泵站自动化监控系统的设计

刘卫东

摘要 为更好地发挥水利泵站的综合利用效益，提高调度管理决策水平，建设泵站自动化监控系统是现代泵站建设的一项重要任务，本文结合笔者的工作经验，以抽黄提灌泵站为研究对象，完成泵站的自动化方案的研究与设计。

关键词 泵站；自动化监控系统；设计

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 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世纪，“水危机”是人类面临的重要问题之一。高效利用水资源、发展节水农业是解决水危机的一个重要途径。泵站自动化的实现，可以对泵站整体运行情况进行实时监控，发现异常立即报警或采取相应的措施，减少事故的发生；根据水泵的流量、抽水量等历史参数，合理选择机组，分配灌溉时间，提高灌溉的经济性，达到节水节能的目的；实施自动化后，减少值班人员工作强度，改善工作环境；记录泵站所有运行数据，并进行分析，供值班人员参考，提高管理水平。

1 国内泵站监控系统现状

我国泵站在规模和数量上已接近或达到国际先进水平，但是自动化起步较晚，大多数泵站已服务近半个世纪，在发挥巨大作用的同时，由于工程质量、管理水平等方面所限，一定程度上落后于国外水平，具体表现在以下几方面：一是设备技术落后，无法满足自动化系统要求；二是维护工作量大；三是达不到实时控制要求；四是耗费人力，效率低、成本高[1-4]。

2 泵站自动化系统的发展方向

20世纪90年代的监控系统大多数为封闭式，系统升级、维护困难，随着计算机技术、网络技术、操作系统的标准化，泵站综合自动化系统向分层分步、开放式方向发展，自动化技术在系统结构、通讯规约、系统性能方面进一步发展。目前，计算机实时监控系统已完全可以取代常规控制模式，为大中型泵站实现无人值守、少人值班、优化调度、智能配水提供了可能。

3 泵站自动化监控系统设计

3.1 设计原则

3.1.1 开放、合理性、实用性。设计采用全分布开放系统结构，IEEE802.3以太网标准协议和TCP/IP通讯协议、支持NetBEUI传输协议以及SNMP管理协议[5-10]；支持HOST LINK、Modbus、Profibus等现场总线规约。具有符合国际通用的、开放的数据接口： OPC、DDE，以及ODBC等，可以和其他系统方便、安全地互联、互访。

3.1.2 可靠性、适用性、可扩展性。①模块化、结构化设计原则：采用模块化、结构化设计原则，并且通过有效的监测、隔离、安全保护措施，确保系统安全可靠；②实时性原则。采用实时多任务多线程技术，保证响应的速度；③兼容性原则。系统采用国际、国家标准，能很好地与各种标准协议互联；④分布性原则。采用分布式网络、分布式数据库结构。⑤一致性原则。确保各个分布式子系统获取的同一个数据源的数值是一致的；⑥可扩展性原则。满足实际应用系统不断扩充的要求，适应泵站发展的需要[11-17]。

3.2 泵站控制层次设计

泵站计算机监控系统采用分层分布式监控系统结构，分别是远程监控层、泵站控制层和现地控制层。

鉴于泵站控制保护系统的复杂性、安全性的高需求以及成本效益方面的考虑，控制流程设计时必须考虑其多样性和复杂性。同时因控制流程中存在通用部分，整个控制流程采用模块化和结构化设计[17-29]。

3.3 泵站综合自动化监控系统总体结构

3.3.1 系统网络拓扑图。系统使用1台计算机作为上位监控系统使用，1台计算机作为工程师站对监控系统进行管理和维护，现地控制采用PLC进行I/O点的采集控制；其他的辅助系统通过协议通讯方式完成其与现地控制层的全部数据的传输和各种访问请求[1-8]。系统协议符合国际标准化组织OSI模型[1-5]，符合国际标准，网络成熟可靠。系统的网络结构拓扑图如图1所示。

3.3.2 现地控制层。现地控制层可直接采集和预处理生产过程的实时数据，以及监视、调整和控制本单元设备状态等功能，負责实时控制及监视泵站组、电气一次设备及公用设备等。当泵站控制层因故退出运行时，现地控制层可不受影响，能够独立运行[2-4]。各现地控制层与泵站控制层连接交换信息通过光纤以太网络实现，使现地设备的监视、控制及数据共享得以实现[1]。

一些设备（例如微机直流电源、微机保护装置、智能仪表等）通过智能通信装置与以太网连接，进而监视和控制相应参数。通过现地控制单元的I/O模块，部分没有通讯接口的设备可以对设备进行控制和状态检测[1-4]。

现地控制主要分为信号采集和集中控制两大部分。①信号采集及处理。第一，开关量采集及处理。现地控制层LCU按周期扫描全部开入量，进行状态检查，更新数据库，在开关量发生变位时，产生事件记录[1-6]，并根据控制流程进行动作处理或接点复归处理。现地控制层LCU中保存了所有事件记录、流程的执行情况，这些记录和情况还被全部送集中监控层[1]。第二，模拟量采集与处理。相应机组的微机保护装置内的测量模块或多功能电表及相关测量变送器完成电气模拟量的采集。机组的采集参数包括非电量参数（例如流量、压力、水位等）和电量参数（例如电流、无功、电压[1-5]、励磁电流电压[1]、有功、功率因素[1-3]、频率等）。采用温度巡检仪采集温度量，将轴承和水泵轴承、电机定子[1]、室内外等处温度作为采集对象。根据运行需要，可设置以上模拟量低低限（LL）、低限（L）、高限（H）、高高限（HH）报警值，系统提供越复限报警及处理功能。②控制与操作。泵站现地系统中最重要的一个子系统是控制系统，现地系统可以接受上位机或现地输入命令，执行相应操作。通过PLC输出继电器控制现场设备，分别作用于现地设备输入点，例如各种管路的电磁阀、线路和电动机的断路器等。③通信功能。现地系统与集中监控层的通信通过以太网实现，通信的主要内容有：将现地系统采集到的各种信息、正在执行的控制操作、内部自诊断结果即时送上主机[1-3]。接受主机的控制命令等[9-15]。现地系统与其他系统和仪表的通讯通过Modbus通讯协议实现，如现地系统与微机保护系统、智能仪表的通信等。④诊断功能。现地系统具有对本身的硬件及各控制单元进行全面的保护性自我检验功能，并根据检验结果采取相应的保护性措施，防止不良结果出现[1]。同时向主机报告诊断的结果，根据自诊断记录[1-6]，值班维护人员可以了解现地装置工作是否良好，指导处理异常情况。

3.3.3 上位监控层。泵站控制层分为集中监控和远程监控2个部分，集中监控在中控室内，作为泵站的实时监控中心，负责的功能包括整个泵站主要运行设备的实时控制和调节、数据采集及处理、安全运行监视[1-3]、数据通信、泵站运行维护管理、系统诊断等。

远程监控通过以太网，将中控室内所有数据上传至远程端，管理人员可通过授权对泵站进行监视或控制。正常情况下，在中控室的操作员工作站上进行泵站设备的运行监视和控制。由值班人员控制和监视泵站的主要设备（例如泵组、线路、主变压器、阀门、站用电等），可由计算机监控系统按运行值班人员设定的参数（例如流量、水位等）自动进行相关操作（例如开机、停机、闸门调节等）。各现地控制层LCU通过人机联系中断实现对所监控设备的监视和控制。为实现设备的现地、远方切换和现地手动控制，各系统的现地控制柜上设有控制开关以及操作按钮[1]。系统功能如图2所示。

3.3.4 视频监控系统。通过视频来观察进、出水池水位、闸门位置、主机房以及变电站等处设备的运行状态。系统通过前端高清球形摄像机进行视频信号的采集，然后通过网络交换机将图象数据传输到硬盘录像机和远程客户端，硬盘录像机将实时画面进行显示，同时根据设置进行录像，操作人员也可以通过硬盘录像机和远程客户端调整镜头，按照需要进行不同方位的监视。视频监控系统结构如图3所示。

监视功能、录像功能、回放功能、报警功能、管理功能构成一个高度安全、性能集中的网络数字监视系统。实时监测泵站机组设施的安全运行状态及潜在和突发的安全隐患，若发生事故，摄像机记录的图像能提供有力的现场证据，便于事后分析原因。

3.3.5 软件系统。①操作系统。操作系统采用Microsoft中文Window7操作系统。Window7中文版操作系统具有实时多任务、功能强大、多用途的特点[1-5]。②数据库。对于数据库管理和兼容[1-4]，采用SQLSERVER数据库管理系统。③监控软件。系统监控软件采用WlndowsControIConter（视窗控制中心）（简称工业组态软件软件wincc）。它集成了先进技术（例如SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等），为用户提供了Windows操作系统（Windows7或XP）环境下使用各种通用软件的功能。WINCC是完全开放的系统，支持DDE、OLE、ACTIVE X、ODBC、TCP/IP、OPC等各种软件工业标准[1]，作为共享的基础，并提供一组进行二次开发的工具和手段。充分采用客戶/服务器体系结构，使监控系统能够提供数据在网络上的全面集成和共享[1-4]。系统监控软件除了提供包括实时/历史趋势、报警、画面编辑、报表、关系数据库直接组态登录的基本功能以外[1-4]，还有多种可选项（例如SPC，服务器冗余，RECIPE，WEB GATEWAY，TRACK，PAGER，多种PLC/DCS通讯驱动程序，历史数据分析等）。

4 结语

通过泵站自动化监控系统的建设，可实现“无人值班，少人值守”的目的。操作人员只需通过上位机和视频实时监控，就可以实时掌握泵站运行情况，改善了操作人员的工作条件。通过对设备参数、运行参数及历史数据的分析，可优化泵站设备的运行和管理，提高运行效率，降低运行成本；通过对泵站运行过程的实时监控，最大程度地预防和避免事故的发生，保证泵站运行的可靠性和安全性。

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