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摘要：亳州供水工程加压泵站装配有四台卧式离心泵组，由于调蓄水库容量有限，泵站机组每次开机的时间较短，降低了泵站和人员使用效率。为提高泵站整体运行效率、合理化配置人员及降低泵站使用能耗，该泵站以调水量为目标值，利用控制器PLC自动控制技术和交互式人机界面，自动生成调水时间、调水费用及错峰选择泵组台数。管理人员可根据生成方案和泵站当前的实际情况做出最优方案选择，PLC会根据管理人员的方案选择，自动执行所选方案对应的控制流程。由此，泵站能在满足供水要求的前提下，降低泵站整体能耗，使人员配置更加合理。
关键词：PLC程序设计；自动控制；经济运行；人机交互
Application of Economical Operation Scheme of Pumping Station Based on PLC Automatic Control Song
Changsong
(Anhui Yinjiang Jihuai Group Co.,Ltd.,Hefei Anhui,230601)
Abstract:The booster pump station of Bozhou water supply project is equipped with four horizontal centrifugal pump units.Due to the limited capacity of the regulation and storage reservoir,the start-up time of the pump unit is short each time,which reduces the use efficiency of the pump station and personnel.In order to improve the overall operation efficiency of the pump station,rationalize the allocation of personnel and reduce the energy consumption of the pump station,the pump station takes the water transfer volume as the target value,and uses the controller PLC automatic control technology and interactive human-computer interface to automatically generate the water transfer time,water transfer cost and select the number of pump units during peak load shifting.The management personnel can make the optimal scheme selection according to the generated scheme and the current actual situation of the pump station,and the PLC will automatically execute the control process corresponding to the selected scheme according to the scheme selection of the management personnel.Therefore,on the premise of meeting the water supply requirements,the pump station can reduce the overall energy consumption of the pump station and make the staffing more reasonable.
Key words:PLC programming;automatic control;economical operation;human-computer interaction
一、引言
目前，水利行业自动化水平已得到显著提升，但是精细化管理水平仍有待提高。对此，可依托现有自动化设备，科学运用算法公式、优化PLC程序设计及人机交互界面开发，给泵站管理人员提供决策指导，以此提高泵站运行效率和人员配置的合理性，以满足泵站现代化、精细化管理需求[1-2]。
二、泵站经济运行算法
(一)用电费用计算规则
目前，国家电网对不同时段(除7、8、9月外)用电的收取费用如下表所示。
国家电网对峰、平、谷段的时间段划分如下。平段：8:00~9:00、12:00~17:00、22:00~23:00。峰段：9:00~12:00、17:00~22:00。
谷段：23:00~次日8:00。
(二)机组实际耗电量计算公式
U表示额定电压，I表示运行电流，cosϕ表示电机的功率因数，η表示电动机的效率，t表示运行时间，K表示机组运行台数。
(三)机组运行时长计算公式
t表示目标水量所需调水时间，Te表示目标调水量，Tf表示单台机组流量，K表示机组运行台数。
(四)机组24小时运行所需用电费用
根据以上可知，一天24小时中峰段为8小时，平段为7小时，谷段为9小时，整理所得：
其中R表示机组运行24小时所需费用，W表示机组运行24小时所需费用，P1表示峰段机组运行价格，P2表示平段机组运行价格，P3表示谷段机组运行价格，K1表示峰段机组运行台数，K2表示平段机组运行台数，K3表示谷段机组运行台数。
三、经济运行机组选择方案
根据不同时间段用电价格的差异性，有以下四种方案可供选择。
方案一，三台机组一直开启；
方案二，峰、平时段开两台机组，低谷时段开三台；
方案三，峰时段开一台，平、谷时段开三台；
方案四，峰时段开一台，平段开两台，谷段开三台。
方案一为正常开机方案，消耗电能最高。因此将方案一作为参考值，与其他方案的能耗及调水所需时长的差异性进行比较，选出每次调水的最优方案。
四、经济运行软件设计
设计以每次调水量为固定目标，调水时间可调的运行设计模式。本系统包括五大功能模块，即PLC程序框架模块、PLC程序计算模块、数据库模块、人机交互模块及软件工作流程。
1.PLC程序框架设计
第一，DI点处理子程序。该程序能对PLC系统中的模件DI点进行读取、取反、屏蔽、强制等处理。
第二，AI点处理子程序。该程序主要对PLC系统中的模件AI点进行读取、屏蔽、强制、有效性、工程值转换等处理。
第三，DO点处理子程序。该程序对PLC系统中的模件DO点进行输出、屏蔽、强制等处理。
第四，AO点处理子程序。该程序对PLC系统中的模件AO点进行计算、输出、屏蔽、强制等处理。
第五，上位机数据发送接收子程序。该程序将上位机需读取的数据进行实地映射，对收到的命令进行解析和处理。
第六，流程调用子程序。对命令列表进行周期判断，调用相应子程序。
第七，联动控制子程序。该程序对项目进行自动控制。
第八，单机控制子程序。该程序对项目所有可操作的部件进行单独操作。
第九，控制命令判断子程序。对接收到的或自动生成的控制命令进行有效性、权限、多流程等判断处理。
第十，控制命令解析处理子程序。该程序包括全流程命令的解析、有限流程步的解析和单控流程的解析。
第十一，保护功能子程序。当系统运行出现异常状况时，该程序具备自停机保护的功能。
第十二，时间获取子程序。该程序对PLC系统时间进行读取。
2.PLC程序计算模块
将不同方案的计算公式放在中进行模块化封装处理，当PLC接收到管理人员指令时，PLC会自动计算出本次调水的四种方案的时长及所需电费。PLC可以根据管理人员选择的方案对机组进行相应的流程控制。
3.数据库模块
数据库模块能提供存储系统运行过程中所需要的泵站参数、公共参数及优化结果。在该系统的运行过程中，数据库将与系统中的每个控件进行数据交互，并跟随操作人员的操作实时更新数据库中原有的数据。系统在优化计算时，数据库会为优化计算模块提供最新数据，保证优化计算的正确性和实时性。
4.人机交互模块
人机交互模块是用户和系统之间进行信息交互传递的桥梁，人机交互模块提供了多种多样的图形显示和对话形式，能直观显示系统输出的信息，便于用户在操作系统时输入信息。
5.软件工作流程
软件工作流程如图1所示：
五、算例
以亳州供水加压泵站当前供水方式为例，每次开机最大台数为3台，机组电压等级为10KV，单台机组流量约为2m3/s，机组运行时电流约为55A。本次调水量目标为240万立方米，不同方案计算结果如表2所示。
(一)方案二与方案一比较结果
就方案二与方案一比较来看，方案二机组需多运行约29小时，每次调水约节省电力成本5697元，泵站年开机约25次，年度节省约142418元。
(二)方案三与方案一的比较结果
结果显示，方案三机组需多运行约52小时，每次调水约节省电力成本13600元，泵站年开机次数约为25次，年度节省约340016元。
(三)方案四与方案一的比较结果
结果显示，方案四机组需多运行约32小时，每次调水约节省电力成本12204元，泵站年开机次数约为25次，年度节省约305105元。
(四)方案三与方案二的比较结果
结果显示，方案三机组需多运行约23小时，每次调水约节省电力成本7904元，泵站年开机次数约为25次，年度节省约197600元。
(五)方案四与方案二的比较结果
结果显示，方案四机组需多运行约3小时，每次调水约节省电力成本6508元，泵站年开机次数约为25次，年度节省约162700元。
(六)方案三与方案四的比较结果
结果显示，方案四机组需多运行约23小时，每次调水约节省电力成本1396元，泵站年开机次数约为25次，年度节省约34900元。
六、总结
依托科学理论分析和完善的PLC程序设计与友好的人机交互界面，管理人员可在满足泵站调水目标要求的前提下，利用计算机软件针对泵站实际情况做出更好的方案选择，使泵站实现经济合理运行。如此，不仅能充分发挥泵站设施的作用，还能优化人员配置，达到降低能耗的效果，产生良好的经济效益和社会效益。
【参考文献】
[1]张海平.PLC的结构化编程[J].电世界，2021(08).
[2]谢卿，奚培荣.供水泵站经济运行分析与改造[J].中国高新技术企业，2014(17).
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