泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉衛(wèi)東

摘要 為更好地發(fā)揮水利泵站的綜合利用效益，提高調(diào)度管理決策水平，建設(shè)泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代泵站建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)，本文結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，以抽黃提灌泵站為研究對(duì)象，完成泵站的自動(dòng)化方案的研究與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 泵站；自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）16-0162-02

Abstract In order to better play the comprehensive utilization benefit of water pumping station，improve the level of scheduling and management decision making，the construction of automatic monitoring system of pumping station is an important task of the modern construction of pumping stations.This paper combined the author′s work experience，with the Yellow pulling irrigation pumping station as the research object，finished the research and design of the automation project of pumping station.

Key words pumping station；automatic monitoring and control system；design

21世紀(jì)，“水危機(jī)”是人類面臨的重要問題之一。高效利用水資源、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決水危機(jī)的一個(gè)重要途徑。泵站自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)泵站整體運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常立即報(bào)警或采取相應(yīng)的措施，減少事故的發(fā)生；根據(jù)水泵的流量、抽水量等歷史參數(shù)，合理選擇機(jī)組，分配灌溉時(shí)間，提高灌溉的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)水節(jié)能的目的；實(shí)施自動(dòng)化后，減少值班人員工作強(qiáng)度，改善工作環(huán)境；記錄泵站所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，供值班人員參考，提高管理水平。

1 國內(nèi)泵站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國泵站在規(guī)模和數(shù)量上已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是自動(dòng)化起步較晚，大多數(shù)泵站已服務(wù)近半個(gè)世紀(jì)，在發(fā)揮巨大作用的同時(shí)，由于工程質(zhì)量、管理水平等方面所限，一定程度上落后于國外水平，具體表現(xiàn)在以下幾方面：一是設(shè)備技術(shù)落后，無法滿足自動(dòng)化系統(tǒng)要求；二是維護(hù)工作量大；三是達(dá)不到實(shí)時(shí)控制要求；四是耗費(fèi)人力，效率低、成本高[1-4]。

2 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向

20世紀(jì)90年代的監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)為封閉式，系統(tǒng)升級(jí)、維護(hù)困難，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)向分層分步、開放式方向發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊規(guī)約、系統(tǒng)性能方面進(jìn)一步發(fā)展。目前，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)已完全可以取代常規(guī)控制模式，為大中型泵站實(shí)現(xiàn)無人值守、少人值班、優(yōu)化調(diào)度、智能配水提供了可能。

3 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

3.1.1 開放、合理性、實(shí)用性。設(shè)計(jì)采用全分布開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和TCP/IP通訊協(xié)議、支持NetBEUI傳輸協(xié)議以及SNMP管理協(xié)議[5-10]；支持HOST LINK、Modbus、Profibus等現(xiàn)場總線規(guī)約。具有符合國際通用的、開放的數(shù)據(jù)接口： OPC、DDE，以及ODBC等，可以和其他系統(tǒng)方便、安全地互聯(lián)、互訪。

3.1.2 可靠性、適用性、可擴(kuò)展性。①模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則：采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則，并且通過有效的監(jiān)測、隔離、安全保護(hù)措施，確保系統(tǒng)安全可靠；②實(shí)時(shí)性原則。采用實(shí)時(shí)多任務(wù)多線程技術(shù)，保證響應(yīng)的速度；③兼容性原則。系統(tǒng)采用國際、國家標(biāo)準(zhǔn)，能很好地與各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議互聯(lián)；④分布性原則。采用分布式網(wǎng)絡(luò)、分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。⑤一致性原則。確保各個(gè)分布式子系統(tǒng)獲取的同一個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)值是一致的；⑥可擴(kuò)展性原則。滿足實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)不斷擴(kuò)充的要求，適應(yīng)泵站發(fā)展的需要[11-17]。

3.2 泵站控制層次設(shè)計(jì)

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別是遠(yuǎn)程監(jiān)控層、泵站控制層和現(xiàn)地控制層。

鑒于泵站控制保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性、安全性的高需求以及成本效益方面的考慮，控制流程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其多樣性和復(fù)雜性。同時(shí)因控制流程中存在通用部分，整個(gè)控制流程采用模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)[17-29]。

3.3 泵站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。系統(tǒng)使用1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位監(jiān)控系統(tǒng)使用，1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為工程師站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)，現(xiàn)地控制采用PLC進(jìn)行I/O點(diǎn)的采集控制；其他的輔助系統(tǒng)通過協(xié)議通訊方式完成其與現(xiàn)地控制層的全部數(shù)據(jù)的傳輸和各種訪問請(qǐng)求[1-8]。系統(tǒng)協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OSI模型[1-5]，符合國際標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)成熟可靠。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

3.3.2 現(xiàn)地控制層?，F(xiàn)地控制層可直接采集和預(yù)處理生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視、調(diào)整和控制本單元設(shè)備狀態(tài)等功能，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制及監(jiān)視泵站組、電氣一次設(shè)備及公用設(shè)備等。當(dāng)泵站控制層因故退出運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)地控制層可不受影響，能夠獨(dú)立運(yùn)行[2-4]。各現(xiàn)地控制層與泵站控制層連接交換信息通過光纖以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，使現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)共享得以實(shí)現(xiàn)[1]。

一些設(shè)備（例如微機(jī)直流電源、微機(jī)保護(hù)裝置、智能儀表等）通過智能通信裝置與以太網(wǎng)連接，進(jìn)而監(jiān)視和控制相應(yīng)參數(shù)。通過現(xiàn)地控制單元的I/O模塊，部分沒有通訊接口的設(shè)備可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和狀態(tài)檢測[1-4]。

現(xiàn)地控制主要分為信號(hào)采集和集中控制兩大部分。①信號(hào)采集及處理。第一，開關(guān)量采集及處理?，F(xiàn)地控制層LCU按周期掃描全部開入量，進(jìn)行狀態(tài)檢查，更新數(shù)據(jù)庫，在開關(guān)量發(fā)生變位時(shí)，產(chǎn)生事件記錄[1-6]，并根據(jù)控制流程進(jìn)行動(dòng)作處理或接點(diǎn)復(fù)歸處理?，F(xiàn)地控制層LCU中保存了所有事件記錄、流程的執(zhí)行情況，這些記錄和情況還被全部送集中監(jiān)控層[1]。第二，模擬量采集與處理。相應(yīng)機(jī)組的微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)的測量模塊或多功能電表及相關(guān)測量變送器完成電氣模擬量的采集。機(jī)組的采集參數(shù)包括非電量參數(shù)（例如流量、壓力、水位等）和電量參數(shù)（例如電流、無功、電壓[1-5]、勵(lì)磁電流電壓[1]、有功、功率因素[1-3]、頻率等）。采用溫度巡檢儀采集溫度量，將軸承和水泵軸承、電機(jī)定子[1]、室內(nèi)外等處溫度作為采集對(duì)象。根據(jù)運(yùn)行需要，可設(shè)置以上模擬量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）報(bào)警值，系統(tǒng)提供越復(fù)限報(bào)警及處理功能。②控制與操作。泵站現(xiàn)地系統(tǒng)中最重要的一個(gè)子系統(tǒng)是控制系統(tǒng)，現(xiàn)地系統(tǒng)可以接受上位機(jī)或現(xiàn)地輸入命令，執(zhí)行相應(yīng)操作。通過PLC輸出繼電器控制現(xiàn)場設(shè)備，分別作用于現(xiàn)地設(shè)備輸入點(diǎn)，例如各種管路的電磁閥、線路和電動(dòng)機(jī)的斷路器等。③通信功能。現(xiàn)地系統(tǒng)與集中監(jiān)控層的通信通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，通信的主要內(nèi)容有：將現(xiàn)地系統(tǒng)采集到的各種信息、正在執(zhí)行的控制操作、內(nèi)部自診斷結(jié)果即時(shí)送上主機(jī)[1-3]。接受主機(jī)的控制命令等[9-15]?，F(xiàn)地系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和儀表的通訊通過Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)，如現(xiàn)地系統(tǒng)與微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、智能儀表的通信等。④診斷功能?，F(xiàn)地系統(tǒng)具有對(duì)本身的硬件及各控制單元進(jìn)行全面的保護(hù)性自我檢驗(yàn)功能，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果采取相應(yīng)的保護(hù)性措施，防止不良結(jié)果出現(xiàn)[1]。同時(shí)向主機(jī)報(bào)告診斷的結(jié)果，根據(jù)自診斷記錄[1-6]，值班維護(hù)人員可以了解現(xiàn)地裝置工作是否良好，指導(dǎo)處理異常情況。

3.3.3 上位監(jiān)控層。泵站控制層分為集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控2個(gè)部分，集中監(jiān)控在中控室內(nèi)，作為泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)的功能包括整個(gè)泵站主要運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集及處理、安全運(yùn)行監(jiān)視[1-3]、數(shù)據(jù)通信、泵站運(yùn)行維護(hù)管理、系統(tǒng)診斷等。

遠(yuǎn)程監(jiān)控通過以太網(wǎng)，將中控室內(nèi)所有數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程端，管理人員可通過授權(quán)對(duì)泵站進(jìn)行監(jiān)視或控制。正常情況下，在中控室的操作員工作站上進(jìn)行泵站設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視和控制。由值班人員控制和監(jiān)視泵站的主要設(shè)備（例如泵組、線路、主變壓器、閥門、站用電等），可由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按運(yùn)行值班人員設(shè)定的參數(shù)（例如流量、水位等）自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)操作（例如開機(jī)、停機(jī)、閘門調(diào)節(jié)等）。各現(xiàn)地控制層LCU通過人機(jī)聯(lián)系中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)視和控制。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的現(xiàn)地、遠(yuǎn)方切換和現(xiàn)地手動(dòng)控制，各系統(tǒng)的現(xiàn)地控制柜上設(shè)有控制開關(guān)以及操作按鈕[1]。系統(tǒng)功能如圖2所示。

3.3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過視頻來觀察進(jìn)、出水池水位、閘門位置、主機(jī)房以及變電站等處設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過前端高清球形攝像機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)的采集，然后通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將圖象數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脖P錄像機(jī)和遠(yuǎn)程客戶端，硬盤錄像機(jī)將實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行顯示，同時(shí)根據(jù)設(shè)置進(jìn)行錄像，操作人員也可以通過硬盤錄像機(jī)和遠(yuǎn)程客戶端調(diào)整鏡頭，按照需要進(jìn)行不同方位的監(jiān)視。視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

監(jiān)視功能、錄像功能、回放功能、報(bào)警功能、管理功能構(gòu)成一個(gè)高度安全、性能集中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測泵站機(jī)組設(shè)施的安全運(yùn)行狀態(tài)及潛在和突發(fā)的安全隱患，若發(fā)生事故，攝像機(jī)記錄的圖像能提供有力的現(xiàn)場證據(jù)，便于事后分析原因。

3.3.5 軟件系統(tǒng)。①操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)采用Microsoft中文Window7操作系統(tǒng)。Window7中文版操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、功能強(qiáng)大、多用途的特點(diǎn)[1-5]。②數(shù)據(jù)庫。對(duì)于數(shù)據(jù)庫管理和兼容[1-4]，采用SQLSERVER數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。③監(jiān)控軟件。系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用WlndowsControIConter（視窗控制中心）（簡稱工業(yè)組態(tài)軟件軟件wincc）。它集成了先進(jìn)技術(shù)（例如SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等），為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows7或XP）環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WINCC是完全開放的系統(tǒng)，支持DDE、OLE、ACTIVE X、ODBC、TCP/IP、OPC等各種軟件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，作為共享的基礎(chǔ)，并提供一組進(jìn)行二次開發(fā)的工具和手段。充分采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的全面集成和共享[1-4]。系統(tǒng)監(jiān)控軟件除了提供包括實(shí)時(shí)/歷史趨勢、報(bào)警、畫面編輯、報(bào)表、關(guān)系數(shù)據(jù)庫直接組態(tài)登錄的基本功能以外[1-4]，還有多種可選項(xiàng)（例如SPC，服務(wù)器冗余，RECIPE，WEB GATEWAY，TRACK，PAGER，多種PLC/DCS通訊驅(qū)動(dòng)程序，歷史數(shù)據(jù)分析等）。

4 結(jié)語

通過泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的目的。操作人員只需通過上位機(jī)和視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，就可以實(shí)時(shí)掌握泵站運(yùn)行情況，改善了操作人員的工作條件。通過對(duì)設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)的分析，可優(yōu)化泵站設(shè)備的運(yùn)行和管理，提高運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本；通過對(duì)泵站運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大程度地預(yù)防和避免事故的發(fā)生，保證泵站運(yùn)行的可靠性和安全性。

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