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摘要：针对广州市某提升泵站在生产上存在的实际问题，对原控制线路采用相对简单的自动化改造，从而达到节能降耗的目标。

关键词：污水提升泵站；节能降耗；自动化改造；

前言

污水提升泵站是城市排水系统不可缺少的一部分，承担着城市生活污水、生产废水排放任务。而随着社会的发展进步，人们的环保意识越来越高，走可持续发展的道路，必须解决资源过度消耗的问题。而提升泵站作为一个能耗大户，必须重视节能降耗的工作。

尽管现今泵站自动化水平已经很高。但在改造过程中，也存在着麻木追求硬件配置的高端，忽视了生产存在的实际问题。特别在地处偏远，基础配置相对滞后的泵站，要提高生产效率，达到节能降耗的预期效果，就应该有一套合理的自动化改造方案，这样才能以相对低的改造成本，实现较好的节能目标。

本文以某提升泵站的自控改造实例，针对泵站运行过程中存在的主要问题，采用相对简单的方式进行改造，较好地实现节能降耗的目标。

1.某提升泵站概况

广州市某提升泵站泵站旱季设计流量为1.1（万吨/日），规模流量远期为2.16万吨/日，根据2020年到2022年的数据统计，泵站年均送水量为107.8万吨/年（2011年由于客观原因没作计算），泵站旱季实际送水量在0.3-0.5（万吨/日），雨季高峰实际送水量在0.8-1（万吨/日），月均电耗为0.0468（度/立方）。

泵站设有一个池深9.7米的集水池。设计开泵水位为2.36米，停泵水位为1.01米（水泵高约1.4米，停泵水位低于水泵高度，设计不合理），但实际操作是开泵6米（工况分析会详细说明），停泵2米。泵站设有一个溢流口（管径DN800，标高为-2.9米）。

泵站主要设备包括4台功率为22KW，扬程10.3-11.25米潜水泵，2台回转式的格栅、1台除臭设备、1台1.5KW起吊高度为12米的电动葫芦、4道电动水闸、1台发电机等。

2.存在问题

（1）运行设备主要以人手操作，容易导致数据误差大，影响营运管理。运行模式上，主要是通过值班人员按照设计的开停泵水位操作设备。由于客观上缺乏更完善的硬件配套，主观上也很难严格监管人员的日常能按要求操作，因此较难保障数据的准确性，这样就存在一定的误差。

数据的准确性在生产上是非常重要的，它反映着设备的运行情况，具体包括设备的运行次数、设备的运行时间、开停泵的水位变化等。更重要是影响着营运上的各种分析及营运决策，营运分析包括设备的使用故障率及寿命分析、水量及能耗分析、运行成本分析等等。因此只有减少人为操作，降低数据误差，才能更好地对数据进行分析，这样才能更好地对生产上的问题进行调整，这样的营运决策才是有效的。

所以设计一套能适用现有生产条件的自控系统是非常必要的。而在设计的过程中，主要解决以下三方面。

解决四台水泵及两台格栅轮流自动切换的设计问题。尽管在原机械线路设计上有预留自控设计的部分。但由于实际安装的过程没有长远的考虑，增加了自控改造的难度。首先，每台水泵原设计只有下限浮球，没有自动开动功能，需要在自动改造中增加自动开动原件。除了在程序上需要增加自控转化设计，也需要增加并优化新增自控电箱的功能零件。而在设计的过程中，主要避免自控系统与原机械原件的动作冲突。比如PLC输出触点与原电柜中间继电器、各自控触点与原电柜传感器、互感器、交流接触器、软启动的冲突等。而四台水泵及两台格栅自动切换与轮换也是重点需要解决的问题。

解决四台水泵及两台格栅出现故障和特殊情况正常轮转的设计问题。四台水泵常出现的故障时包括：水泵卡垃圾时出现的过热保护跳闸、干运行故障导致水泵无法正常开启、水泵各类保护出现的常规故障（干室保护、绕组、油室、轴温）、软启动与PLC的有效联系问题。

解决零部件在布局上满足改造适用性和可操作性的问题。由于在改造过程中，必须长远的考虑自控系统的上级改造的需要。同时，在自控改造后也需要便于值班人员的线路维修排查工作。缺少这种考虑的话，容易导致在排查的过程中，无法对原线路的复原。因此，在布线上是需要根据上述情况充分考虑。此外，适用性和便利的操作性也是为日后推广到其他片区泵站所考虑的。

（2）原设计开停泵水位不合理，导致高能耗，低效率。泵站池深9.7米。设计开泵水位为2.36米，停泵水位为1.01米，水泵高约1.4米，停泵水位明显低于水泵高度，这在实际运行中是不合理的。水泵在正常的使用过程，应该在水位线以下，这样为了防止水泵运行过热导致故障甚至烧坏，从设计水位看，原设计反映出设计脱离实际情况的问题。

此外，开泵水位设置过低，也造成设备间的轮换次数增加，导致高能耗，设备在开动前启动电流一般很高，也处在高能耗阶段，设备间的轮换次数增加，能耗也必然随之增加。因此，必须要解决水泵水位合理设置的问题，最有效的方法就是对设备进行工况分析，结合实际情况，分析出最佳的运行区间，从而优化运行模式，达到节能降耗的目的。

3.泵站改造主要思路及实施计划

针对上述存在的问题对原线路进行下列几点的自动化控制改造。

（1）时间累积功能。由于在日常的运行中，时间的记录的主要作用说：反映实际设备实际的运行时间、分析水量峰值情况、设备的实际使用寿命。而记录统计的方式也是靠人手统计记录，这样误差较大，改造后能降低数据上的误差。对运行管理决策更加有利。

（2）格栅运行时间控制功能。格栅设备安装的位置在格栅室，位置远离办公室，原控制方式是通过人员到现场操作。格栅的主要功能是在进水前阻隔垃圾，防止大型的垃圾进入集水池对水泵运行产生影响。因此，在设计的过程中，为了实现远程控制，应该增加对格栅的时间控制。在水泵启动开始的前五分钟及启动过程进行运行控制，保障水泵的正常运行。

（3）故障检测功能。尽管PLC可以通过面板反应故障情况。但是，由于操作人员的专业水平不一定对自控技术能了解，为了更能直观地放映故障出现时的情况。在设计上把各种保护按照一定工作要求及规范考虑其中，增加各种指示灯。当出现故障时，值班人员能便利地观测到相应的故障，提高工作效率。

（4）运行状态提醒功能。由于新增的自控系统安装在办公室，远离原水泵的操作现场，所以在新增的控制柜内同时增加相应的状态提醒指示灯。除了水泵的正常运行状态指示，还在各场所新增了大型的闪灯，闪灯会在设备运行前的两分钟作出提醒警报。这样可以防止人员在五警示的情况下无意靠近设备时造成伤害。特别是针对格栅场所。这样的设计能大大提高运行的安全性。

（5）手动及自控转换功能。在生产过程中，不能完全依靠自控运行，在特殊的情况下是需要转换成人手操作，例如维修、汛期期间控制水杯、检修设备等情况。而且在设计上，也是分场所实现分层转换控制。这样提高各场所设备的对立性，降低特殊情况时对生产上的影响。

4.水泵控制线路分析

（1）正常运行情况

水泵开动：送电运行，图中ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4分别是电机绕组过热保护、干室渗漏保护、油室温度探测保护的常开触头。在送电的情况下，由于水泵内部101与103、101与105、101与107三组接线触电闭合，线圈ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4得电，相对应的常闭触头打开，而线圈ZJ3是油室温度探测部分的控制线圈，在正常情况下，当主接触器得电，时间继电器线圈得电，触头KT1瞬间吸合后断开，由于没故障的情况下，油室探测不接通，因此ZJ4不得电，对应的ZJ4常开触头一开始是断开的。同理各项保护都打开，因此正常没故障时，ZJ6是不得电。按SB2开关按钮， 中间继电器ZJ7得电，ZJ7常开触电自锁，同时，在软启动上对应的ZJ7触头闭合，软启动器内部24伏线路接通，在没故障的时候，ZJ8不得电，ZJ9得电，对应常开触头吸合，交流接触器KM线圈得电，全压启动。

水泵停止：按SB1按钮，常闭变常开，中间继电器ZJ7失电，对应触头分断，交流接触器1KM线圈失电，主触头断开，同时1KM自锁断开，电机停转。

（2）出现故障的情况

电机绕组过热保护，干室渗漏保护，轴过热，干运行保护出现故障，分别对应的是ZJ1，ZJ2，ZJ3，ZJ4中间继电器线圈得电，与此对应的ZJ1，ZJ2，ZJ4闭合。同理，当油室故障出现，中间继电器ZJ3线圈得电，对应的ZJ3由接通变闭合，中间继电器ZJ5线圈失电，ZJ5触头由接通变断开。交流接触器1KM线圈失电，主触头断开，电机停止运转。而软启动故障时，输出ZJ8得电，对应触头吸合，线路断开。

从原设计图可见，原设计是有预留PLC的扩充部分，所以，只要补充完PLC设计部分，并且针对现场设计接线部分就能实现自动控制。

5. PLC顺序功能图

图2为顺序功能图，采用三菱FX2N系列的PLC，流程如下：SO上电，XO转换达到，到S20，进行设备判断，如果四台设备均故障，进入S22步，当X27复位信号达到，回到S20，4台设备均正常（条件X25）中继电器常闭，进入S21步4号提升泵准备运行，进入判断，如果故障，对应4号ZJ6常开接点动作或者急停开关人为接通，进入S29步，30秒后，自动进入S27步，3号设备准备运行。如果X11，4号中继触点动作，进入S23步，30秒后进入24步，当浮球下限X1，以及浮球上限X2均到达水位，同时进入水泵控制S25步， 1号格栅S50与2号格栅S53控制程序。

水泵运行：当进入S25步，Y0 水泵运行信号接通，4号水泵运行，Y11运行信号灯，Y15累计线圈接通开始计时。而在Y0上升沿的脉冲，辅助线圈M8接通，对应触点接通，T16线圈与Y16时间复位线圈接通一秒，单累计计时器就复位清零后计时。

格栅运行： S50是警示灯程序，在水泵运行同时，格栅的警示灯开始闪亮一分钟，这样的目的是出于安全考虑，让现场人员有足够时间远离现场。而当程序条件满足，进入S51步的运行步，格栅运行5分钟后停止，也允许跳开格栅运行，只运行水泵。

水泵停止，在浮球下限X1满足，或者X30暂停按钮满足条件。进入S26步，水泵停止。如果在水泵运行出现故障，即转进S28步，然后人为按下X21急停开关后，接着按X27复位后才跳进S27步，这样的设计是为了当设备出现故障后，值班人员可以先发现故障才进行下一步的操作，提高设备的安全性。在S27步后进入3号设备的运行，依次运转。

6.改造后电耗对比

图3，22年1-5月能耗曲线与20、21年同期波动区间不大，在0.038～055立方/度区间震荡，能耗较21年同期升幅0.78%，与20年同期升幅0.12%.从2022年6月改造后，能耗曲线有了明显的下降，20-21曲线波动范围在0.043-0.067立方/度，而22年的波动范围降到了0.0348-0.0443立方/度，能耗较20年同期降幅为15.7%，21年同期降幅为27.1%。可见，在改造后，能耗有了明显的降幅。

结束语

通过对某市政泵站的自控改造实例验证，在生产中的自动化改造中，应针对实际的生产需求进行改造。特别在地处偏远，基础配置相对滞后的泵站，采取相对简单化的改造，既降低改造成本，满足生产需求，也能实现节能降耗的目的。

参考文献

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