測功能，只要在 PLC 柜內配置好通訊模塊，就可以實(shí)現將水泵電機的運行狀況反映在自控系統當中。水泵控制設置兩種可切換模式：遠程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運行。
④ 在格柵機前配置總的進(jìn)水池超聲波液位計，在兩個(gè)泵池內各配置一臺超聲波液位計，保留原來(lái)的投入式液位計，但拆掉控制線(xiàn)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 程序設計上用時(shí)間和格柵前后水位高差來(lái)控制。如果格柵機前垃圾較多，那么 PLC 會(huì )自動(dòng)判斷格柵機前后的液位差是否達到限定值，然后啟動(dòng)運行（這種情況較少）。還有一種就是根據時(shí)間，在一個(gè)小時(shí)或數個(gè)小時(shí)內連續運行一段世間，再自動(dòng)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電液體和漿液中的體積流量。原理是基于法拉第電磁感應定律，電磁液體流量計由傳感器和轉換器組成，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(wèn)題，要求信號線(xiàn)必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號線(xiàn)。
⑦ 可視化人機界面和上位機監控：通過(guò) 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 柜上的人機界面內容一致，且有同等操作權限。
在人機界面上能看到運行事實(shí)情況，達到如下效果：
機泵和格柵機運行電流 上位機 可視
流量和液位數據 上位機 可視
機泵、格柵機 上位機 可視 / 可控
然后通過(guò)邏輯設計，將各臺水泵編號，以運行時(shí)間最短的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，依次類(lèi)推。如果啟動(dòng)后無(wú)反饋的，系統自動(dòng)判定跳過(guò)，啟動(dòng)下一臺。
2.3 小結
在 2 0 1 4 年完成新橋泵站的改造后，P L C 系統一直穩定運行，不僅使整個(gè)運行水位區間合理，也因為有了流量，使得水泵的運行狀況有了更直觀(guān)的判斷依據。但是這些都只是實(shí)現了一個(gè)泵站自控最基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實(shí)現了一部分的自動(dòng)控制和數據反饋功能，但是仍有一些數據比較重要，比如總的電能的用量分析、各臺水泵的能耗分析、軟啟動(dòng)器的故障信號反饋、直觀(guān)的泵站水位曲線(xiàn)、瞬時(shí)流量曲線(xiàn)、各水泵的運行電流曲線(xiàn)等。因為一個(gè)單一泵站，其實(shí)它的邏輯控制部分比較簡(jiǎn)單，最重要的部分是能夠通過(guò)對設備運行情況的多方位監視，讓這個(gè)泵站的運行更直觀(guān)。
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，但出于對品牌的信任，這兩個(gè)泵站不再設置冗余，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(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、總做功等數據；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司最新信號軟啟動(dòng)器 PSTX 系列，該軟啟動(dòng)器不僅本身對電機的保護功能強大，自帶過(guò)載機電保護，而且內置旁路，就可以取消熱繼電器和交流接觸器，可以節省控制柜內空間，而且集成了 Modbus RTU用于監測和控制，方便我們接下來(lái)的改造。
2.5 信息層的調整
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上設置兩種模式：遠程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運行。其他的設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，因為顯示內容有限，只能反映整體設備所處的狀態(tài)。但在上位機上，除了運行工藝，還增加了以下幾個(gè)獨立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設備故障報警、歷史數據查詢(xún)、單日運行報表的查詢(xún)等功能。
2.6 梅嶼泵站的改造
由于梅嶼泵站的重要性，繼續配置 PLC 冗余，且要考慮泵站設備最多，相應的 DI、DO、AI 模塊也要增加。設備上，控制柜的改造和流量計、超聲波液位的安裝都已完成，且預留了線(xiàn)路。但在改造的后期，我們借鑒了其他地區水務(wù)公司的做法，在每個(gè)泵站配置煙霧感應報警和溫濕度器（數字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機界面上體現。
3 總結和思考
當四個(gè)泵站的自控改造基本完成時(shí)，其實(shí)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試，只是走出了一小步，有些內容，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，與自控數據進(jìn)行比對，遠程調取泵站運行情況，在手機終端可以查看記錄，幾個(gè)泵站建立聯(lián)系，根據總提升泵站的情況，智能調節上游提升量，都將是我們的下一個(gè)課題。
1 當時(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，有排水公司統一負責運行管理。當時(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行，靠一個(gè)投入式液位來(lái)反饋信號。這就帶來(lái)一個(gè)一連串的問(wèn)題：梅嶼泵站有 5 號泵坑，雖然當時(shí)沒(méi)安裝，但后續安裝好后無(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水泵，如果需要強制性開(kāi)啟兩臺水泵，必須要手動(dòng)，而且水位的設定過(guò)程復雜；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(jìn)行絕對標高的參照。而其他設備如攔渣除污機、電動(dòng)啟閉機都沒(méi)有自動(dòng)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(dòng)強度，亟需進(jìn)行自動(dòng)化改造。
2 改造內容
2.1 新橋泵站的改造內容
考慮當時(shí)要拿一個(gè)泵站作為一期改造試點(diǎn)，要主要工藝設備穩定，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 由于當時(shí)我們對 PLC 的市場(chǎng)的了解，又鑒于自來(lái)水廠(chǎng)廣泛應用 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 的基礎硬件。
② 新橋泵站的 PLC 站采用雙 CPU 冗余的結構。
③ 對老的水泵控制柜進(jìn)行更新，每一個(gè)水泵的控制回路上配置了電機的保護軟啟動(dòng)器，不僅使電路更穩定運行，減少水錘效應，更由于軟啟動(dòng)器自帶的電流監測功能，只要在 PLC 柜內配置好通訊模塊，就可以實(shí)現將水泵電機的運行狀況反映在自控系統當中。水泵控制設置兩種可切換模式：遠程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運行。
④ 在格柵機前配置總的進(jìn)水池超聲波液位計，在兩個(gè)泵池內各配置一臺超聲波液位計，保留原來(lái)的投入式液位計，但拆掉控制線(xiàn)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 程序設計上用時(shí)間和格柵前后水位高差來(lái)控制。如果格柵機前垃圾較多，那么 PLC 會(huì )自動(dòng)判斷格柵機前后的液位差是否達到限定值，然后啟動(dòng)運行（這種情況較少）。還有一種就是根據時(shí)間，在一個(gè)小時(shí)或數個(gè)小時(shí)內連續運行一段世間，再自動(dòng)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電液體和漿液中的體積流量。原理是基于法拉第電磁感應定律，電磁液體流量計由傳感器和轉換器組成，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(wèn)題，要求信號線(xiàn)必須是原裝的帶屏蔽層的抗干擾信號線(xiàn)。
⑦ 可視化人機界面和上位機監控：通過(guò) 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 柜上的人機界面內容一致，且有同等操作權限。
在人機界面上能看到運行事實(shí)情況，達到如下效果：
機泵和格柵機運行電流 上位機 可視
流量和液位數據 上位機 可視
機泵、格柵機 上位機 可視 / 可控
然后通過(guò)邏輯設計，將各臺水泵編號，以運行時(shí)間最短的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，依次類(lèi)推。如果啟動(dòng)后無(wú)反饋的，系統自動(dòng)判定跳過(guò)，啟動(dòng)下一臺。
2.3 小結
在 2 0 1 4 年完成新橋泵站的改造后，P L C 系統一直穩定運行，不僅使整個(gè)運行水位區間合理，也因為有了流量，使得水泵的運行狀況有了更直觀(guān)的判斷依據。但是這些都只是實(shí)現了一個(gè)泵站自控最基本的功能。新橋泵站的自控改造，只是實(shí)現了一部分的自動(dòng)控制和數據反饋功能，但是仍有一些數據比較重要，比如總的電能的用量分析、各臺水泵的能耗分析、軟啟動(dòng)器的故障信號反饋、直觀(guān)的泵站水位曲線(xiàn)、瞬時(shí)流量曲線(xiàn)、各水泵的運行電流曲線(xiàn)等。因為一個(gè)單一泵站，其實(shí)它的邏輯控制部分比較簡(jiǎn)單，最重要的部分是能夠通過(guò)對設備運行情況的多方位監視，讓這個(gè)泵站的運行更直觀(guān)。
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，但出于對品牌的信任，這兩個(gè)泵站不再設置冗余，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(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、總做功等數據；
④ 水泵控制柜上配置 ABB 公司最新信號軟啟動(dòng)器 PSTX 系列，該軟啟動(dòng)器不僅本身對電機的保護功能強大，自帶過(guò)載機電保護，而且內置旁路，就可以取消熱繼電器和交流接觸器，可以節省控制柜內空間，而且集成了 Modbus RTU用于監測和控制，方便我們接下來(lái)的改造。
2.5 信息層的調整
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上設置兩種模式：遠程手動(dòng)啟停 / 程序控制自動(dòng)運行。其他的設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，因為顯示內容有限，只能反映整體設備所處的狀態(tài)。但在上位機上，除了運行工藝，還增加了以下幾個(gè)獨立的可視單元：電能質(zhì)量分析、設備故障報警、歷史數據查詢(xún)、單日運行報表的查詢(xún)等功能。
2.6 梅嶼泵站的改造
由于梅嶼泵站的重要性，繼續配置 PLC 冗余，且要考慮泵站設備最多，相應的 DI、DO、AI 模塊也要增加。設備上，控制柜的改造和流量計、超聲波液位的安裝都已完成，且預留了線(xiàn)路。但在改造的后期，我們借鑒了其他地區水務(wù)公司的做法，在每個(gè)泵站配置煙霧感應報警和溫濕度器（數字型），并接入 PLC，不用參與邏輯控制，只要能在人機界面上體現。
3 總結和思考
當四個(gè)泵站的自控改造基本完成時(shí)，其實(shí)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試，只是走出了一小步，有些內容，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，與自控數據進(jìn)行比對，遠程調取泵站運行情況，在手機終端可以查看記錄，幾個(gè)泵站建立聯(lián)系，根據總提升泵站的情況，智能調節上游提升量，都將是我們的下一個(gè)課題。