泵站自動化監控系統的設計

劉衛東

摘要 為更好地發揮水利泵站的綜合利用效益，提高調度管理決策水平，建設泵站自動化監控系統是現代泵站建設的一項重要任務，本文結合筆者的工作經驗，以抽黃提灌泵站為研究對象，完成泵站的自動化方案的研究與設計。

關鍵詞 泵站；自動化監控系統；設計

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 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，“水危機”是人類面臨的重要問題之一。高效利用水資源、發展節水農業是解決水危機的一個重要途徑。泵站自動化的實現，可以對泵站整體運行情況進行實時監控，發現異常立即報警或采取相應的措施，減少事故的發生；根據水泵的流量、抽水量等歷史參數，合理選擇機組，分配灌溉時間，提高灌溉的經濟性，達到節水節能的目的；實施自動化后，減少值班人員工作強度，改善工作環境；記錄泵站所有運行數據，并進行分析，供值班人員參考，提高管理水平。

1 國內泵站監控系統現狀

我國泵站在規模和數量上已接近或達到國際先進水平，但是自動化起步較晚，大多數泵站已服務近半個世紀，在發揮巨大作用的同時，由于工程質量、管理水平等方面所限，一定程度上落后于國外水平，具體表現在以下幾方面：一是設備技術落后，無法滿足自動化系統要求；二是維護工作量大；三是達不到實時控制要求；四是耗費人力，效率低、成本高[1-4]。

2 泵站自動化系統的發展方向

20世紀90年代的監控系統大多數為封閉式，系統升級、維護困難，隨著計算機技術、網絡技術、操作系統的標準化，泵站綜合自動化系統向分層分步、開放式方向發展，自動化技術在系統結構、通訊規約、系統性能方面進一步發展。目前，計算機實時監控系統已完全可以取代常規控制模式，為大中型泵站實現無人值守、少人值班、優化調度、智能配水提供了可能。

3 泵站自動化監控系統設計

3.1 設計原則

3.1.1 開放、合理性、實用性。設計采用全分布開放系統結構，IEEE802.3以太網標準協議和TCP/IP通訊協議、支持NetBEUI傳輸協議以及SNMP管理協議[5-10]；支持HOST LINK、Modbus、Profibus等現場總線規約。具有符合國際通用的、開放的數據接口： OPC、DDE，以及ODBC等，可以和其他系統方便、安全地互聯、互訪。

3.1.2 可靠性、適用性、可擴展性。①模塊化、結構化設計原則：采用模塊化、結構化設計原則，并且通過有效的監測、隔離、安全保護措施，確保系統安全可靠；②實時性原則。采用實時多任務多線程技術，保證響應的速度；③兼容性原則。系統采用國際、國家標準，能很好地與各種標準協議互聯；④分布性原則。采用分布式網絡、分布式數據庫結構。⑤一致性原則。確保各個分布式子系統獲取的同一個數據源的數值是一致的；⑥可擴展性原則。滿足實際應用系統不斷擴充的要求，適應泵站發展的需要[11-17]。

3.2 泵站控制層次設計

泵站計算機監控系統采用分層分布式監控系統結構，分別是遠程監控層、泵站控制層和現地控制層。

鑒于泵站控制保護系統的復雜性、安全性的高需求以及成本效益方面的考慮，控制流程設計時必須考慮其多樣性和復雜性。同時因控制流程中存在通用部分，整個控制流程采用模塊化和結構化設計[17-29]。

3.3 泵站綜合自動化監控系統總體結構

3.3.1 系統網絡拓撲圖。系統使用1臺計算機作為上位監控系統使用，1臺計算機作為工程師站對監控系統進行管理和維護，現地控制采用PLC進行I/O點的采集控制；其他的輔助系統通過協議通訊方式完成其與現地控制層的全部數據的傳輸和各種訪問請求[1-8]。系統協議符合國際標準化組織OSI模型[1-5]，符合國際標準，網絡成熟可靠。系統的網絡結構拓撲圖如圖1所示。

3.3.2 現地控制層?，F地控制層可直接采集和預處理生產過程的實時數據，以及監視、調整和控制本單元設備狀態等功能，負責實時控制及監視泵站組、電氣一次設備及公用設備等。當泵站控制層因故退出運行時，現地控制層可不受影響，能夠獨立運行[2-4]。各現地控制層與泵站控制層連接交換信息通過光纖以太網絡實現，使現地設備的監視、控制及數據共享得以實現[1]。

一些設備（例如微機直流電源、微機保護裝置、智能儀表等）通過智能通信裝置與以太網連接，進而監視和控制相應參數。通過現地控制單元的I/O模塊，部分沒有通訊接口的設備可以對設備進行控制和狀態檢測[1-4]。

現地控制主要分為信號采集和集中控制兩大部分。①信號采集及處理。第一，開關量采集及處理?，F地控制層LCU按周期掃描全部開入量，進行狀態檢查，更新數據庫，在開關量發生變位時，產生事件記錄[1-6]，并根據控制流程進行動作處理或接點復歸處理?，F地控制層LCU中保存了所有事件記錄、流程的執行情況，這些記錄和情況還被全部送集中監控層[1]。第二，模擬量采集與處理。相應機組的微機保護裝置內的測量模塊或多功能電表及相關測量變送器完成電氣模擬量的采集。機組的采集參數包括非電量參數（例如流量、壓力、水位等）和電量參數（例如電流、無功、電壓[1-5]、勵磁電流電壓[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、電機定子[1]、室內外等處溫度作為采集對象。根據運行需要，可設置以上模擬量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）報警值，系統提供越復限報警及處理功能。②控制與操作。泵站現地系統中最重要的一個子系統是控制系統，現地系統可以接受上位機或現地輸入命令，執行相應操作。通過PLC輸出繼電器控制現場設備，分別作用于現地設備輸入點，例如各種管路的電磁閥、線路和電動機的斷路器等。③通信功能?，F地系統與集中監控層的通信通過以太網實現，通信的主要內容有：將現地系統采集到的各種信息、正在執行的控制操作、內部自診斷結果即時送上主機[1-3]。接受主機的控制命令等[9-15]?，F地系統與其他系統和儀表的通訊通過Modbus通訊協議實現，如現地系統與微機保護系統、智能儀表的通信等。④診斷功能?，F地系統具有對本身的硬件及各控制單元進行全面的保護性自我檢驗功能，并根據檢驗結果采取相應的保護性措施，防止不良結果出現[1]。同時向主機報告診斷的結果，根據自診斷記錄[1-6]，值班維護人員可以了解現地裝置工作是否良好，指導處理異常情況。

3.3.3 上位監控層。泵站控制層分為集中監控和遠程監控2個部分，集中監控在中控室內，作為泵站的實時監控中心，負責的功能包括整個泵站主要運行設備的實時控制和調節、數據采集及處理、安全運行監視[1-3]、數據通信、泵站運行維護管理、系統診斷等。

遠程監控通過以太網，將中控室內所有數據上傳至遠程端，管理人員可通過授權對泵站進行監視或控制。正常情況下，在中控室的操作員工作站上進行泵站設備的運行監視和控制。由值班人員控制和監視泵站的主要設備（例如泵組、線路、主變壓器、閥門、站用電等），可由計算機監控系統按運行值班人員設定的參數（例如流量、水位等）自動進行相關操作（例如開機、停機、閘門調節等）。各現地控制層LCU通過人機聯系中斷實現對所監控設備的監視和控制。為實現設備的現地、遠方切換和現地手動控制，各系統的現地控制柜上設有控制開關以及操作按鈕[1]。系統功能如圖2所示。

3.3.4 視頻監控系統。通過視頻來觀察進、出水池水位、閘門位置、主機房以及變電站等處設備的運行狀態。系統通過前端高清球形攝像機進行視頻信號的采集，然后通過網絡交換機將圖象數據傳輸到硬盤錄像機和遠程客戶端，硬盤錄像機將實時畫面進行顯示，同時根據設置進行錄像，操作人員也可以通過硬盤錄像機和遠程客戶端調整鏡頭，按照需要進行不同方位的監視。視頻監控系統結構如圖3所示。

監視功能、錄像功能、回放功能、報警功能、管理功能構成一個高度安全、性能集中的網絡數字監視系統。實時監測泵站機組設施的安全運行狀態及潛在和突發的安全隱患，若發生事故，攝像機記錄的圖像能提供有力的現場證據，便于事后分析原因。

3.3.5 軟件系統。①操作系統。操作系統采用Microsoft中文Window7操作系統。Window7中文版操作系統具有實時多任務、功能強大、多用途的特點[1-5]。②數據庫。對于數據庫管理和兼容[1-4]，采用SQLSERVER數據庫管理系統。③監控軟件。系統監控軟件采用WlndowsControIConter（視窗控制中心）（簡稱工業組態軟件軟件wincc）。它集成了先進技術（例如SCADA、組態、腳本（Script）語言和OPC等），為用戶提供了Windows操作系統（Windows7或XP）環境下使用各種通用軟件的功能。WINCC是完全開放的系統，支持DDE、OLE、ACTIVE X、ODBC、TCP/IP、OPC等各種軟件工業標準[1]，作為共享的基礎，并提供一組進行二次開發的工具和手段。充分采用客戶/服務器體系結構，使監控系統能夠提供數據在網絡上的全面集成和共享[1-4]。系統監控軟件除了提供包括實時/歷史趨勢、報警、畫面編輯、報表、關系數據庫直接組態登錄的基本功能以外[1-4]，還有多種可選項（例如SPC，服務器冗余，RECIPE，WEB GATEWAY，TRACK，PAGER，多種PLC/DCS通訊驅動程序，歷史數據分析等）。

4 結語

通過泵站自動化監控系統的建設，可實現“無人值班，少人值守”的目的。操作人員只需通過上位機和視頻實時監控，就可以實時掌握泵站運行情況，改善了操作人員的工作條件。通過對設備參數、運行參數及歷史數據的分析，可優化泵站設備的運行和管理，提高運行效率，降低運行成本；通過對泵站運行過程的實時監控，最大程度地預防和避免事故的發生，保證泵站運行的可靠性和安全性。

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