胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：針對(duì)我國城市泵站設(shè)備普遍偏舊，自動(dòng)化、信息化管理水平不高，有待實(shí)現(xiàn)泵站遠(yuǎn)程集中監(jiān)控等問題，提出城市系站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)參考模型，闡述了城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控親統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、開發(fā)思路、泵站現(xiàn)場(chǎng)拉制時(shí)象及設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心和各泵站通信、開發(fā)工具及監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)及要求。并扼要分析建立泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的效益。

關(guān)鍵詞:城市泵站 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 參考模型 計(jì)算機(jī)技術(shù)

1.城市泵站現(xiàn)狀

目前我國各大中城市的給水調(diào)水泵站、雨水泵站、排污泵站主要分散于城市城區(qū)，進(jìn)郊區(qū)及遠(yuǎn)郊區(qū)。生產(chǎn)運(yùn)行主要采用現(xiàn)場(chǎng)人員值守。些泵站建成及運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備老化；近年來建設(shè)的泵站，大多數(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制；也有少數(shù)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)泵站、*多幾十個(gè)泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控.采用的技術(shù)和設(shè)備參差不齊，效率、效果也不盡相同，例如有的泵站沒有自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)；有的選用的技術(shù)及設(shè)備陳舊，穩(wěn)定性差；有的泵站信息不能上傳，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等。這些都有待于采用更先進(jìn)的，成熟的技術(shù)和設(shè)備加以改造完善，實(shí)現(xiàn)所有泵站的自動(dòng)監(jiān)控。本文提出建立泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的參考模型，供商榷。

2.參考模型

參考模型示意如圖1所示。泵站監(jiān)控中心負(fù)責(zé)泵站生產(chǎn)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，并通過有線和無線的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和各個(gè)泵站信息的交換傳輸。具體介紹如下。

2.1泵站生產(chǎn)流程及控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)

泵站工藝流程如圖2所示，泵站自動(dòng)控制流程如圖3所示。從圖2、圖3可知，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型考慮了泵站生產(chǎn)控制的可能環(huán)節(jié)。包括入水流量和出水流量；集水池液位；集水池格柵前后液位差；集水池格柵前后液位差報(bào)警；泵站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括：每個(gè)泵的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，啟/停狀態(tài)、電機(jī)溫度、電機(jī)工作電流和電壓；軟啟動(dòng)器的工作狀態(tài)；變頻器的工作狀態(tài)；流量計(jì)、液位計(jì)、液位差計(jì)、浮球液位開關(guān)、溫度計(jì)、電流表和電壓表等的維護(hù)狀態(tài)；直接下達(dá)實(shí)時(shí)控制指令，控制泵站的運(yùn)行。

2.2泵站監(jiān)控中心

泵站監(jiān)控中心的作用主要是監(jiān)視和控制遠(yuǎn)方各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)泵站的生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)將各個(gè)泵站運(yùn)行狀況信息上傳有關(guān)管理部門，同時(shí)考慮未來工作的可擴(kuò)展性，應(yīng)選用以下設(shè)備：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、高清晰度彩色顯示器、針式打印機(jī)、不間斷電源、管理計(jì)算機(jī)、激光打印機(jī)、工作臺(tái)、文件柜、轉(zhuǎn)椅，消耗品、大屏幕投影屏、工業(yè)鍵盤等。同時(shí)建成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖4所示。

2.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信

泵站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為以太網(wǎng)，可達(dá)14/100Mh/,速率，主要由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成；監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如圖4所示),泵站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如圖3所示)及各泵站和監(jiān)控中心通信系統(tǒng)。前兩者分別為100Mb/s以及網(wǎng)及10Mb/s以太網(wǎng).各泵站和監(jiān)控中心通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信方式很多，可只據(jù)監(jiān)控泵站的數(shù)量、系統(tǒng)所在地的通信條件等諸多因素來確定，主要有兩種類型：①有線：包括光纖.公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PSDN、ISDN、電話撥號(hào)等；②無我：包括電臺(tái)、微波、擴(kuò)頻微波及衛(wèi)星。考慮到泵站點(diǎn)多而且分散的特點(diǎn)，采用無線通信方式為佳，如圖5是種典型的無線微波通信方式，采用此無線通信方式，連接到各個(gè)泵站的速率可達(dá)到2Mb/s以上，*新，“品可達(dá)11Mb/s.可以滿足泵站網(wǎng)絡(luò)通信的要求。

2.4泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件

泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：一是對(duì)下屬各泵站(可擴(kuò)展)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視、控制；二是對(duì)下屬各泵站(可擴(kuò)展)的日常生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行管理。

(1)計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理程序。實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)置；完成對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組態(tài)：監(jiān)控生產(chǎn)作業(yè)過程，包括：顯示控制過程畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖；顯示重要設(shè)備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)；輔助管理日常生產(chǎn)業(yè)務(wù)，提供決策參考。

(2)事故報(bào)警。生產(chǎn)過程中的檢測(cè)量超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警顯示，并通過報(bào)警打印機(jī)打印輸出，形成記錄文件；生產(chǎn)過程中的自動(dòng)狀態(tài)下的控制設(shè)備發(fā)出故障信號(hào)或失去控制時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警顯示，并通過報(bào)警打印機(jī)輸出，形成記錄文件；報(bào)警數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)以備事后分析。

(3)數(shù)據(jù)存檔和生產(chǎn)報(bào)表。系統(tǒng)自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，通過報(bào)表打印機(jī)打印輸出，形成生產(chǎn)記錄文件，并且文檔可由EXCEL進(jìn)行自定義處理，或用其它工具軟件進(jìn)行處理；具有時(shí)間和事件控制存檔；可與其他Windows程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。

(4)人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)。人機(jī)操作界面是整個(gè)系統(tǒng)與用戶之間交流的窗口，它提供一種直觀的圖形化的功能實(shí)現(xiàn)，整個(gè)操作界面為層次漸進(jìn)風(fēng)格：*一層為城市所有泵站的分布圖，主要顯示信息說明：總進(jìn)水量、總出水量及各泵站總體狀況(正常、超載或關(guān)閉)等。*二層為各個(gè)泵站的工藝流程畫面，主要顯示信息說明：該泵站的總進(jìn)水量、出水量及其各個(gè)設(shè)備的總體狀態(tài)(正常、超載或故障)等，控制窗口提供對(duì)該泵站啟動(dòng)/關(guān)閉等控制。*三層為泵站中各個(gè)具體設(shè)備的工作狀態(tài)、歷史記錄顯示，主要顯示信息說明：集水池：液位、液位報(bào)警；粗格柵系統(tǒng)：粗格柵前后液位差、液位差報(bào)警；細(xì)格柵系統(tǒng)：細(xì)格柵前后液位差、液位差報(bào)警；泵：所用泵的編號(hào)，電機(jī)的溫度、電流和電壓，啟或停，正常或故障，電機(jī)報(bào)警；軟啟動(dòng)器：正?；蚬收希瑔?停，報(bào)警?？刂拼翱谔峁?duì)該設(shè)備啟動(dòng)/關(guān)閉及維護(hù)等控制。

3.社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益

通過建立泵站監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)泵站生產(chǎn)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生如下效益：建立泵站監(jiān)控中心，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的泵站工藝流程的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，減少人為因素帶來的可能事故和隱患，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和效益；節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)增效；泵站監(jiān)控中心和主管職能部門，能及時(shí)方便地了解掌握泵站的生產(chǎn)和運(yùn)行情況。

4.泵站管理系統(tǒng)

泵站管理平臺(tái)由本地保護(hù)測(cè)控裝置、測(cè)量采集儀表、PLC自控裝置、視頻安防、本地控制系統(tǒng)以及區(qū)域泵站管理平臺(tái)組成。通過泵站管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)泵站的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、事故預(yù)告報(bào)警、事件記錄、運(yùn)維管理等功能，實(shí)現(xiàn)泵站無人值守、集中運(yùn)維管理，提高泵站的運(yùn)行可靠性。

圖4泵站管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1泵站管理系統(tǒng)(就地部署)

Acrel-2000M泵站管理系統(tǒng)部署在泵站內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的多方面監(jiān)視、控制和運(yùn)行記錄，在異常時(shí)可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保障泵站運(yùn)行安全。

泵閘全景圖

泵閘全景圖可以幫助用戶進(jìn)行多方面的監(jiān)測(cè)泵閘多方面的運(yùn)行狀態(tài)，比如內(nèi)外河水位、節(jié)制閘東西方向的開度、內(nèi)外側(cè)閘門的開度、水泵運(yùn)行的狀態(tài)以及電流。

泵站總覽及單線圖顯示

查看泵站配電回路的分布和連接情況以及主要的電參量。主要數(shù)據(jù)包括：三相電流，三相電壓，功率、電能、功率因數(shù)、回路名稱。

節(jié)制閘監(jiān)控

監(jiān)測(cè)節(jié)制閘運(yùn)行狀態(tài)，比如閘門開度，是否鎖定解鎖等狀態(tài)，同時(shí)具備監(jiān)測(cè)內(nèi)外河水位的趨勢(shì)、油泵的運(yùn)行情況。另外在該功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)制閘、油泵的遠(yuǎn)程控制功能，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)方/就地控制的切換。

水泵運(yùn)行監(jiān)控

監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行狀態(tài)，比如運(yùn)行、停止、保護(hù)裝置故障等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵遠(yuǎn)程控制、排水引水聯(lián)動(dòng)控制，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能之前將水泵、工作閘門PLC控制柜選擇遠(yuǎn)方。排水引水聯(lián)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將下發(fā)進(jìn)水閘門打開命令，直至進(jìn)水閘門全開狀態(tài)。

閘門監(jiān)控

監(jiān)測(cè)工作門、油泵運(yùn)行狀態(tài)，比如運(yùn)行、停止等狀態(tài)，在該功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作門、油泵遠(yuǎn)程控制。

趨勢(shì)曲線分析

可以監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷曲線、內(nèi)外水位曲線等等，幫助用戶分析和記錄運(yùn)行趨勢(shì)。

此外，系統(tǒng)還具備異常報(bào)警、報(bào)表制表等功能，使管理人員及時(shí)了解電站運(yùn)行情況。

4.2區(qū)域泵站管理平臺(tái)

AcrelEMS泵站管理平臺(tái)設(shè)置在云服務(wù)器或者*定的區(qū)域指揮中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)不同類型泵站的統(tǒng)一監(jiān)控，提高管理效率。平臺(tái)具備泵站地理位置顯示、泵站3D展示、電力監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、視頻監(jiān)控、報(bào)警管理、設(shè)備管理、運(yùn)維管理等功能。數(shù)據(jù)可通過4G無線專網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸。

泵站地理位置標(biāo)識(shí)

可在地圖標(biāo)識(shí)泵站位置，點(diǎn)擊地圖上圖標(biāo)可直接進(jìn)入泵站監(jiān)視界面。

泵站工藝3D展示

通過2.5D或3D界面實(shí)時(shí)展示泵站運(yùn)行狀態(tài)，包括電氣數(shù)據(jù)、管網(wǎng)、水位、閘門狀態(tài)等。

電力監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包括電氣參數(shù)，越限/異常報(bào)警等等。

泵站非電量監(jiān)控

平臺(tái)可展示泵站變壓器、電機(jī)、線纜等關(guān)鍵接點(diǎn)溫度，另外可對(duì)泵站電機(jī)振動(dòng)、環(huán)境溫濕度、水位、閘門狀態(tài)、視頻、門禁等各種參量，并可設(shè)置越限報(bào)警。

能耗分析

分析各泵站電能消耗數(shù)據(jù)和碳排放分析，對(duì)標(biāo)水泵能效指標(biāo)，為管理者進(jìn)行設(shè)備能效升級(jí)改造提供數(shù)據(jù)支持。

報(bào)警分析

平臺(tái)可對(duì)區(qū)域內(nèi)泵站的報(bào)警進(jìn)行分級(jí)：普通、嚴(yán)重、事故三個(gè)級(jí)別，并對(duì)所有事故進(jìn)行分析，幫助管理者更好了解泵站的運(yùn)行狀況，避免錯(cuò)過重要的報(bào)警信息。

設(shè)備檔案及運(yùn)維管理

平臺(tái)針對(duì)泵站設(shè)備建立設(shè)備檔案庫，記錄設(shè)備生產(chǎn)廠家、性能參數(shù)、維護(hù)保養(yǎng)信息，并生成設(shè)備二維碼，支持運(yùn)維巡檢、缺陷記錄、工單管理、事故搶修等運(yùn)維管理流程，幫助用戶更高效的管理泵站運(yùn)維。

此外平臺(tái)可接入各泵站的照明控制系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理，提高泵站的運(yùn)行安全和管理效率。

5.泵站的電氣自動(dòng)化二次產(chǎn)品選型

5.1泵站電氣設(shè)備的自動(dòng)控制、測(cè)量、保護(hù)、監(jiān)視、通訊

其內(nèi)容包括：泵站高壓送、變電系統(tǒng)；泵站0.4kV配電系統(tǒng)；泵站直流系統(tǒng)；電機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)。泵站的保護(hù)測(cè)控裝置配置如圖2所示。所有裝置均具備通訊接口，可通過智能網(wǎng)關(guān)接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺(tái)，智能網(wǎng)關(guān)具備邊緣計(jì)算和邏輯控制功能，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖2泵站保護(hù)測(cè)控裝置配置圖

表1泵站保護(hù)測(cè)控裝置選型

5.2泵站及重要輔機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、測(cè)量、監(jiān)視、通訊

其內(nèi)容包括：為主機(jī)配套的油系統(tǒng)的控制（例如：水泵葉片調(diào)節(jié)壓力油系統(tǒng)、快速閘門液（油）壓操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、齒輪箱冷卻油系統(tǒng)等）；為主機(jī)配套的氣系統(tǒng)的控制（為真空破壞閥（虹吸式泵站）所配的低壓氣系統(tǒng)、為水泵葉片調(diào)節(jié)配套的壓力油及其它氣動(dòng)工具用的中壓儲(chǔ)能氣系統(tǒng)）；泵站水系統(tǒng)（為主機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)、泵站排水系統(tǒng)和消防用水系統(tǒng)等）。

5.3各種非電量的自動(dòng)測(cè)量、監(jiān)視、通訊

其內(nèi)容如下：水工安全方面的位移、沉降、揚(yáng)壓力、應(yīng)力等各種監(jiān)測(cè)；水文、水位、水情、水量、水質(zhì)等各種監(jiān)測(cè)；各種溫度、濕度的監(jiān)測(cè)；絕緣監(jiān)測(cè)；各閘門開度、荷重等監(jiān)測(cè)。

這些信號(hào)均為模擬量和開關(guān)量形式輸出，采集信號(hào)為4-20mA模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，這些信號(hào)主要PLC裝置采集并進(jìn)行相應(yīng)的告警和控制，數(shù)據(jù)可上傳泵站管理平臺(tái)。

為了提高可靠性，4-20mA或者0-5V模擬量信號(hào)需要增加信號(hào)隔離裝置來實(shí)現(xiàn)限壓、限流、隔離等措施，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。

表2泵站信號(hào)采集及隔離裝置選型

泵站應(yīng)設(shè)置正常工作照明和應(yīng)急照明，并滿足各場(chǎng)所照度要求，應(yīng)急照明持續(xù)供電時(shí)間應(yīng)不少于30min。

表3泵站照明系統(tǒng)要求

安科瑞為泵站提供消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)解決方案。正常工作照明可以采用感應(yīng)控制、定時(shí)控制、遠(yuǎn)程控制等控制方式，滿足泵站工作照明要求。應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)提供不少于90min的應(yīng)急照明，采用集中電源供電，確保消防安全。消防應(yīng)急照明和工作照明控制均可接入泵站管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和控制。

圖3泵站消防應(yīng)急照明和工作照明系統(tǒng)

6.結(jié)束語

本文針對(duì)我國城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)，提出了城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的手段和技術(shù)方法，希望能對(duì)我國城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)提供有益的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李啟飛.城市泵站鹽城監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.