南海路泵站水位控制系统

1、题目：南海路地道排水泵站水位控制设计学生姓名：许皓贺学 号：143201131专 业：控制工程学 院：自动化学院3南海路地道排水泵站水位控制设计摘 要本文是针对泵站通过水泵控制水位来进行的分析和设计，而对水位的控制是对于低地道排水和整个开发区排水系统稳定工作的前提。所以本设计采用自动和手动两套控制系统，这样保证了排水工作在任何情况下都可以正常进行。手动控制作为自动控制失效的情况下的补充。自动控制，根据水位检测，水泵顺序启动，水泵保护等方面来设计。 在本设计中，主对象为泵站前池水位，副对象为水泵保护系统。通过水泵的开关时间来控制前池水位。关键词：水位控制，泵站水泵运行。目 录引 言3第一章 生产

2、工艺概述21.1泵站工艺介绍21.2水泵的介绍31.3液位计41.3 控制器5第二章 水位控制原理简介62.1水位控制系统62.2水泵保护系统72.3泵站监控与周界报警系统72.4信号传输72.5供电系统7第三章 泵站水位控制系统的设计93.1系统控制参数的确定93.1.1主变量的选择93.1.2保护信号优先原则93.1.3参数设定注意事项103.2执行器-水泵的选择103.3液位计的选择113.4控制器的选择11结束语13参考文献1414引 言城市建设高架桥和地道是为了疏通交通和增强道路的通过能力。但雨季的时候，雨水会汇集在地下通道，城市居民和设计者并不想像北京一样看海。所以地道排水系统的稳

3、定运行，不仅保证了道路的通过能力，也关系到市民的安全。水位控制并不是直接控制地道的水位，排水设施要做到雨停水净，收水井收完水后，通过收水管道汇集到泵站，泵站进水前池液位升高。本次课程设计的主要考虑部分是锅泵站前池水位控制系统的设计。水位控制系统除了主要的水位调节，还附有水泵故障保护系统和液位报警系统，直流电源系统。另外还有独立的泵站周界报警系统，监控系统。水位报警系统主要是维持水位在设计最高水位与最低水位之间，水泵故障保护系统则是在水泵出现故障时，及时保护水泵，保护整个泵站供电系统；液位报警系统是在液位在超过最高最低水位时对调度人员的一种提示。直流电源系统是在泵站突然断电时，维持一段时间运行的

4、保障。周界报警系统和监控系统用来防盗和对泵站进出情况的一种记录。第一章 生产工艺概述1.1泵站工艺介绍水泵是泵站收水排水主要的动力设备。南海路地道泵站主要是用来收集南海路地道的雨水以及把雨水排到整个开发区雨水系统，来保证地道能够雨后无存水。图1.1 南海路工艺流程图南海路地道泵站位于开发区南海路地道东南角，用来收集地道雨水和地道周围的雨水。因为现在城市排水设计采用雨污分流制，南海路泵站就是一个雨水泵站。雨水通过周围的收水井汇入收水管道，最终汇集到南海路地道雨水进水管，再流到泵站前池。进水闸门在非维修状态下，常年打开，雨水由于收水管道的压力和泵站泵池底地势低洼，流向泵池流过进水闸门，再到格栅机。

5、格栅机是阻挡体积较大的垃圾、污物、小动物的；设计参考泵的异物通过能力。雨水流过格栅机，泵池中的水位逐渐升高。“大沽高程”是以1902年在塘沽设立验潮水尺的零点作为基点，由该基点所定义的基面称为“大沽高程基准”，在此基准上建立的高程系统称为“大沽高程系”。华北、西北等地所测地形图曾多使用此高程系统，目前主要在天津地区使用。根据大沽标高，设计者会设计出泵站的最高水位与最低水位。超过最高水位会影响收水效率，泵站排水复核，出水管道流量和下一个泵站的承受能力。低于最低水位则不能启动潜水泵，或者影响水泵排水。当水位处于最高水位与最低水位之间时，根据天气情况，泵站排水规定以及调度中心指挥启动水泵进行排水作业

6、，在无人值守的泵站则根据设定好的启动水泵值进行开泵排水。水会被水泵排到泵站的压力井池。雨水会在压力井池形成压力流出出水闸门，进入出水管道。除检修外，出水闸门常年开启。压力井池上设有压力井盖，除检修外常年关闭。压力井池设有极小的排气管道，避免最大排水量工作时，对管道造成影响。1.2水泵的介绍水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等

7、类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。南海路泵站采用的是潜水式离心泵。水泵主要参数除了最基本跟的额定电压，额定电流外；还有流量，扬程，转速，汽蚀余量，功率和效率。还有水泵对应的用途。机械密封，安装方法，防腐措施也是评价一个水泵的优劣重要条件。水泵转子在高转速下工作时，若其质量不均衡，转动时就会产生一个较大的离心力，造成水泵振动或损坏。转子的平衡是通过其上的各个部件(包括轴、叶轮、轴套、平衡盘等)的质量平衡来达到的，因此对新换装的叶轮都应进行静平衡校验工作。1.3液位计在容器中液体介质的高低叫做液位，测量液位

8、的仪表叫液位计。液位计为物位仪表的一种。液位计的类型有音叉振动式、磁浮式、压力式、超声波、声呐波，磁翻板、雷达等。南海路泵站主要采用的是超声波液位计。超声波液位计的工作原理是通过一个可以发射能量波（一般为脉冲信号）的装置发射能量波，能量波遇到障碍物反射，由一个接收装置接收反射信号。根据测量能量波运动过程的时间差来确定液(物)位变化情况。由电子装置对微波信号进行处理，最终转化成与液位相关的电信号。一次探头向被测介质表面发射超声波脉冲信号，超声波在传输过程中遇到被测介质（障碍物）后反射，反射回来的超声波信号通过电子模块检测，通过专用软件加以处理，分析发射超声波和回波的时间差，结合超声波的传播速度，

9、可以精确计算出超声波传播的路程，进而可以反映出液位的情况液位计在泵站设计中设置在前池，格栅机前后，用来检测水位以及实时反映水位情况。图1.2 南海路水位趋势图1.3 控制器南海路泵站采用由10KV变电站输出400V电压对水泵及其它设备进行供电和泵站照明用电。对供电系统的保护以及对水泵的控制都是由泵站内所设PLC采集信号和报警的。虽然10KV,400V开关柜有自带的保护功能。面对断电应急时，泵站还设有直流屏系统。水位控制系统控制器选用西门子系列PLC，采集水位，水泵工作，电力系统等信号，对水位的反馈进行操作，通过软启动柜对水泵进行操作，保护水泵，启动柜及开关柜等，并把信号上传到调度中心，统一调度

10、。水泵启动停止控制主要考虑参数有，升压时间，降压时间（软停），初始电压，结束电压，级落电压，限流倍数，冲击启动，升压时间范围，降压时间范围，顺序启动，力矩控制等。在控制系统里充当控制器的角色。第二章 水位控制原理简介城市排水系统的泵站都设计为人工与自动两种控制，这样做的目的有两个，一是为了减少人工成本，解放劳动力，二是为了人工稳定控制，预防突发情况。在自动控制中，主要由液位计采集液位信号，上传到控制系统，根据事先设点好的数值，选择开启或关闭水泵。此外，水泵的保护系统，供电系统，监控与警报系统也是泵站主要的系统。2.1水位控制系统水位控制系统采用简单的闭环控制。图2.1 闭环制系统原理图水位控制

11、系统通过液位计采集前池的水位数值，根据上位机计算，输出指令，对水泵进行控制。液位计在这里充当一个反馈的环节，水位作为被控对象。液位计设置在前池，格栅机前后。及时反映水位情况，把信号传给上位机控制系统。当水位达到启动水泵设定值（此设定值小于最高水位数值）时开启水泵，当水位降低到停止水泵设定值（此设定值大于最低水位数值）时关闭水泵。当开启水泵，液位仍在增高时，则再开启第二台水泵。水泵开启需要间隔5分钟，因为压力井池会增大压力，出水管道流量问题也需要考虑。同一台水泵也不可以频繁的启动。列如，上午9点启动了1#水泵，10点停止。下午2点再次需要开启水泵的时候，需要开启除1#水泵外的其它水泵。2.2水泵

12、保护系统水泵在系统里作为执行器，是控制器通过对执行器的操作来实现对被控对象的控制。水泵由于其特殊工作环境需要注意对其保护，避免水泵损坏，或者影响供电系统。保护功能主要包括电机过载保护，转子堵转保护，电机欠载保护，大电流保护，三相失衡保护，逆相保护，SCR过载保护，PTC输入电机温度保护。报警功能包括大电流报警，电机欠载报警，电机过载报警，SCR过载报警。故障监测功能包括，缺相故障处理，总线通讯故障，频率故障，内部过热故障，SCR短路故障，旁路接触器不分断故障，旁路接触器不吸合故障，接线故障，SCR不导通故障，电源端故障，冲击电流故障，软启动器故障。在发生故障，泄漏，过载等情况优先停止水泵并报警

13、。再故障未解除的情况下，无法再次启动该水泵。2.3泵站监控与周界报警系统泵站监控系统主要有，地道监控，泵站周边环境监控和泵站内部环境监控。地道监控系统主要来自于交管部门的监控信号，看路面是否积水过高，是否存在收收水不畅的现象。泵站周边环境监控主要是出入口，方便工作人员及调度人员观察泵站周边情况。泵站内部环境监控主要有围墙内侧和设备间等情况。主要是观察设备是否有冒烟起火的意外，还有就是外人闯入。此外还与管委会，交管部门有视频信号共享，方便大家的工作与合作。2.4信号传输水泵，电气设备运行型号，视频监控信号，故障报警信号，这些信号除了要泵站监控本泵站信号之外，还需要上传到调度中心，方便调度中心统一

14、指挥调度。调度中心设置在泰达防汛指挥中心。由于各泵站距离较远，所以采用了无线传输方式。2.5供电系统供电系统除了要考虑泵占主要设备运行供电，还要考虑泵站生活用电情况。泵站供电系统有国家相关设计规定，在这里不做赘述。图2.2 调度中心监控管理系统截图第三章 泵站水位控制系统的设计3.1系统控制参数的确定3.1.1主变量的选择在这个控制系统里，主变量为前池的液位高度。并且参照该泵站的最高水位，最低水位设置计算方法，来进行信号的输出。超过最高水位时要报警，低于最低水位时要报警。在水位之间时可以启动水泵。设定启动水泵的水位值，达到该值启动水泵。设定停止水泵的水位值，开泵状态达到该值时停止水泵。当开启一

15、台水泵时，水位增加过快，则开启第二台水泵。并且针对泵站所有水泵，采取间隔开泵与顺序开泵的设置。3.1.2保护信号优先原则当水泵，启动柜，开关柜等发生故障时，自动断电和停止水泵，并且在故障解除之前禁止给水泵供电以及启动水泵。此时，控制系统依然检测水位变化，并故障报警。图3.1 调度中心监管系统截图当水泵对应的出水闸门开启，出水管路上的闸阀门开启时，方可启动水泵，否者无法启动水泵。并且实时采集水泵信号，监测水泵状态。对开关柜与启动柜的运行状态和故障状态进行监测。诸多信号一并上传调度中心。图3.1 泵站联锁示意图原理图3.1.3参数设定注意事项下雨时，雨水慢慢的通过收水井汇集在收水管道。通过管道倾斜

16、以及压力设计汇集到泵站泵池，急雨将会使水位快速增加，慢雨水位将会缓慢增加，经常会有慢雨开泵，当水位降低时停止水泵，过了一段时间，水位再次升高的现象。所以要根据图1.2 南海路水位趋势图这样的泵站水位趋势图定量。根据水位升高的快慢，合理设定开泵数量。同事也根据水位降低的趋势，采用逐渐减少启动水泵数量的方式。3.2执行器-水泵的选择在本系统中，水泵是系统的执行机构，是根据控制器输出的指令信号来对水位高低进行控制的装置。与水泵配套的有水泵启动柜。1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。2、必须满足介质特性的要求。对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求

17、轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵。城市排水泵站主要是雨水和污水，都要注意防腐蚀防泄漏的工艺。对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如AFB不锈钢耐腐蚀泵，CQF工程塑料磁力驱动泵。 对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封用采用清洁液体冲洗。 3、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。 4、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。 5、离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。3.3液位计的选择选择液位计时应考虑以下因素：1、测量对象，如被测介质的物理和化

18、学性质，以及工作压力和温度、安装条件、液位变化的速度等； 2、测量和控制要求，如测量范围、测量(或控制)精确度、显示方式、现场指示、远距离指示、与计算机的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。3.4控制器的选择选择液位计时应考虑以下因素：1、空气开关一个总的空气开关，这个是整个柜体的电源控制。相信每个柜子都必须要有的一个东西。2、PLC这个要根据工程需要选择。打个比方如果工程小可以直接就是一个一体化的PLC 但如果工程比较大 可能就需要模块、卡件式的，同时还可能需要冗余（也就是两套交替使用）。3、电源一个24VDC的开关电源，大多数的PLC都是自带24VDC的电源，根据是否确实需要来定是否要这个

19、开关电源。一般由供电系统开关柜4、继电器一般PLC是可以直接将指令发到控制回路里，但也可能先由继电器中转。打个比方，如果你PLC的输出口带电是24VDC的，但是你的控制回路里画的图 需要PLC供的节点却是220VAC的，那么你就必须在PLC输出口加上一个继电器，即指令发出时 继电器动作，但后让控制回路的节点接到继电器的常开或常闭点上。也是根据情况选择是否使用继电器。5、接线端子这个肯定是每个柜子都必不可少的东西 根据信号数量可以配置。如果只是一个单纯的PLC控制柜 基本就是需要这些玩意，如果你的控制柜内还需要有其他的东西 就看情况增加。比方说你有可能要对某些现场的仪表或者小控制箱供电，可能你就

20、得要增加空开数量。或者你要PLC接至上位机，可能就需要增加交换机什么的。视情况而定。差很大，也可以考虑采用PI调节器。结束语通过这次设计，更加深入的了解了城市泵站排水系统的专业综合性。除了自控系统和供电系统方面的知识需要进一步学习和掌握之外。还要学习简单的土建与机械设备的知识。泵站日常运行管理与应急反应机制。从全方面的了解了自己对本工作掌握的不足。在以后的日子里勤加学习，争取做一个通百艺而专其一的技术人员。参考文献1 胡寿松，自动控制原理 M.北京: 科学出版社 ，2001：40-802 中华人民共和国能源部，进网作业. 辽宁科学技术出版社，1992，(7)：43-593 檀晶洁，城市排水泵站水泵选型节能技术实践. 市政设施管理, 2002(4):12-12 4 吴勤勤，张雪申等.控制仪表与装置M.北京:化学工业