無人值守智能泵站系統(tǒng)設(shè)計探討

田 彪

（重慶中法供水有限公司，重慶 401120）

0 引言

近年來隨著用戶對供水安全的要求越來越高，使得自來水公司對遠(yuǎn)程供水泵站自動控制、科學(xué)調(diào)配的要求越來越強(qiáng)。本文著重介紹了自來水公司無人值守智能泵站建設(shè)過程中自控系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時對安防、通風(fēng)、配電、通訊等方面的設(shè)計規(guī)范也進(jìn)行了闡述。

1 設(shè)計要求

無人值守智能泵站系統(tǒng)設(shè)計以安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、實用為原則，應(yīng)遵循“集中管理、分散控制、資源共享、無人職守”的原則，在線檢測儀表系統(tǒng)應(yīng)遵循“工藝必需、計量達(dá)標(biāo)、先進(jìn)實用、維護(hù)簡便”的原則。

實用性：系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足生產(chǎn)和管理的相關(guān)規(guī)范，同時應(yīng)注重實用，上位機(jī)和下位機(jī)操作應(yīng)以簡潔為主。

可靠性：泵站運行涉及到社會民生，設(shè)備性能應(yīng)具有高可靠性。所以在系統(tǒng)設(shè)計初始階段應(yīng)考慮到這一點。

經(jīng)濟(jì)性：鑒于泵站設(shè)備長時間運行的特點，考慮到系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備維修等因素，所以設(shè)備選型應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，選用性價比高的產(chǎn)品。

先進(jìn)性：系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)選擇較為先進(jìn)的產(chǎn)品和控制理念，以應(yīng)對技術(shù)的飛速發(fā)展。

安全性：系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以“安全”為主，以泵站的安全穩(wěn)定運行為前提。設(shè)備選型、圖紙設(shè)計、自動控制功能等須反復(fù)斟酌。

2 無人值守智能泵站系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.1 自動控制系統(tǒng)

現(xiàn)場設(shè)備設(shè)三級控制：就地、現(xiàn)場PLC站、遠(yuǎn)程調(diào)度中心。

就地控制級設(shè)有“就地/遠(yuǎn)程”兩種方式。當(dāng)“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)切換到“就地”模式時，可實現(xiàn)就地手動操作。切換到“遠(yuǎn)程”時，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動運行或者遠(yuǎn)程單控操作。泵站現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC主站、子站應(yīng)具有下列功能：

（1）實時采集設(shè)備運行狀態(tài)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

（2）生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)配置觸摸屏，以實現(xiàn)對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制。

（3）具有一步化啟停車的自動控制功能。

（4）PLC控制系統(tǒng)應(yīng)采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)。

（5）PLC控制系統(tǒng)應(yīng)具有相應(yīng)的故障保護(hù)功能。

（6）模擬量信號應(yīng)配置信號隔離器，消除各種干擾，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

（7）PLC、觸摸屏應(yīng)具有可靠的程序加密保護(hù)措施，防止惡意修改程序。

（8）PLC控制系統(tǒng)應(yīng)具有智能預(yù)警功能，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題和處理問題。

（9）瞬時數(shù)據(jù)（流量、壓力、液位、濁度、余氯等）采用4～20 mA信號接入PLC，累計數(shù)據(jù)（累計流量）采用RS485總線接入PLC控制系統(tǒng)。

（10）電力數(shù)據(jù)：高壓系統(tǒng)中微機(jī)保護(hù)裝置的電力參數(shù)、直流屏、各斷路器狀態(tài)以及過流報警，計量儀表等須接入PLC控制系統(tǒng)。

（11）母排觸點溫度通過無線傳送并顯示于現(xiàn)場二次儀表中，然后通過RS485總線接入PLC控制系統(tǒng)。

（12）溫度數(shù)據(jù)：電機(jī)繞組溫度和水泵、電機(jī)軸承溫度通過溫度巡檢儀采集，然后通過RS485總線接入PLC控制系統(tǒng)。

（13）機(jī)泵振動監(jiān)測：在水泵軸承和電機(jī)軸承各找兩個最不利點安裝集成式振動變送器對水泵和電機(jī)振動進(jìn)行監(jiān)測。將現(xiàn)場采集到的振動信號直接變換為4～20 mA電流信號，通過PLC模擬量模塊采集并傳送至上位機(jī)系統(tǒng)，在各層人機(jī)界面上顯示振動監(jiān)測值。人工設(shè)定報警限值或進(jìn)行分析。

（14）水浸監(jiān)測：在每臺機(jī)組機(jī)座旁的地面安裝一個漏水探頭（共4個漏水探頭），當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)滴漏水時，觸發(fā)漏水探頭，實現(xiàn)報警。

（15）門禁系統(tǒng)信號采集及監(jiān)控：將門禁信號采集到PLC中，并在上位機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行報警（伴隨聲音）展示。

（16）水泵電機(jī)跳閘信號采集及監(jiān)控：將水泵電機(jī)跳閘信號采集到PLC中，同時設(shè)計機(jī)組啟停邏輯保護(hù)程序，并在上位機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行水泵電機(jī)跳閘報警（伴隨聲音）顯示。

（17）泵房積水監(jiān)測：泵房應(yīng)具有積水坑用以收集污水。為保證泵房安全，在積水坑中安裝浮球開關(guān)，并進(jìn)行積水液位報警。

（18）排水泵手/自動控制。通常排水泵選擇自動運行，即：當(dāng)積水坑高液位報警時，排水泵啟動，排出積水坑內(nèi)積水；當(dāng)積水坑低液位報警時，排水泵停止。同時，排水泵應(yīng)具備就地或者遠(yuǎn)程手動啟停功能。

（19）出水閥：應(yīng)選用防止水錘功能的重錘閥以防止水泵出現(xiàn)故障時產(chǎn)生水錘。

（20）高壓進(jìn)線遠(yuǎn)程關(guān)斷：一旦出現(xiàn)緊急情況時，能夠遠(yuǎn)程關(guān)斷泵站10 kV高壓進(jìn)線（10 kV進(jìn)線斷路器必須具備電分功能）。

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)

2.2.1 畫面監(jiān)視

具有完備的上位機(jī)系統(tǒng)，可對泵站內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)組織、綜合管理、實時監(jiān)控，應(yīng)有豐富、生動的畫面監(jiān)視，人性化的操作界面。主要顯示畫面應(yīng)有：泵站工藝流程圖、泵站數(shù)據(jù)匯總圖、單泵控制界面、電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測圖、實時報警界面、歷史報警界面、實時趨勢圖、歷史趨勢圖。

2.2.2 參數(shù)設(shè)定

參數(shù)設(shè)定分為工藝參數(shù)和報警參數(shù)。參數(shù)設(shè)置權(quán)限為操作員、工程師、管理員。系統(tǒng)應(yīng)自動檢測參數(shù)的范圍，超范圍的參數(shù)應(yīng)不可設(shè)定。

2.2.3 報警處理

報警分實時報警和歷史報警。歷史報警可以通過選擇時間查詢?nèi)我鈺r間段報警，可以通過名稱和組等進(jìn)行過濾顯示。實時報警可以實時顯示最新的報警信息，也可以通過報警摘要按鈕切換至顯示更多的實時報警畫面，實時報警可以按照時間和名稱等排序。報警未確認(rèn)為紅色，確認(rèn)后為綠色。報警發(fā)生后顯示對應(yīng)的時間、報警名稱、注釋、報警組、優(yōu)先級等信息，同時伴隨聲音提醒。報警聲音可以通過上位機(jī)界面的復(fù)位按鈕消除。報警消除時，實時報警消除，歷史報警仍記錄報警信息。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)的管理

（1）歷史數(shù)據(jù)的存儲。模擬量數(shù)據(jù)（流量、壓力、液位、濁度、余氯等）和數(shù)字量信號（泵啟停操作、運行信號等）應(yīng)實時存入數(shù)據(jù)庫。

PLC控制系統(tǒng)根據(jù)歷史存儲數(shù)據(jù)，可計算主要的生產(chǎn)指標(biāo)（如綜合電耗、每臺泵單日運行時間、總時間、單耗、效率等），并在相應(yīng)的上位機(jī)系統(tǒng)界面上進(jìn)行顯示。

（2）歷史數(shù)據(jù)的展示。歷史數(shù)據(jù)可以通過趨勢圖和事件表格展示出來。

事件展示：事件是指運行事件和重要的系統(tǒng)操作。事件登錄按時間順序排列，展示內(nèi)容應(yīng)有事件發(fā)生的時間、名稱、觸發(fā)值、操作人員、操作節(jié)點等。

趨勢圖：通過趨勢圖展示數(shù)據(jù)變化情況，方便數(shù)據(jù)分析和關(guān)聯(lián)關(guān)系，為問題詳細(xì)分析提供有效依據(jù)。趨勢圖的選擇靈活方便，可在任意時間段，任選多條信號曲線，并在該時間段能顯示最大值與最小值。

2.2.5 文件報表

要求在上位機(jī)系統(tǒng)界面上形成生產(chǎn)日報表、月報表和年報表，具體內(nèi)容根據(jù)泵站實際要求而定。

2.2.6 權(quán)限管理

上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)權(quán)限設(shè)置，分為四類人員：Viewer、操作員、工程師和管理員。

（1）Viewer基本功能。只允許對各級上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行監(jiān)視、查看，不允許對界面進(jìn)行控制操作和參數(shù)修改等。

（2）操作員基本功能。操作員只能監(jiān)視設(shè)備運行和更改運行參數(shù)；操作員能方便準(zhǔn)確地設(shè)置或修改運行方式，運行參數(shù)限值、巡測時間、優(yōu)先權(quán)等。更改參數(shù)時不會中斷系統(tǒng)的正常運行。

（3）工程師基本功能。工程師能進(jìn)行組態(tài)程序的編寫、系統(tǒng)維護(hù)和故障處理。

（4）管理員基本功能。具有上位機(jī)系統(tǒng)的最高權(quán)限。

2.3 安防系統(tǒng)

2.3.1 視頻監(jiān)控

通過攝像頭等圖像監(jiān)控方式觀察泵站設(shè)備運行狀況及泵站內(nèi)環(huán)境狀況，確保設(shè)備安全和環(huán)境安全。即在高壓室、電容室、控制室等安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（視頻數(shù)據(jù)接入安防硬盤錄像機(jī)）；同時每臺機(jī)組也安裝一臺網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過工業(yè)交換機(jī)接入安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

在視頻系統(tǒng)監(jiān)控到出現(xiàn)異常情況（譬如火花等）時，及時的進(jìn)行遠(yuǎn)控應(yīng)急處理，以防止事故的擴(kuò)大。

2.3.2 防盜報警

采用電子圍欄和門禁等方式確保泵站周界環(huán)境安全，一旦出現(xiàn)異常，發(fā)出報警信號，以確保泵站安全。

2.3.3 消防安全

各控制室門應(yīng)為防火門。并在高低壓配電室、電容器室、控制室等存在主要電氣設(shè)備的房間內(nèi)安裝煙感溫感報警器，加強(qiáng)對電氣設(shè)備的保護(hù)。同時報警信號傳入PLC，實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)

為保障控制室、高壓室等房間內(nèi)主要電氣設(shè)備的安全運行，應(yīng)具有完備的通風(fēng)設(shè)備。在實現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動現(xiàn)場控制的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場風(fēng)機(jī)信號進(jìn)行采集和控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時在高壓室、泵房等各增加一個溫度傳感器，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時，自動啟停風(fēng)機(jī)，保障高壓室、泵房等房間內(nèi)主要電氣設(shè)備的安全運行，提高泵房及房間的空氣流通性，改善設(shè)備運行環(huán)境。

2.5 配電系統(tǒng)

（1）高壓：采用性能可靠的設(shè)備并配智能保護(hù)系統(tǒng)，具備通訊及遠(yuǎn)程開斷復(fù)位功能。

（2）低壓：配電柜應(yīng)具有雙電源切換裝置，防雷設(shè)計。

（3）直流系統(tǒng)：具有備用電池組。

（4）備用電源：可為低壓系統(tǒng)（控制部分）、電動閥供電。

2.6 通訊系統(tǒng)

（1）泵站工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對工控網(wǎng)絡(luò)的影響。

（2）泵站采用兩個主流ISP公司的數(shù)據(jù)專線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連，并增設(shè)無線回傳方案，在任意一條線路出現(xiàn)通信故障時能保證工控業(yè)務(wù)正常運行。

（3）采集的安防視頻數(shù)據(jù)及機(jī)泵設(shè)備等運行數(shù)據(jù)，采用通訊運營商VPN專線回傳視頻信號。

3 結(jié)語

綜上所述，無人值守智能泵站通過先進(jìn)的檢測、采集及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)管理的信息化和現(xiàn)代化，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在人員少、成本低、反應(yīng)快、可控強(qiáng)、智能性及安全性高等方面。提高了自來水公司的自動化水平，既保證了安全供水又降低了經(jīng)營成本。