泵站自动化智能监视\控制系统设计

来源:用户上传      作者:

　　1工程概况
　　泵站在防洪、排涝和抗旱减灾，以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用。另外，泵站为耗能大户，节能和节水问题一样重要。因此，泵站的经济运行和优化管理就显得尤为重要。
　　为改善天津市的投资环境和生活环境，促进经济和社会可持续发展，近年来天津市增建了大量的污水、雨水、地道泵站，目前天津市政辖区泵站数量已近200座。污水、雨水、地道泵站数量多、分布广，使得日常维护费用呈不断增长趋势。如何利用现有的科技手段，制定、实施泵站及值班人员调度策略，迅速排除设备故障，提高系统运行和维护质量、降低运行及维护成本，成为信息管理的重要课题。
　　天津市政顺应现代科学技术发展的潮流，提出了泵站自动化建设和改造，实现对众多分散在广阔地域的近200座泵站进行分散控制、集中管理的 “三位一体”的创新管理模式。充分体现了“集中管理、分散控制、多层分级”的现代化控制和管理理念，以利于最大化地提高效益、节约成本，适应排水管理企业化、市场化运作的需要。
　　2网络通讯系统
　　2.1通讯网络设计原则
　　通讯网络，特别是工业控制用网络，作为信息传输的“高速公路”，我们在进行设计组网时，充分考虑以下原则：
　　 可靠性原则
　　确保当任意分节点出现故障时均不影响主干网的运行，同时系统的通讯状态可通过监控软件自动发出报警。
　　为全面保障通讯网络的可靠性，天津泵站监控系统通讯骨干网及网络设备按照工业环境条件设计，选用工业级的产品和网络构架。
　　 安全性原则
　　确保网络上所有监控主站能够安全地获取信息，并保证信息的完整性和正确性。具有有效防止非法入侵的措施，确保网络的安全性；具有“容错”设计，保持本地网络的安全性；推荐采用电信广域虚拟网，网络的安全性能得到充分保障。
　　 先进性原则
　　采用先进成熟、开放的以太网技术，替代传统的低速、封闭的总线技术。
　　采用工业级的网络产品，替代“办公”级的网络产品。
　　 扩展性原则
　　确保核心设备具有容错处理，网络设备有良好的扩展性，将来系统扩建时能够平滑升级。
　　网络容量配置首先按照天津泵站监控系统的实际需求，再预留适当的容量和相关软硬件接口，以便为将来扩展使用。
　　2.2现场总线网络设计
　　针对天津市泵站监控系统的特点设计了该控制系统的通讯网络，共分三层：
　　第一层是现场总线网络层，采用PROFBUS协议通过通讯总线连接配电柜的电量采集仪表与嵌入式泵站数据服务器进行通讯。
　　第二层为广域虚拟通讯网，采用电信光纤广域虚拟网，构建天津排水管理系统的Intranet网络，实现泵站现场PLC控制系统与泵站区域分控制中心或中央监控系统的通讯，考虑到传输的数据主要是设备状态和泵站过程参数等，另外还需要传输网络音视频信号。由于数据量较大，采用光纤网络通讯技术与之建立网络连接。使用光纤传输网，传输速度快，可靠性好，实时性好；系统组网极为方便，只需配置交换机，一次性投资省。网络其他接入设备及网络维护全部由网络运行商负责，并提供免费终身维护。
　　通讯总体网络系统推荐采用电信广域虚拟网，各泵站控制主站通过光纤网络接入电信广域虚拟网，各区域控制中心或总监控中心通过光纤接入电信VPN网络。利用现有的电信宽带业务，进行数据通讯。
　　其中部分地下式泵站由于数据量比较少，可以通过GPRS无线方式接入区域控制中心或总监控中心。泵站各控制主站站点作为分支节点，监控中心作为网络中心节点，负责管理整个网络系统。
　　 图1通讯总体网络系统网络结构图
　　本设计的主干网络采用工业以太网网络结构，网络扩展极为方便。网络增加节点或减少节点，均不影响监控系统的正常运行，不会导致网络中断。网络节点增加时，只需简单地敷设光纤到节点位置，接入光连模块，完成参数设置，系统扩展即告完成
　　第三层为管理网络，为整个系统的最高层，由分控制中心或中央控制中心的管理局域网组成。管理网络可以和办公自动化系统以及GIS系统或其他功能子系统连接，实现泵站控制系统调度、系统决策支持等高级管理功能。
　　中央监控系统可以自动检测控制中心与各泵站监控系统的通讯状态是否正常。当与泵站监控系统的通讯失败（电脑断电、电缆断开等）时，系统可以自动检测并发出通讯失败的指令，并可在监控画面上以不同的形式（如文字、声音、闪光灯等）显示。
　　3监控中心计算机系统
　　 中央控制计算机系统应建立在开放的、可靠的网络环境中，系统中的硬件和软件都具有可靠性、开放性和先进性。配置运算速度快、存储量大的品牌计算机。采用基于客户机/服务器结构的WINDOWS 2000操作系统, 使用工业监控软件作为开发平台，在此平台上设计开发操作简单的专用泵站监控软件，满足用户需求和技术要求。
　　
　　 图2 系统结构示意图
　　根据天津市泵站的实际情况，可以组建一个大型的中央监控室，同时根据泵站的性质可以分成三个区域监控中心，即为污水泵站监控子中心、雨水泵站监控子中心以及地道泵站，每个区域监控中心负责监控50-60个泵站。或者根据地理位置的不同，可以在不同的区域设立多个区域监控中心。
　　设置区域监控中心后，各区域监控中心可使得各区域监控中心数据能够独立处理和存储，既可以提高管理系统的效率，还可以提高系统的可靠性，有利于管理和操作。
　　4现场PLC控制站
　　4.1自控的构成系统
　　根据泵站工艺的要求，天津市泵站自控工程自动化控制系统采用三级过程控制系统。
　　过程检测仪表采用4~20mA标准信号。现场控制系统以PLC控制系统为核心。
　　整个自动化工程由中央监控系统、各个污水泵站分控制系统、光纤网络通讯系统和CCTV图象监控系统、现场检测仪表系统及水泵、电动闸门等现场设备组成。
　　4.2 PLC控制站的构成设计
　　1、能实现污水、雨水、地道泵站现场工艺操作单元的全自动控制，监控中心集中管理，达到少人值守或无人值守的目的。
　　2、完全实现各水泵的最优运行。
　　3、自控技术达国内先进水平。
　　4.3 PLC控制站的主要功能
　　4.3.1系统特点及功能
　　 手动控制模式： 当泵站检修或手动工况，由人工操作泵站的RTU上的控制扭，起/停相应的设备。
　　 自动控制模式：当泵站在自动控制方式时，泵站就地RTU采集现场数据（如液位、流量、压力、PH值等），经分析处理后，起/停相应的设备；并根据各个水泵的累计工作时间，排列水泵的优先起动级别，提高水泵寿命。自动开/关闸门，定时自动起/停格栅机，清除井内垃圾。
　　 触摸屏控制模式：系统可选配触摸操作屏，在触摸屏上可以很方便直观的控制泵站内的各种设备。
　　 遥控模式：当下层设备打在遥控模式时，在中控室内，点击各设备的相关命令，可以控制下层设备。系统无论工作在哪一种方式，遥测、遥信联系不会中断，各种数据都可及时发往中心站。
　　4.3.2控制采集功能
　　数据采集通过现场PLC的数据采集模块（DI、DO、AI、AO）、或远程I/O模块，把采集到的原始数据由PLC处理，用来控制泵站各个设备或者把数据上传给中控室。
　　实时采集各泵站的技术参数，实时监测到的数据可以用图形画面、曲线表格的形式在操作面板上直观地显示出来，这时此数据可实时传送给中心调度室。
　　4.3.3监视报警功能
　　 通过控制站内设仪表监视盘，实时监视各电压、电流、流量、液位、压力、水温和PH值等，同时超限报警，PLC对实时采集的设备故障状态输出报警信号，闪光报警器报警，同时反映到中心调度室报警。

　　 实时故障报警
　　实时接收设备和系统运行参数，如超出报警阈值，系统立即给出可视可闻的报警，使操作人员以最高效率排除故障。当同时产生多组报警时系统将依报警优先级及发生的时间顺序，自动换页至报警发生画面供操作人员确认，以迅速排除故障。同时显示故障的地点、时间、类型，提高操作人员处理报警的效率。
　　 报警级别:
　　事件通知、一般故障、紧急事故等。紧急事故最优先。报警优先级分多级，操作人员可在系统组态时自行定义报警输入点及报警限值。
　　 报警处理
　　事件通知：表示系统中发生了应注意的事件，如某一设备的启动或停止等。计算机将显示提示信息提醒操作人员注意。操作人员不需对此确认。
　　一般故障：表示系统中发生设备故障需要排除，但不至有重大危险。发生一般故障报警时，若相关参数不在当前显示画面上，画面将弹出小型提示窗口，提示故障内容，直至操作人员按下确认键。反之则相关参数项变为红色闪烁，直至操作人员按下确认键。同时，计算机将以中文语音报告事故内容。
　　紧急事故：表示系统中发生重大危险事故，需立即进行处理。发生紧急事故报警时，无论操作者正在观察那一画面，系统将自动切换至该报警点所属的显示画面，并将该告警点以红色闪烁。同时计算机将反复以中文语音报告事故内容，直至操作人员按下确认键。
　　 报警记录
　　各级报警的发生、确认及回复正常均可记录于计算机文档中，以备随时以按键方式查询以及备案。报警记录包含时间、设备名称及状态（譬如：警报发生、警报确认、回复正常）等。
　　4.3.4自控系统特点：
　　 泵站控制结构配置：可编程序控制器及开关量、模拟量输入、输出模块；通讯模块；电源模块；现场检测、显示仪表、触摸屏、RTU控制柜构成。整个自控系统具有以下特点：
　　网络和通讯为设计的核心；
　　人机界面的设计关键是人与计算机之间准确流畅的交换信息；
　　各个现场的数据必须准确实时的与系统进行有效的通讯。
　　4.3.5现场PLC自动控制：
　　各单体工程现场控制主要由PLC来完成。根据现场要求，通过PLC控制器实现对整个工艺过程、电气设备的实时监控。PLC控制器通过采集现场仪表的实时数据和控制设备的状态信息，实现过程控制、顺序控制、连锁控制及设备的开、关、停和格栅、恒液位变频控制潜水泵厂家提供的PLC通讯等各种任务。达到现场“无人值守”情况下，各设备的全自动运行。
　　在本系统中，PLC主要有两大功能：
　　（1） 将各工艺部分的各类仪器、仪表采集的数据进行比较、运算，以达到各受控设备的自动运行、故障保护等功能，满足工艺的要求。
　　（2）将各受控设备的运行数据上传至上位机。
　　4.3.6触摸屏控制
　　1）通过触摸屏进行控制方式选择、所有泵站设备参数设置、以及管理密码设置和修改。
　　2）主界面显示泵站主要设备的运行状态和故障实时监控，画面简洁，清晰；通讯指示灯显示PLC和中控室计算机之间的ADSL网络连接状况，当通讯异常时，会自动转入PLC全自动运行，保证泵站正常运行；报警指示灯亮时，说明设备异常，给值班人员提示，同时报警信息会自动被记录并归档，予以查询，提高管理功能。
　　3）参数设置是泵站正常运行的关键，只有所有的参数正常设置的情况下，才能保证全自动按照人的意志去执行，所以参数一定要符合工艺要求，而且不能漏置。
　　4）操作界面简洁方便，所有设备控制都可在触摸屏内实现开、关、停。为防止误操作，可将确认对话框放在另一屏。
　　5）所有的泵站参数监控界面，可查看泵站电流、电压、功率、功率因素、电量等参数；也可查询设备的开停状态、故障信息等状态；以及其主要参数。
　　6）查询实时报警信息，便与维护人员维修。
　　7）密码设置及修改便于管理人员设置权限。
　　8）显示流量、压力、液位等参数的曲线图，直接美观。
　　9）当触摸屏长时间处于不操作状态时，可从操作状态退出到屏保程序中，防止恶意操作，又保护触摸屏。
　　5仪表系统
　　为了保证泵站运行的安全、可靠，仪器检测仪表应选用经多个工程运行考证性能稳定、可靠、维护方便。
　　仪表大部分采用4―20mA DC信号或通讯方式。
　　所配置的仪表中，智能仪表具有校正功能、自诊断功能、信号保护功能、以及故障报警功能等。因此操作使用方便，操作人员可以及时查询和维护。
　　仪器、仪表是泵站自动化的关键设备之一，仪器仪表的配置遵守可靠、先进、合理的原则。
　　6防雷系统
　　雷电和浪涌电压成了电子化时代的一大公害。为了减少雷害，需要采用可靠的防雷措施。所有进出受保护区的金属线路（如电气线路、信号线路、天馈线路），如果有接入到受保护的设备，原则上都有可能引入雷电波高电压脉冲，使要保护的设备处于危险状态，所以在这些线路上都要加装过压保护。所有的保护器都要可靠接地，以保护雷电能量有泄放通道。
　　电源防雷
　　为了更有效地保护好电视监控设备设施，本着"安全可靠、技术先进、经济合理"的指导思想进行规划。
　　电源按三类防雷保护：对监控机房内的画面分割器、主距阵等重点设备、其它区摄像头供电变压器处及红外报警器前采用防雷器防护脉冲过压。
　　 信号系统防雷防过压保护
　　 从室外进入监控机房的视频线及数据控制线路，大都暴露户外，而且走线较长，最容易遭受雷电感应产生强大的感应电流，从而通过线路损害连接设备及其后接设备。为此：1）在室外摄像机的端口处和画面分割器的端口处分别加视频信号防雷器对设备进行保护。2）对控制云台数据线在云台控制器的端口前加装信号防雷器对控制设备进行保护，从而保障数据通讯正常工作。
　　 3）对控制红外探头数据线在报警器的端口前加装信号防雷器对报警设备进行保护。
　　 等电位连接措施
　　在监控中心机房防静电地板下，沿着地面上布置紫铜排，形成闭合环接地汇流母排。将配电箱金属外壳、电源地、避雷器地、机柜外壳、金属屏蔽线槽、门窗等穿过各防雷区交界的金属部件和系统(设备的外壳)，以及对防静电地板下的隔离架进行多点等电位接地就进至汇流排。并采用等电位连接线铜芯线螺栓紧固的线夹作为连接材料。同时在机房找出建筑物主钢筋，经测试确与避雷带连接良好，用镀锌圆钢通过铜铁转换接头将接地汇流母排与之连接起来。同时将室外摄像机的金属支架用镀锌扁铁与建筑物主钢筋连接起来，形成等电位。
　　 数据传输防雷保护
　　数据传输系统都是工作电压较低的弱电设备，耐过压能力低，传输信号易被干扰。因此，必须安装防雷器进行保护。如在摄像头到视频信号接收机及摄像头到控制信号接收机这段传输线，易感应上雷电流，应在摄像机后端、接收机前端各串接一只同轴视频防雷器进行保护，防止系统信号受干扰和中断。
　　网络与通信系统都是工作在电压较低的弱电设备，耐过压能力低，传输信号易被干扰。因此在与外界连接的线路接口处都应采取防雷保护。另外在小型机等贵重设备的进线接口处，应加装精细级防雷保护器，防止线路中雷击低电流击坏精密设备。
　　根据IEC防雷要求，将信号线路的防雷保护分为粗级和精细级保护。为了安装方便、减少接口、降低插入损耗。因此，在信号防雷器选择上要选用性能参数好的产品。
　　7实例
　　天津市排水管理处2011年信息化建设重点项目“天津市排水泵站远程监测控制系统”于9月2日正式启动。
　　“天津市排水泵站远程监测控制系统”项目实施后，将实现一个主控中心、十一个分控中心和全市已具备自动化程度的重要泵站现场控制的三级控制模式，实现对自动化泵站实施数据采集与远程自动化控制，对泵站现场情况实时视频监测，泵站运行数据能通过专有网络实时传输到主控中心及分控中心，在两级中心完成泵站的实时调度。今年将在调度指挥中心建立主控中心，在排水一所、排水三所、机修所分别建立三个分控中心，并将若干座泵站经过改造后接入控制平台，实现远程控制、科学调度。
　　该项目在筹备阶段已完成实地调研、可行性研究报告、初步设计审定及招投标等工作，在机修所和排水三所的不同类型泵站进行了模拟平台的搭建和试运行工作，为今年项目的顺利实施提供了有力的技术保障。该平台的搭建将进一步提升排水管理处泵站管理自动化、信息化水平，达到系统调度、科学运行的目的，并能缓解我处泵站一线职工不足的压力，提高市区泵站运行及防汛排水的效率。
　　

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-561460.htm