谢禹晨 姚伟
华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司藏木水电厂，西藏自治区山南市加查县 856400
摘要：以某电站集水井排水控制系统为前提，着重分析其水泵自动轮换控制策略。针对当前水泵自动控制策略存在的不足，提出一种基于动态调整轮换优先级的策略优化思路。该策略在功能性、易用性、可移植性等方面具有优势，对类似项目具有一定的借鉴意义。
关键词：水泵自动轮换、排水系统、优先级、控制策略优化
0 引言
排水系统是水电厂辅助设备中最基本的系统之一，水泵控制系统是指挥水泵运行的大脑[1]。在工程应用中，经常会遇到两台或两台以上的水泵在一个排水系统中使用的情况。为了让每台水泵合理有序地完成启停工作，避免出现主用泵频繁启动，备用泵长期空置的情况，一般采用各泵轮流启动、互为备用的工作方式。两台水泵轮流启动、互为备用的功能较容易实现；多台水泵多种启停方式下实现水泵轮流启动、互为备用的功能则较为复杂[2]。
1 某电站集水井排水系统的组成
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图1 集水井排水系统
某电站集水井共设有五台排水泵。两台小泵功率为15kW，流量为100m3/h；三台大泵功率为75kW，流量为750 m3/h。排水控制系统由计算机监控系统上位机、可编程逻辑控制器及现场仪表等构成。该系统选用安德里茨TM 1703 ACP系列PLC作为数据采集、通信和控制单元。监控系统上位机用于数据显示和远控。集水井内设有一套浮球式液位开关和一只投入式液位传感器，以控制水泵启停。
2 现有控制程序逻辑介绍
集水井设有一只投入式液位传感器和7只浮球式液位开关。由于液位传感器测量精度高、稳定性好，且能实时测量集水井内水位，故选择液位传感器信号用于水泵控制，浮球式液位开关信号作为后备。
集水井排水系统的两台小泵轮流启动，互为主备。小泵的自动启、停以集水井水位控制，水位2.15m启动主用小排水泵，水位1.7m停泵。三台大泵轮流作为主用泵、第一备用泵和第二备用泵。大泵的自动启、停以集水井水位控制，水位2.85m启动主用泵，水位3.85m启动第一备用泵，水位4.85m启动第二备用泵，水位1.7m停泵。集水井的两台小泵采用按次数进行主、备用轮换的方式。集水井的三台大泵采用按累计运行时间确定自动轮换优先级，通过自动轮换优先级实现水泵的主、备用自动轮换。累计运行时间越少的水泵，轮换优先级越高。
此外，根据水泵运行的要求设置了水泵闭锁、故障、启动失败、启动超时、运行超时等判断逻辑，用以保障水泵的安全运行。
3 存在的不足与策略优化思路
3.1 检修后水泵存在长时间作为主用泵的问题
3.1.1 问题分析
采用按累计运行时间进行自动轮换的排水控制系统中检修后水泵在一定时期内一直作为主用泵，频繁启动运行可能导致水泵的疲劳受损[4],其余水泵由于长时间不运行可能出现受潮等问题。故需对PLC程序内的计时器进行清零操作。
3.1.2 策略优化思路
（1）水泵检修后自动清零运行时间
增加水泵检修判断程序段，当某台水泵的闭锁信号超过某一时限时，即判断该水泵因检修或故障停运。当该水泵闭锁信号消失，判断水泵检修结束恢复自动方式运行，此时将各水泵的累计运行时间清零。由于各水泵的运行时间统计由监控系统上位机中完成，累计运行时间清零不会对统计信息造成影响。
（2）优化自动轮换逻辑策略和算法
改变水泵累计运行时间与水泵轮换优先级之间的强关联，通过动态调整轮换优先级尽量避免水泵的连续启动。根据水泵累计运行时间得到累计运行时间数列。建立动态调整数列，其初始状态与累计运行时间数列一致。当某台水泵闭锁时，将动态调整数列中其对应的数值置为一个极大值。当某台水泵启动后，将动态调整数列中其对应的数值置加上一个较大值。建立自动轮转优先级数列，根据动态调整数列中数值的排序结果，确定各水泵的自动轮换优先级。当水泵全部停止运行后进行一次数列更新，刷新优先级。
针对水泵运行后动态调整数列中对应数值的复位，可根据实际运行需要采取定时复位或启泵条件复位。启泵条件复位即采用启泵水位信号作为复位信号。水泵运行一次后，各水泵的自动轮换优先级发生变化，当集水井水位再次达到启泵水位时，将该水泵在动态调整数列中对应的数值恢复为其运行累计时间。避免了检修后水泵连续作为主用泵运行的情况。
3.2 三台大泵存在长期空置的问题
3.2.1 问题分析
集水井排水控制系统中，大泵的启动水位远高于小泵，正常情况下集水井水位不能达到启主用大排水泵的水位，每月需手动运行大排水泵。
3.2.2 策略优化思路
（1）采用五泵轮换方式
两台小泵和三台大泵根据累计运行时间自动轮换运行，避免水泵长期空置。鉴于大泵与小泵额定流量差异较大，可在水泵高效区内分别设置启、停泵水位，尽量使各泵的累计运行时间均衡。
（2）大、小泵分组轮换运行
两台小泵划分为小泵组，三台大泵划分为大泵组，两组泵之间交替轮换运行。即小泵组主用时，大泵组作为备用；大泵组主用时，小泵组作为备用。组内各泵可根据需要设置主、辅、备泵启动顺序和自动轮换功能。根据主用泵组的不同，可在程序中设置两套启停、泵水位定值。泵组间的轮换可选择按次数轮换、按运行时间轮换、定时轮换等。从均衡各水泵累计运行时间角度出发，建议采用五泵轮换的方式。
3.3 基于水位信号处理的策略优化
3.3.1 问题提出
集水井的水位信号实时上送至计算机监控系统，以便于、监视集水井水位和查询水位的历史曲线。通过历史曲线可以定性分析集水井来水情况和水泵排水效率，但不太直观且未充分利用集水井来水量和水泵排水量关系曲线，用以降低水泵启停频繁度。
3.3.2 策略优化思路
（1）集水井来水量计算
集水井截面为长方形，底面为正方形。因此集水井内蓄水量与水位成正比例关系，通过水位变化速率可以计算出集水井的来水量。
程序中采用水泵全停信号作为来水量计算程序的使能信号。为避免管路回水的对计算结果的影响，应设置来水量计算程序启动延时。来水量计算程序启动后周期性地读取和存储集水井水位值，通过连续两次读取的水位值计算出水位变化速率和来水量。计算出的集水井来水量除直接上送计算机监控系统外，还可进行二次处理，实现来水量过大报警和来水量增速过快报警等功能。水泵运行期间，集水井来水量可根据水泵流量和集水井水位变化量计算。
（2）水泵动态调整启停
根据集水井来水量可动态调整启动水泵数量，可减少水泵启停次数，避免水泵连续运行时间过长。
（3）水泵流量计算
水泵启动后，假设集水井来水量不再发生变化，可根据水位变化速率计算出水泵的流量。若水泵流量过低（如低于额定流量的70%），则发出报警提醒运维人员进行检查和处理。
4 结语
多台水泵基于累计运行时间的自动轮换一直是工程项目中的重点与难点[6]。本文主要针对某电站集水井排水控制系统水泵自动轮换控制策略存在的问题进行分析并提出策略优化的思路，提出基于动态调整轮换优先级的策略在功能性、易用性、可移植性等方面具有优势。优化后的控制策略可应用于类似的系统中，达到提高设备可靠性、延长使用寿命和降低维护成本的目的。
参考文献：
[1]孙汪萍, 王春玲. 厂房渗漏排水控制系统中排水泵的轮询控制[J]. 石化技术, 2016, 23(007):264-265.
[2]刘宁芳. 多电机轮换启动的控制要求及PLC编程思路分析[J]. 电子世界, 2017, 000(007):167.
[3]郭维礼, 孙贵珠. 基于PLC的电站排水控制系统中电机轮换的实现[J]. 机械工程与自动化, 2013(6):138-139.
[4]韦仁能, 姚涛, 张广明. 自循环启动在水电站排水泵控制系统中的实现[J]. 电工技术, 2016, 000(002):4-5,11.
[5]吕岩. 程序设计中排序的实现方法[J]. 辽宁师专学报(自然科学版), 2002, 4(003):26-29.
[6]陈可卿, 田伟. 多台水泵均衡调度的优化控制策略研究与应用——以祁阳县黎家坪污水处理厂项目提升泵站为例[J]. 自动化应用, 2020, 000(001):16-19.