城市一體化泵站監測控制系統設計應用

王 霞

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

長期以來各泵站和自來水處理廠自成體系、獨立運行，形成了一座座信息孤島。存在管理完全依賴人工、信息傳遞不及時，經常造成各種運維故障、管理難度大、執行效率低等問題。所研項目設計開發了某城市一體化智能泵站控制系統，該系統應用數據挖掘、數據分析、數據處理等技術，實現了遠程泵站的無人化值守，使得信息傳輸效率和執行效率大為提高，同時降低了人員和管理成本。

1 城市一體化智能泵站控制系統構成及功能

城市一體化智能泵智能監測控制系統負責對分布在蘭州各處的10多個泵站進行無人值守化管理控制，系統由遠程控制中心、本地泵站控制子系統、本地泵站安防系統三部分組成，如圖1所示。遠程控制中心負責對管轄的各個一體化泵站的各種數據進行采集監控，自動生成歷史趨勢圖、數據總覽表、流量報表；對各種提升泵和電動閥進行操作和管理；對各類用戶進行權限管理；對設備運行視頻系統、泵站安防視頻系統、圍界系統、門禁系統、感煙報警系統、安全報警系統等運行信息進行管理，實現各個泵站應用子系統的綜合顯示、聯動調用。

圖1 城市一體化智能泵站控制系統的構成

本地泵站控制子系統負責對三臺水泵、一臺格柵電機、一臺電動閥進行啟?？刂?，對泵站的出口壓力、流量數據、液位數據進行實時采集，設定壓力和泵用變頻器之間用PID調節。本地泵站安防系統由圍欄入侵偵測、攝像頭視頻動態偵測及紅外溫度檢測、門禁系統入侵檢測、環境系統檢測等幾部分組成，實時對一體化泵站的實時工作狀態進行監測，一旦發現異常立即向遠程服務器發送報警信息。

2 城市一體化智能泵站控制系統實現過程

2.1 遠程管理控制中心綜合管理系統

遠程管理控制中心監控系統為綜合管理系統，分為通信系統、綜合監控系統、環境監測系統、火災檢測和報警系統、視頻監控系統、IP電話系統、入侵檢測系統、門禁系統以及監控計算機系統等。通信系統實現各泵站與遠程管理控制中心、泵站監控計算機之間的通信傳輸，本項目采用光纖通信；設備綜合監控系統以PLC可編程邏輯控制器為核心，對各泵站內設備進行狀態監測和控制；環境監測系統實現對各泵站內環境參數和狀態全程監控，包含有害氣體(H2S)監測和溫濕度監測；火災檢測采和報警系統對泵站內部電力電纜橋架和電氣柜內溫度進行在線監測；視頻監控系統對各泵站進行視頻實時監測；IP電話系統實現遠程監控中心與各泵站語音對講功能；入侵檢測系統對各泵站進行人員入侵檢測和報警功能；門禁系統實現人員人臉識別或指紋安全進入，亦可遠程開門；監控計算機系統用西門子公司的WinCC組態軟件進行開發，對各泵站的各種數據進行采集監控，自動生成歷史趨勢圖、數據總覽表、流量報表，對各類用戶進行權限管理。

2.2 本地泵站控制子系統

每個泵站的設備有1臺格柵電機、3臺水泵、一個電動閥、一個液位計、一個流量計、一個PLC程序站組成。PLC可編程序控制器對泵站的水泵和格柵電機進行控制，控制功能有：①參數設定(運行頻率上下限設定、對液位上下限設定、對管道出口壓力設定)；②狀態數據信息(遠程就地信息、電機狀態信息、閥門狀態信息、通信狀態信息、報警信息、液位數據、出口壓力數據、瞬時流量、累計流量)實時采集；③控制方式選擇(自動或手動)。

2.2.1 格柵、電動閥控制流程

格柵負責對泵站前端水中的異物進行過濾，電動閥在泵站的末端，當水泵起動后就應打開，向城市管網供水?？刂瞥绦蛑苯涌刂聘駯藕碗妱娱y的運行或停止，并對格柵和電動閥的停止狀態、運行狀態進行監測，一旦格柵或電動閥發生故障，立即向遠程服務器發出報警信息，格柵和電動閥的控制流程如圖2所示。

圖2 格柵和電動閥的控制流程圖

2.2.2 泵站水泵控制流程

在城市一體化智能泵站中，水泵的控制是核心。在本項目中有3臺水泵負責供水，根據當前供水管網的壓力、液位高度經優化計算，決定由1臺水泵或兩臺水泵供水，1臺或兩臺水泵最佳的工作頻率是多少；將最佳頻率設置成控制水泵工作的變頻器工作頻率，再根據液位高度和管道出口壓力是否滿足正常工作要求等條件，起動選定的水泵工作；水泵在工作過程中對其工作狀態進行檢測，如工作狀態正常，則進行工作狀態正常指示；如果液位、管道出水口壓力、水泵發生故障，則將該故障狀態送入故障診斷及處理程序，及時調整供水方案。城市一體化泵站水泵智能控制程序流程如圖3所示。

圖3 城市一體化泵站水泵控制流程圖

2.3 本地泵站安防系統

在城市一體化泵站中安防系統(見圖4)是重要的組成部分，在本項目中由環境監測系統、火災檢測和報警系統、視頻監控系統、IP電話系統、入侵檢測系統、門禁系統等幾部分組成。環境監測系統通過氣體、溫濕度探測器連接至泵站PLC設備采集模塊，有害氣體含量超標時，系統聲光報警，提醒遠程監控中心的泵站監控計算機工作人員采取相關措施?；馂臋z測和報警系統通過采用分布式光纖測溫或感溫電纜技術對加壓泵站內部電力電纜橋架和電氣柜內溫度進行在線監測；感溫感煙探頭對室內環境溫度、煙霧進行在線監測；信號送至測溫主機并通過RJ45接口采用阻燃網線連接至工業級交換機。當發生溫度異常或火災時，光纖測溫主機將實時溫度、火災發生位置、火災報警信號輸出至信息化監控管理平臺及火災報警系統，由火災報警系統完成相應的消防聯動。視頻監控系統實現視頻實時監測，錄像查詢等管理應用功能，監測范圍覆蓋加壓泵站所有重要節點，包括：人員出入口、通風口、泵池、高低壓配電室等，攝像機采用紅外監控技術， 能夠在無光照條件下清楚顯示現場畫面，監控中心系統可采用集中或分散存儲設備進行高清錄像存儲或調用。IP電話系統實現監控中心與現場語音通話，在監控中心內設置IP電話系統工作站、聲光報警器、IP網絡尋呼話筒，每個加壓泵站布設IP電話終端，IP電話系統工作站連接報警器控制盒和聲光報警器，對前端報警信號進行響應，同時負責對IP電話系統的管理。入侵檢測系統實現重要位置的人員入侵檢測和報警功能，在加壓泵站布設入侵報警主機，在人員出入口、泵池口、機械/自然通風口等重要位置布設紅外入侵探測器，當產生人員入侵情況時，設備接收到的紅外輻射電平變化，產生報警狀態并上傳，驅動報警響應。門禁系統實現人員人臉識別或指紋安全進入，亦可遠程開門。

圖4 城市一體化泵站安防系統流程

2.4 通訊程序控制流程

分布在各處的11個一體化智能泵站通過光纖、交換機和服務器通訊，每一個泵站擁有一個自己的IP地址。通訊程序的工作流程如下：首先設置通訊參數，通訊參數初始化，進行通訊檢測，判斷通訊是否正常，如通訊正常，則和遠程服務器進行信息數據通信，否則如出現通訊故障，則進行通訊故障指示。如圖5所示。

圖5 通訊程序控制流程圖

3 應用效果

此研究項目對分布在蘭州各處的10多個泵站進行無人值守化技術改造，工控系統的上位機，基于SIEMENS Win CC V7.3完成，共包括一臺服務器和兩臺客戶端，下位機由ABB 公司的AC500系列PLC進行控制現場設備。通過工控系統實現了壓力、液位、流量等數據的自動采集，格柵、水泵、電動閥等設備的自動遠程控制。安防系統采用大華安消一體化平臺，實現了泵站無人化值守。該項目通過上述改造投入運行以來，顯著提高了一體化泵站自動化、信息化、智能化程度，消除了信息孤島，提高了管理和執行效率，減少了操作人員數量，從而降低了運營成本和人工成本。一體化泵站單站主控畫面如圖6所示。

圖6 城市一體化泵站單站主控畫面

4 結 語

隨著泵站數量的增加，自來水供用成本也不斷增加，為了順應目前供水發展的趨勢，實現自動化管理，減少成本的投入，急需對泵站進行無人值守泵站升級改造，從而真正實現自動化，安全化，有效節約成本的

目的。通過遠程監控來對各個泵站進行實時管理，從而有效減少了工人們的工作量，提高了泵站的工作效率。泵站無人值守及建設數字化信息管理平臺是供水處理發展的趨勢，使得泵站的運行、管理和控制更加的準確[2]。