無人值守泵站自動化控制系統的技術探討

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的基礎配置，能有效地保證農業灌溉和城市居民用水的要求，因此探討無人值守泵站落實自動化控制系統對供水管理單位的發展和進步是十分重要的。目前最常見的就是利用相關計算機軟件對泵站系統進行遠程控制、運行狀態監控以及實現泵站的自動化運行。隨著目前中國居民對供水質量以及穩定性的要求不斷提高，中國的人力資源成本也在逐年上漲，因此無人值守泵站自動化控制系統具有極強的發展前景。

1 實現無人值守的基礎要求

由于泵站的運行質量直接關系到城市居民的用水質量以及用水穩定性，所以實現無人值守的基礎要求具體為：①泵站自動系統PLC 控制程序應該滿足自適應閉環控制的各種要求，其安全保護和容錯邏輯應該進一步加強。也就是說，在落實無人值守泵站工作的過程中，工作人員應該先保證無人值守泵站的基礎功能運行，避免出現由于自控系統失控或者是泵站遠程控制失控從而導致泵站運行質量下降，影響居民的實際用水質量的現象[1]。②要建設良好的機泵設備健康狀況實時跟蹤監測系統，以有效地幫助工作人員實時對機泵設備進行全面的監控，發現問題時，應該及時采取相關處理措施對機泵設備進行管理，從而保證居民用水。③配置良好的視頻監控系統，保證上級監控中心對泵站現場狀況的實際掌控。上文中提到的機泵設備健康實施跟蹤系統往往是需要感應元件來對健康情況進行監測，而這里的視頻監控系統是上級監控中心對機泵設備的運轉環境進行良好的監控。④配備泵站日常維護以及應急搶修的機動隊伍和相關制度，通過這種方式來有效地保證泵站的健康運行，在泵站運轉出現問題時及時對其進行搶修，從而有效地提高泵站的運行質量和效率。

2 無人值守泵站的自動化控制系統配置要求

城市內部無人值守泵站的自動化目標實現一定要滿足2 個要求：①自動化控制系統具備對泵站的運行數據進行監測和遠程控制泵站操作的功能；②自動控制化系統自身具有良好的自檢功能以及控制可靠性[2]。運行監測和遠程操控的可靠性能有效地保證泵站的無人值守正常運行，即使出現了小的狀況，工作人員也能通過遠程操控系統對泵站設備進行調整，進而有效地提高泵站的運行質量。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，對泵站的高質量運行和運轉能夠起到積極的促進作用。

2.1 網絡控制技術

網絡控制技術是無人值守泵站自動化控制系統中的重要構成部分和基礎構成部分。目前無人值守泵站最常用的網絡控制技術就是使用工業控制以太網協議。工業控制以太網技術就是利用控制與信息協議來對工業設備進行控制的一種技術，其是由國際相關標準以及中國相關控制網絡共同推出和研究的符合行業發展要求的技術標準，工業控制技術能夠利用現階段較為成熟的通訊芯片、電子元件以及物理設施，在工業生產過程中使用相關協議以及技術標準，將工業網絡的技術優勢和以太網應用的經濟優勢結合在一起。工業控制以太網技術具備3 個最基礎的功能技術：①實時控制技術。實時控制是遠程操控技術能夠具體落實的基礎，因此實時控制技術的落實能有效幫助泵站實現設備的及時操作以及管控，在泵站運行過程中，工作人員能通過工作中心根據實際泵站設備的運行情況來對設備進行調控，這樣一個工作人員能夠負責多個泵站，進而有效地降低了泵站運轉過程中所需要的人力資源成本。②網絡集中控制功能。也就是要求泵站在運轉過程中能夠允許中心位置啟動工業網絡或者是處于網絡中的某個具體設備設施，啟動其他基于工業網絡的工業控制協議網絡。工作人員能在網絡啟動時對網絡設備進行組態，在線修改設備參數，或者工作人員能通過網絡修改PLC 程序，不要將編程工作從一個網絡轉移至另一個網絡，所以能夠提高技術工作人員工作的質量和效率。③數據采集功能。無論是無人值守泵站的運行還是需要人工值守泵站的運行，其運行的數據都是泵站之后操作的基礎。所以數據收集工作是極為重要的，數據采集功能能夠實現趨勢和分析、配方管理、系統維護以及故障診斷等目標，同時在整個數據采集的過程中都不需要PLC 參與數據流量控制。

2.2 PLC 控制技術

泵站PLC 系統是現階段泵站自動化運轉過程中常用的一種技術，其主要的作用就是對泵站內部的儀表和設備進行監控和檢測[3]，工作人員能通過局域網絡或者是泵站管理網絡對泵站內部的相關設備進行監督，其監控內容主要有：①對泵房機組根據PLC 指令實現機組開關的統一化閉環操作，不需要人工對其進行干預；②泵站水量需要能根據管網壓力大小實現自動調節；③泵站內部的水泵機組能夠結合既定程序實現自動化切換的目標，進而保護輸泵機組設備的健康；④對水泵的進水流量以及出水流量數據進行讀取，查看監控泵站流量和既定流量數據是否相同；⑤通過數據模塊來及時接收各種電子感應器件的信號，如進線斷路器、聯絡斷路器以及其他電流電壓等因素監控軟件的相關數據；⑥通過通訊模塊來實現水泵站內部的各元件之間進行信息交流和信號采集；⑦及時接收水泵的溫度信息，設定好預警值，對水泵電機和內部相關設備進行保護，同時水泵也能根據內部工作設備的實際情況來進行保護調節。

2.3 泵站操作平臺技術

泵站的操作平臺是工作人員來對泵站設備運行狀態進行監督和控制的直接接觸介質，無人值守泵站操作平臺既能夠安裝在臺式計算機電腦中，也能夠安裝在手機或者是平板電腦等移動信息終端中來對泵站進行管理和監測，相較于臺式計算機，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間的限制，更好地提高對泵站的監督和管理質量[4]。

泵站的操作平臺主要實現的功能有：①工作人員能通過平臺監控泵站的運行數據，如水質參數、瞬時流量等，自動保存一些較為重要的數據。這樣一旦遇到通訊故障時，能通過變化情況以及計算模型來對泵站的實際運行狀態進行預測，在通訊恢復之后，將相關重要參數打包發送給監控中心。②能按照既定程序和運行模式對泵站進行全自動閉環控制，如調節水泵、閥門開閉等操作。③能實現自動越限保護處理，及時上報參數越限情況以及故障信息。對于自帶PLC 的智能設備，能通過通訊系統讀取數據進行上報。④對于一些故障問題，能夠實現自我保護和處理，比如在實際使用泵站操作平臺的過程中，如果出現電流預警或者是設備故障的信息，平臺能夠及時斷聯，通過這種方式來保護泵站以及平臺。平臺內置了可靠的系統安全措施，具有良好的保護口令，除了直接管理人員，其他人不能進行越權修改程序，從而能有效地保證泵站的正常運行，為城市居民穩定供水。

3 無人值守泵站自動化控制系統技術

3.1 采用冗余PLC 結構

冗余模塊間能通過高速光纖實現信息以及操作的同步，冗余功能完全依靠冗余模塊硬件來保證，主備控制器的切換時間應該控制在1 s 之內，盡可能縮短主備控制器的切換時間能有效保護泵站的運行安全[5]。PLC 機架電源使用冗余外置電源的方式，共同供電給PLC 機架，這樣能有效保證泵站自動化控制系統正常運行，另一部分泵站使用獨立PLC 結構，基于PLC 設備以及系統的可靠性，能夠滿足泵站運行安全穩定的要求[6]。需要技術工作人員注意的是，在實際落實工作的過程中，要通過獨立架構的形式來對冗余結構進行設置，這樣一旦在實際泵站運轉過程中出現故障或者是斷電現象時，能有效地實現主備控制器的切換，避免對供水泵站的實際供水質量和效率產生不良影響。

3.2 具備容錯性能的控制系統

當前中國無人值守泵站使用的容錯系統主要是被動式容錯的程序，也就是工作人員在實際設計無人值守泵站的過程中先考慮了各種可能出現故障的情況，針對各種錯誤情況進行容錯設計和應急處理[7]。這種程序的使用優勢就是在發生故障或者時錯誤時，自動化控制系統能直接對相關內容進行操作和處理，無需使用在線故障診斷，進而能夠縮短處理故障以及錯誤的時間，保證泵站的安全運行。但是這種技術的使用劣勢就是一旦遇到沒有預先想好的故障或者是錯誤時，可能就會出現報錯系統、預警系統以及處理系統故障。主動容錯控制系統就是在故障發生后通過控制器參數的調整來實現控制器對控制頻率的重新構建，從而保證整體的應用質量。所以對于目前使用的容錯控制系統而言，應該強化主動容錯控制力度，可通過對原始信號的前端清洗以及設計實現控制邏輯的寬容算法。

4 泵站視頻監控系統和自控系統的聯動技術

單獨的視頻監控系統應用和自動控制化應用范圍是有限的，不能充分滿足無人值守泵站安全運行的要求，因此應該建立泵站視頻監控系統和自動化控制系統的聯動機制，通過這種方式來充分發揮視頻監控系統的監控作用以及自動化控系統的控制管理作用。視頻監控系統應該對泵站的重點環境、主要設備現場、人員操作以及事故隱患等進行實時的監控，并且將視頻監控系統和自動化控制系統進行連接，要求在自動化控制系統報警和調整時，視頻監控系統能夠對需要調整的位置進行及時的監控。工作人員能夠在泵站目前現有的視頻監控體系中，將攝像頭接入局域網，使用視頻設備提供的開發包編制和泵站自動化控制系統的接口程序，通過這種方式來接收來自PLC 系統的報警。當PLC 系統在工作中檢測到故障或者是設備動作時，應該向視頻監控系統發送信息，由視頻監控系統監督報警點以及動作設備位置，實現泵站視頻監控系統和自動化控制系統的聯動。

5 無人值守泵站遠程控制技術的應用

最后就是要強化無人值守泵站對遠程控制技術的應用。無人值守泵站應該在泵站監控中心的可控范圍內，所以對遠程傳輸網絡的通信質量和速度具有極高的要求。比如現階段相關泵站管理部門能夠使用5G 網絡技術來實現泵站內部的數據信息快速傳遞目標，將泵站運行的監控信息及時傳遞給監控中心。在實際使用遠程控制技術的過程中，由于泵站設置的環境各不相同，同時泵站設置的主要目標也不同，所以數據信息傳輸的數量較多、密度較高，而且傳輸量相對較大。在這種背景下，泵站內部設備很容易受到城市中的諧波影響，所以會增加數據傳輸的丟包漏包現象。因此在實際遠程控制系統設計的過程中，應該根據泵站所處的環境合理選擇設備，選擇應用較少的波段進行數據傳輸。比如說在有條件的情況下，使用2 種通信通道，通過這種方式來滿足無人值守泵站對遠程通信和控制系統使用的要求。或者相關技術人員在泵站內部建立良好的抗諧波干擾器，通過這種方式來降低城市中諧波對泵站自動化運行的影響，從而有效提高泵站運行工作質量和效率，為中國無人值守泵站的發展奠定堅實的基礎，提供鮮活的例子。

6 結束語

總而言之，無人值守泵站是一個集自動化技術、視頻傳輸技術、視頻監控技術、網絡技術以及遠程控制技術于一體的綜合性工程，所以除了需要建設良好的自動化控制系統之外，還應該建立配套的管理制度以及規范業務流程，通過這種方式對泵站的設備、自動化水平、人員素質以及管理制度進行良好的應用，有效地保障泵站的應用質量，滿足居民用水需求。