公路隧道排水泵站智能監控系統設計

徐　敏，姚年春，丁　琳,2

(1.江蘇財經職業技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安　223002； 2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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公路隧道排水泵站智能監控系統設計

徐敏1，姚年春1，丁琳1,2

(1.江蘇財經職業技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安223002； 2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：針對某隧道泵站自動化水平低、配套管理滯后、在汛期存在安全事故隱患的實際情況，構建以可編程自動化控制器(PAC)為核心的智能化泵站監控系統，討論整個系統的控制方案，對相關控制策略的基本原理、軟硬件設計方法以及基于Kingview 6.55的上位機遠程監控系統軟件的開發進行具體介紹。系統實現了在線監控、均衡調度、故障保護等功能，提高了泵站的動態管理水平，優化了水泵的運行性能，具有良好的實際應用前景。

關鍵詞：公路隧道；排水泵站；PAC；監控系統

0引言

下穿隧道作為公路改造工程中廣泛應用的地下空間交通基礎設施，對提高交通運載能力，解決擁堵問題有顯著的推進作用。但是，在日常運營過程中，受極端天氣下路面積水的匯入、墻體的滲透涌水等因素的影響，隧道內部往往產生較多的來水聚集。因此，為確保及時排除積水，保障隧道的通行安全，與下穿隧道建設相配套的排水泵站成為一個關鍵因素。目前，較多的公路隧道排水泵站的運行仍依賴于人工[1]。在一些隧道中也有采用水泵監控系統的先例，但其監控功能單一，難以實現對設備運行數據的動態采集與高效管理，現場數據依靠電纜進行遠程傳輸，鋪設成本高、擴展性能差且容易受到外部干擾，難于適應公路隧道環境，這些都在一定程度上提高了水泵的故障發生概率，為隧道防汛排澇工作增添了隱患[1]。同時，系統上位機的可視化程度較低，不具備設備運行數據的后期統計及趨勢分析能力，缺乏一定的預見性[2]。本設計針對某公路隧道排水泵站的工作條件與要求，提出了基于PAC的新型系統控制方案，對設計過程中的分布式I/O控制技術、系統通信機理、智能化管理程序與上位機監測程序編寫等相關性問題進行探討。

1隧道排水系統分析

1.1控制對象

某公路隧道的最低點高于地下水位6 m左右，設計時忽略排除地下水。在隧道的最低處配備有半地下式排水泵站，集水池位于下部，站內采用3臺400QW1500-10-75型大流道潛水泵(2用1備)并聯排水。隧道盆地處積水通過泵站提升后流入壓力窖井，最終匯入市政雨水管道。

系統監測物理量為集水池水位及水泵運行參數，泵站控制現場的檢測裝置包括水位計、轉速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器與智能電量變送器等。系統能夠利用變頻器控制水泵配套電機的轉速，以控制排水速度。

泵站抽排水的監控過程描述如下：1)多種途徑流入隧道的積水沿排水溝流入泵站集水井[3]；2)通過主要監測裝置測量現場實時數據；3)將監測數據傳送至控制器，經軟件算法判斷，實現泵站各水泵的啟停控制，以保證水泵安全可靠運行，為隧道交通的安全暢通提供保障。

1.2控制策略

根據排水泵站的實際需要，站內每臺泵均采用本地手動控制與遠程半自動、自動控制相結合的運行模式。利用水位傳感器對現場水位信息進行采集，水位由低到高達到限定水位值時，根據各臺泵的使用頻率及時長，逐臺啟動水泵，反之，則逐臺停泵。在水泵啟動運行前，需檢測實時水位、電網參數、管網壓力等是否滿足運行條件。

控制系統對關鍵調節參數集水池水位采用模糊推理在線調整PID參數。根據程序比較得到預設水位值與實際測量值之間的偏差，經模糊PID運算輸出信號，對變頻器參數進行調整，以滿足不同時刻系統對水泵電機運行的要求，最終實現排水量的合理調節[4]。

因為降雨量存在著季節性差異，為使整個排水泵站獲得較高的安全系數，通常選擇的排水額定功率較實際需求要大，確保在最大的進水量和集水池最低水位2種極限情況下均能實現快速、高效的排水。所以，很多的排水泵站在大部分時間內都工作在偏離最佳工作點狀態[5]。為提高水泵運行效率，保證經濟效益，控制現場的控制器利用RS485通訊方式及ModbusRTU通訊協議實現與變頻器之間的串行通信。變頻器控制水泵配套電機運轉，在電機轉速提升的同時提高頻率與電壓，啟動電流比直接啟動時降低了4～5倍，能夠實現較佳的軟啟動效果。此外，通過變頻調速在停泵時能夠有效避免水錘現象，顯著提高了水泵的工作壽命。同時，水泵的狀態變化率與動態響應特性要求都較低，變頻器的節能功能使其能夠可靠地尋找到電機最佳工作點，保證其取用電流值最小，而效率與功率因素無限趨近于最優[6]。

2隧道泵站控制系統設計

2.1系統結構框圖

排水泵站控制系統的現場控制級以基于可單獨運行的可編程自動化控制器(PAC)組成的下位計算機為核心。現場采集的實時數據通過所提供的I/O模塊完成與PAC之間的通信，經過下位計算機軟件算法處理后的結果，一方面利用PAC具有的PC-based技術下的網絡通訊能力傳送至控制系統的遠程監控級計算機，以進行儲存、顯示等后續工作；另一方面再通過配置的I/O模塊返回相關指令信號至系統的執行機構，以控制集水井水位的動態改變。下位計算機核心部件選用泓格wincon-8000系列PAC，通過其自身配備的I/O擴展卡槽與選用的I-8000系列分布式I/O模塊連接。隧道泵站控制系統框圖如圖1所示。

圖1　隧道泵站控制系統總體結構圖

Fig.1General structure of control system of pumping station of highway tunnel

2.2系統通信原理

隧道排水泵站控制系統的現場控制級核心部件PAC與分布式I/O模塊之間的數據傳輸由基于RS485總線通訊協議與DCON協議通信的MODBUS工業現場總線實現。PAC作為主設備與多個現場采集從設備掛接在一條串行通信總線上，各設備地址具有唯一性。主設備將請求數據廣播包發送到各個從設備，RS485數據通信總線上的全部從設備打開數據包，并識別是否與自身的地址相對應，若相同就把采集到的數據傳送至總線。主設備則一直等待至從總線接收新數據包。PAC控制器利用MODBUS TCP協議達到與遠程監控上位機連接通信的目的。

3硬件的設計與實現

3.1現場控制級

3.1.1主體模塊

考慮到排水泵站現場控制級的I/O點數并不是很多(約16個模擬量輸入信號，22個數字量輸入信號，22個數字量輸出信號)，所以選用了運行于windows CE.NET操作系統7槽的wincon-8731 PAC構建下位機系統。wincon-8731微內核、更快的上電啟動速度、更好的硬實時性能，使其更加適合嵌入式應用。同時，能通過配置的可控制I-8000、I-7000串口I/O模塊的SDK，利用基于PC便于開發人員的控制軟件進行應用開發[7]。

3.1.2分布式I/O模塊

實時數據采集模塊選擇I-7000系列RS485模塊(DCON協議)，模塊具有自檢功能，其內部的微處理器芯片能夠按照一定的時間間隔自動測試主體模塊PAC的通信正常與否[8]。

根據應用需求，選擇的I/O模塊包括：1)2塊16通道數字量輸入模塊I-7051，主要用于采集電動機電參量、電動閥位置、真空度等信號；2)2塊8路模擬量輸入模塊I-7017F，主要用于采集集水池水位、配套電機轉速與溫度、水泵出水口壓力等信號；3)2塊12路繼電器輸出模塊I-7061，主要用于輸出數字量信號至變頻器控制電動機轉速，以及排水泵的啟停。

3.1.3網絡連接模塊

主體模塊wincon-8731提供以太網絡RJ45連接端口/RS232、RS485通訊接口/FRnet兩線制快速通訊接口，用戶可以根據實際需求選擇適當的網絡接入方式。本設計即選用RS232 GPRS轉換器STG-8600實現與監控級計算機的遠距離數據傳輸。

根據控制系統的工作環境，兼顧穩定性與性價比，在現在固定IP地址緊缺的情況下，考慮到泵站控制系統的容量與數據傳輸量都不大，用戶通過申請寬帶業務與公網Internet連接，采用花生殼動態域名解析服務，實現泵站現場的GPRS-DTU通過GPRS-Internet建立與遠程監控級計算機之間的直接連接[9]。

該方案將已注冊的花生殼子域名添加至路由器上，并在所連接的計算機上進行正確的端口映射。打開DTU配置軟件，端口號、波特率與檢驗/數據/停止位等串口參數進行定義，并對APN賬號、目標IP或域名、網絡協議與網絡端口等設備參數進行設置。服務器端創建虛擬端口，設置完成網絡協議、本地IP、目標端口與本地端口等參數后，將GPRS DTU與PAC相連，二者分別供電。

3.1.4觸摸屏模塊

為了便于用戶直接觀察現場實時監測數據，并選用合理的操作模式以及輸入相關控制指令，本設計選擇觸摸屏作為現場多媒體交互設備。wincon-8731主體模塊利用自帶1倍速的USB1.1端口與DOP-BO3S201高彩觸摸屏相連。

3.1.5變頻器

由于泵站內選用功率75 kW的大流量潛水泵，所以選擇西門子MM430變頻器，其適用電動機容量為75 kW。I-7061接收wincon-8731產生的信號，再將數字量信號傳送至變頻器，后者產生相應的頻率電壓調整水泵轉速及控制水泵啟停，最終實現泵排水速度的控制與水泵的合理調度。現場控制級框架結構如圖2所示。

圖2　現場控制級框架結構圖

3.2遠程監控級

遠程監控級采用普通PC機即可，與現場下位計算機的實時通信速率能夠達到10 m/s。

4軟件的設計與實現

4.1現場控制軟件設計

PAC作為控制系統的核心，實現對排水泵站現場設備的集中管理。根據系統的控制要求，程序的設計與調試利用ISaGRAF編程軟件來完成。

水泵共有手動、半自動與全自動3種控制模式。手動模式下，工作人員根據經驗判斷集水池水位高度，通過現場開關控制水泵的啟停；半自動模式下，工作人員通過監控中心級計算機組態界面選擇投入運行的水泵數目、序號及其啟停控制。上述2種控制模式，常用于泵站的維修調試狀態。自動控制模式下，勿需人工干預，泵站現場相關數據經PAC分析、計算，綜合考慮集水池實時水位數據、無故障泵數目、水泵啟動優先級等方面的因素，對水泵進行合理調用。

全自動運行程序設計時，將集水池水位按由低至高的順序依次設定4個水位點。當集水池水位達到水位點2時啟動單泵，若水位持續上升到水位點3時啟動雙泵，而水位點4被預設為警戒水位，當檢測到實時水位達到該點時，泵站全部水泵啟動運行，并進行報警。停泵時，水位必須回落至水位點2以下。全自動運行程序流程如圖3和圖4所示。

圖3　全自動啟泵運行程序流程圖

圖4　全自動停泵運行程序流程圖

在程序編寫的過程中，6個數據寄存器(X1—X6)與3個定時器(T1—T3)被平均分給3臺水泵，分別用于存放該臺水泵的運行時間(X1、X3、X5)與次數(X2、X4、X6)。以1#水泵為例，當其正常啟動時，其相應的接觸器觸點KM12閉合，配置的定時器T1啟動，在達到預設時間后，T1清零并將一個水泵運行信號傳送到累加器。當該臺水泵停止運行時，KM12觸點斷開，累加進程終止。利用對系統時間存儲器的參數設置，能夠產生1 s的脈沖信號，遵循一定的計算法則即可累加得到該臺水泵的運行時長，并將當前值存入1#水泵的運行時間寄存器(X1)。同時，運行次數自動加1并存儲(X2)，累加器復位。在1#—3#均停泵后，將比較得到的最短運行時間與最少運行次數存入相應寄存器(X7、X8)。為防止數據的溢出，分別用3臺泵的運行時間、次數減去上述2個極小值，再按照運行次數最少、時間最短的優先順序將3臺泵的序號依次保存到數據寄存器X9—X11中[10-12]。每臺水泵都有一個電機保護繼電器，當某臺水泵出現故障，則對應的保護器接通，該臺水泵工作停止并保存故障泵序號、合計故障泵運行總時長與次數、復位累加器。同時，在啟動優先級隊列中查詢故障泵的序號，將其后移至寄存器X11中，而其余無故障泵在啟動隊列中依次前移，故障泵退出輪換工作[13-14]。

4.2遠程監控軟件設計

PAC與遠程監控計算機之間利用無線數據終端實現數據傳輸。遠程監控中心的監控處理軟件采用組態王6.53開發，主要分為下述3個主模塊：運行界面模塊、遠程通信模塊、分析管理模塊，各主模塊下另設子模塊，可實現設備的運行參數預設、設備的監視與控制、實時與歷史數據的分析查詢、超限與故障報警等功能。監控處理軟件總體結構圖如圖5所示。

圖5　監控處理軟件總體結構圖

在組態王軟件中，選擇相應的串口通訊參數，并利用向導對設備進行配置，在對各變量定義及動畫連接完成后，啟動運行DTU設備與組態王軟件，即可實現數據的雙向網絡傳輸。組態王6.53為用戶構造的數據庫支持現場水位數據、水泵運行參數的存儲、查看與輸出，并實現水泵的遠程管理。

5結論與討論

本設計針對目前隧道排水泵站運行可靠性不高、可控性低的狀況，對傳統泵站控制系統進行了硬件設計與軟件編程2方面的優化工作，完成了基于PAC的泵站智能監控系統的設計，實現了水泵排水過程中的自動啟停、合理調度與故障檢測。同時，結合組態技術與無線通信技術，完善了系統的遠程控制與實時監測能力，保障了整個排水泵站穩定、可靠地運行，且在一定程度上節省了運維支出成本，有效滿足了設計的預期效果。但考慮到隧道排水泵站環境因素復雜，在系統的后續研究、開發過程中可引用更多先進控制理論，使水泵運行達到最有效的狀態；同時，針對已有的運行統計數據進一步分析，研究其潛在規律性，從而優化對水泵排水過程的控制，提高系統的控制精度。

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Design of Intelligent Monitoring System of Drainage Pumping Station of Highway Tunnels

XU Min1,YAO Nianchun1,DING Lin1,2

(1.Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering,Jiangsu Vocational College of Finance and Economics,Huaian 223002,Jiangsu,China;2.School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China)

Abstract:An intelligent monitoring system of pumping station of a highway tunnel with programmable automation controller(PAC) as core is built.The control program of above-mentioned system is discussed;the basic principle of related control strategy,design method of software/hardware and the development of long-range monitoring system software are introduced in detail based on Kingview 6.55.Good effects have been achieved by using the monitoring system.

Keywords:highway tunnel;drainage pumping station;programmable automation controller(PAC);monitoring system

收稿日期：2016-01-20;修回日期:2016-03-28

基金項目：2013年度江蘇省淮安市科技支撐計劃項目(HAS2013070)

第一作者簡介：徐敏(1979—)，女，江蘇淮安人，2013 年畢業于南京理工大學，控制理論與控制工程專業，碩士，講師、工程師，現從事嵌入式系統與過程控制系統的研究與開發工作。E-mail:13915106806@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.007

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0695-06