無(wú)人值守泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的技術(shù)探討

李鋒

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

泵站是供水管理單位提供供水服務(wù)的基礎(chǔ)配置，能有效地保證農(nóng)業(yè)灌溉和城市居民用水的要求，因此探討無(wú)人值守泵站落實(shí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)供水管理單位的發(fā)展和進(jìn)步是十分重要的。目前最常見(jiàn)的就是利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)泵站系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)化運(yùn)行。隨著目前中國(guó)居民對(duì)供水質(zhì)量以及穩(wěn)定性的要求不斷提高，中國(guó)的人力資源成本也在逐年上漲，因此無(wú)人值守泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的發(fā)展前景。

1 實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的基礎(chǔ)要求

由于泵站的運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系到城市居民的用水質(zhì)量以及用水穩(wěn)定性，所以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的基礎(chǔ)要求具體為：①泵站自動(dòng)系統(tǒng)PLC 控制程序應(yīng)該滿足自適應(yīng)閉環(huán)控制的各種要求，其安全保護(hù)和容錯(cuò)邏輯應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)。也就是說(shuō)，在落實(shí)無(wú)人值守泵站工作的過(guò)程中，工作人員應(yīng)該先保證無(wú)人值守泵站的基礎(chǔ)功能運(yùn)行，避免出現(xiàn)由于自控系統(tǒng)失控或者是泵站遠(yuǎn)程控制失控從而導(dǎo)致泵站運(yùn)行質(zhì)量下降，影響居民的實(shí)際用水質(zhì)量的現(xiàn)象[1]。②要建設(shè)良好的機(jī)泵設(shè)備健康狀況實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以有效地幫助工作人員實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)泵設(shè)備進(jìn)行全面的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該及時(shí)采取相關(guān)處理措施對(duì)機(jī)泵設(shè)備進(jìn)行管理，從而保證居民用水。③配置良好的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，保證上級(jí)監(jiān)控中心對(duì)泵站現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)際掌控。上文中提到的機(jī)泵設(shè)備健康實(shí)施跟蹤系統(tǒng)往往是需要感應(yīng)元件來(lái)對(duì)健康情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而這里的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是上級(jí)監(jiān)控中心對(duì)機(jī)泵設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境進(jìn)行良好的監(jiān)控。④配備泵站日常維護(hù)以及應(yīng)急搶修的機(jī)動(dòng)隊(duì)伍和相關(guān)制度，通過(guò)這種方式來(lái)有效地保證泵站的健康運(yùn)行，在泵站運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行搶修，從而有效地提高泵站的運(yùn)行質(zhì)量和效率。

2 無(wú)人值守泵站的自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置要求

城市內(nèi)部無(wú)人值守泵站的自動(dòng)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)一定要滿足2 個(gè)要求：①自動(dòng)化控制系統(tǒng)具備對(duì)泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制泵站操作的功能；②自動(dòng)控制化系統(tǒng)自身具有良好的自檢功能以及控制可靠性[2]。運(yùn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程操控的可靠性能有效地保證泵站的無(wú)人值守正常運(yùn)行，即使出現(xiàn)了小的狀況，工作人員也能通過(guò)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而有效地提高泵站的運(yùn)行質(zhì)量。自檢功能和配置功能的可靠性能夠降低人工成本，尤其是能夠降低搶修工作人員的成本，對(duì)泵站的高質(zhì)量運(yùn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)能夠起到積極的促進(jìn)作用。

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是無(wú)人值守泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要構(gòu)成部分和基礎(chǔ)構(gòu)成部分。目前無(wú)人值守泵站最常用的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)就是使用工業(yè)控制以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)控制以太網(wǎng)技術(shù)就是利用控制與信息協(xié)議來(lái)對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行控制的一種技術(shù)，其是由國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)相關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)共同推出和研究的符合行業(yè)發(fā)展要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)控制技術(shù)能夠利用現(xiàn)階段較為成熟的通訊芯片、電子元件以及物理設(shè)施，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用相關(guān)協(xié)議以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和以太網(wǎng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。工業(yè)控制以太網(wǎng)技術(shù)具備3 個(gè)最基礎(chǔ)的功能技術(shù)：①實(shí)時(shí)控制技術(shù)。實(shí)時(shí)控制是遠(yuǎn)程操控技術(shù)能夠具體落實(shí)的基礎(chǔ)，因此實(shí)時(shí)控制技術(shù)的落實(shí)能有效幫助泵站實(shí)現(xiàn)設(shè)備的及時(shí)操作以及管控，在泵站運(yùn)行過(guò)程中，工作人員能通過(guò)工作中心根據(jù)實(shí)際泵站設(shè)備的運(yùn)行情況來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，這樣一個(gè)工作人員能夠負(fù)責(zé)多個(gè)泵站，進(jìn)而有效地降低了泵站運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所需要的人力資源成本。②網(wǎng)絡(luò)集中控制功能。也就是要求泵站在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠允許中心位置啟動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或者是處于網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)具體設(shè)備設(shè)施，啟動(dòng)其他基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)控制協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。工作人員能在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，在線修改設(shè)備參數(shù)，或者工作人員能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)修改PLC 程序，不要將編程工作從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移至另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所以能夠提高技術(shù)工作人員工作的質(zhì)量和效率。③數(shù)據(jù)采集功能。無(wú)論是無(wú)人值守泵站的運(yùn)行還是需要人工值守泵站的運(yùn)行，其運(yùn)行的數(shù)據(jù)都是泵站之后操作的基礎(chǔ)。所以數(shù)據(jù)收集工作是極為重要的，數(shù)據(jù)采集功能能夠?qū)崿F(xiàn)趨勢(shì)和分析、配方管理、系統(tǒng)維護(hù)以及故障診斷等目標(biāo)，同時(shí)在整個(gè)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中都不需要PLC 參與數(shù)據(jù)流量控制。

2.2 PLC 控制技術(shù)

泵站PLC 系統(tǒng)是現(xiàn)階段泵站自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中常用的一種技術(shù)，其主要的作用就是對(duì)泵站內(nèi)部的儀表和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)[3]，工作人員能通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或者是泵站管理網(wǎng)絡(luò)對(duì)泵站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督，其監(jiān)控內(nèi)容主要有：①對(duì)泵房機(jī)組根據(jù)PLC 指令實(shí)現(xiàn)機(jī)組開關(guān)的統(tǒng)一化閉環(huán)操作，不需要人工對(duì)其進(jìn)行干預(yù)；②泵站水量需要能根據(jù)管網(wǎng)壓力大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)；③泵站內(nèi)部的水泵機(jī)組能夠結(jié)合既定程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化切換的目標(biāo)，進(jìn)而保護(hù)輸泵機(jī)組設(shè)備的健康；④對(duì)水泵的進(jìn)水流量以及出水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，查看監(jiān)控泵站流量和既定流量數(shù)據(jù)是否相同；⑤通過(guò)數(shù)據(jù)模塊來(lái)及時(shí)接收各種電子感應(yīng)器件的信號(hào)，如進(jìn)線斷路器、聯(lián)絡(luò)斷路器以及其他電流電壓等因素監(jiān)控軟件的相關(guān)數(shù)據(jù)；⑥通過(guò)通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵站內(nèi)部的各元件之間進(jìn)行信息交流和信號(hào)采集；⑦及時(shí)接收水泵的溫度信息，設(shè)定好預(yù)警值，對(duì)水泵電機(jī)和內(nèi)部相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)水泵也能根據(jù)內(nèi)部工作設(shè)備的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行保護(hù)調(diào)節(jié)。

2.3 泵站操作平臺(tái)技術(shù)

泵站的操作平臺(tái)是工作人員來(lái)對(duì)泵站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督和控制的直接接觸介質(zhì)，無(wú)人值守泵站操作平臺(tái)既能夠安裝在臺(tái)式計(jì)算機(jī)電腦中，也能夠安裝在手機(jī)或者是平板電腦等移動(dòng)信息終端中來(lái)對(duì)泵站進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)，相較于臺(tái)式計(jì)算機(jī)，平板電腦的管理模式能有效幫助工作人員突破工作空間和時(shí)間的限制，更好地提高對(duì)泵站的監(jiān)督和管理質(zhì)量[4]。

泵站的操作平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：①工作人員能通過(guò)平臺(tái)監(jiān)控泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如水質(zhì)參數(shù)、瞬時(shí)流量等，自動(dòng)保存一些較為重要的數(shù)據(jù)。這樣一旦遇到通訊故障時(shí)，能通過(guò)變化情況以及計(jì)算模型來(lái)對(duì)泵站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在通訊恢復(fù)之后，將相關(guān)重要參數(shù)打包發(fā)送給監(jiān)控中心。②能按照既定程序和運(yùn)行模式對(duì)泵站進(jìn)行全自動(dòng)閉環(huán)控制，如調(diào)節(jié)水泵、閥門開閉等操作。③能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)越限保護(hù)處理，及時(shí)上報(bào)參數(shù)越限情況以及故障信息。對(duì)于自帶PLC 的智能設(shè)備，能通過(guò)通訊系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)。④對(duì)于一些故障問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護(hù)和處理，比如在實(shí)際使用泵站操作平臺(tái)的過(guò)程中，如果出現(xiàn)電流預(yù)警或者是設(shè)備故障的信息，平臺(tái)能夠及時(shí)斷聯(lián)，通過(guò)這種方式來(lái)保護(hù)泵站以及平臺(tái)。平臺(tái)內(nèi)置了可靠的系統(tǒng)安全措施，具有良好的保護(hù)口令，除了直接管理人員，其他人不能進(jìn)行越權(quán)修改程序，從而能有效地保證泵站的正常運(yùn)行，為城市居民穩(wěn)定供水。

3 無(wú)人值守泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)

3.1 采用冗余PLC 結(jié)構(gòu)

冗余模塊間能通過(guò)高速光纖實(shí)現(xiàn)信息以及操作的同步，冗余功能完全依靠冗余模塊硬件來(lái)保證，主備控制器的切換時(shí)間應(yīng)該控制在1 s 之內(nèi)，盡可能縮短主備控制器的切換時(shí)間能有效保護(hù)泵站的運(yùn)行安全[5]。PLC 機(jī)架電源使用冗余外置電源的方式，共同供電給PLC 機(jī)架，這樣能有效保證泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，另一部分泵站使用獨(dú)立PLC 結(jié)構(gòu)，基于PLC 設(shè)備以及系統(tǒng)的可靠性，能夠滿足泵站運(yùn)行安全穩(wěn)定的要求[6]。需要技術(shù)工作人員注意的是，在實(shí)際落實(shí)工作的過(guò)程中，要通過(guò)獨(dú)立架構(gòu)的形式來(lái)對(duì)冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，這樣一旦在實(shí)際泵站運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)故障或者是斷電現(xiàn)象時(shí)，能有效地實(shí)現(xiàn)主備控制器的切換，避免對(duì)供水泵站的實(shí)際供水質(zhì)量和效率產(chǎn)生不良影響。

3.2 具備容錯(cuò)性能的控制系統(tǒng)

當(dāng)前中國(guó)無(wú)人值守泵站使用的容錯(cuò)系統(tǒng)主要是被動(dòng)式容錯(cuò)的程序，也就是工作人員在實(shí)際設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站的過(guò)程中先考慮了各種可能出現(xiàn)故障的情況，針對(duì)各種錯(cuò)誤情況進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)和應(yīng)急處理[7]。這種程序的使用優(yōu)勢(shì)就是在發(fā)生故障或者時(shí)錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)能直接對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行操作和處理，無(wú)需使用在線故障診斷，進(jìn)而能夠縮短處理故障以及錯(cuò)誤的時(shí)間，保證泵站的安全運(yùn)行。但是這種技術(shù)的使用劣勢(shì)就是一旦遇到?jīng)]有預(yù)先想好的故障或者是錯(cuò)誤時(shí)，可能就會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)以及處理系統(tǒng)故障。主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)就是在故障發(fā)生后通過(guò)控制器參數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)控制頻率的重新構(gòu)建，從而保證整體的應(yīng)用質(zhì)量。所以對(duì)于目前使用的容錯(cuò)控制系統(tǒng)而言，應(yīng)該強(qiáng)化主動(dòng)容錯(cuò)控制力度，可通過(guò)對(duì)原始信號(hào)的前端清洗以及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制邏輯的寬容算法。

4 泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)技術(shù)

單獨(dú)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用和自動(dòng)控制化應(yīng)用范圍是有限的，不能充分滿足無(wú)人值守泵站安全運(yùn)行的要求，因此應(yīng)該建立泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通過(guò)這種方式來(lái)充分發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控作用以及自動(dòng)化控系統(tǒng)的控制管理作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)泵站的重點(diǎn)環(huán)境、主要設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)、人員操作以及事故隱患等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并且將視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，要求在自動(dòng)化控制系統(tǒng)報(bào)警和調(diào)整時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)π枰{(diào)整的位置進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控。工作人員能夠在泵站目前現(xiàn)有的視頻監(jiān)控體系中，將攝像頭接入局域網(wǎng)，使用視頻設(shè)備提供的開發(fā)包編制和泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的接口程序，通過(guò)這種方式來(lái)接收來(lái)自PLC 系統(tǒng)的報(bào)警。當(dāng)PLC 系統(tǒng)在工作中檢測(cè)到故障或者是設(shè)備動(dòng)作時(shí)，應(yīng)該向視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)督報(bào)警點(diǎn)以及動(dòng)作設(shè)備位置，實(shí)現(xiàn)泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

5 無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用

最后就是要強(qiáng)化無(wú)人值守泵站對(duì)遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用。無(wú)人值守泵站應(yīng)該在泵站監(jiān)控中心的可控范圍內(nèi)，所以對(duì)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和速度具有極高的要求。比如現(xiàn)階段相關(guān)泵站管理部門能夠使用5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息快速傳遞目標(biāo)，將泵站運(yùn)行的監(jiān)控信息及時(shí)傳遞給監(jiān)控中心。在實(shí)際使用遠(yuǎn)程控制技術(shù)的過(guò)程中，由于泵站設(shè)置的環(huán)境各不相同，同時(shí)泵站設(shè)置的主要目標(biāo)也不同，所以數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臄?shù)量較多、密度較高，而且傳輸量相對(duì)較大。在這種背景下，泵站內(nèi)部設(shè)備很容易受到城市中的諧波影響，所以會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包漏包現(xiàn)象。因此在實(shí)際遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)泵站所處的環(huán)境合理選擇設(shè)備，選擇應(yīng)用較少的波段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。比如說(shuō)在有條件的情況下，使用2 種通信通道，通過(guò)這種方式來(lái)滿足無(wú)人值守泵站對(duì)遠(yuǎn)程通信和控制系統(tǒng)使用的要求。或者相關(guān)技術(shù)人員在泵站內(nèi)部建立良好的抗諧波干擾器，通過(guò)這種方式來(lái)降低城市中諧波對(duì)泵站自動(dòng)化運(yùn)行的影響，從而有效提高泵站運(yùn)行工作質(zhì)量和效率，為中國(guó)無(wú)人值守泵站的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供鮮活的例子。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，無(wú)人值守泵站是一個(gè)集自動(dòng)化技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及遠(yuǎn)程控制技術(shù)于一體的綜合性工程，所以除了需要建設(shè)良好的自動(dòng)化控制系統(tǒng)之外，還應(yīng)該建立配套的管理制度以及規(guī)范業(yè)務(wù)流程，通過(guò)這種方式對(duì)泵站的設(shè)備、自動(dòng)化水平、人員素質(zhì)以及管理制度進(jìn)行良好的應(yīng)用，有效地保障泵站的應(yīng)用質(zhì)量，滿足居民用水需求。