城市一体化泵站监测控制系统设计应用

王 霞

(甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

长期以来各泵站和自来水处理厂自成体系、独立运行，形成了一座座信息孤岛。存在管理完全依赖人工、信息传递不及时，经常造成各种运维故障、管理难度大、执行效率低等问题。所研项目设计开发了某城市一体化智能泵站控制系统，该系统应用数据挖掘、数据分析、数据处理等技术，实现了远程泵站的无人化值守，使得信息传输效率和执行效率大为提高，同时降低了人员和管理成本。

1 城市一体化智能泵站控制系统构成及功能

城市一体化智能泵智能监测控制系统负责对分布在兰州各处的10多个泵站进行无人值守化管理控制，系统由远程控制中心、本地泵站控制子系统、本地泵站安防系统三部分组成，如图1所示。远程控制中心负责对管辖的各个一体化泵站的各种数据进行采集监控，自动生成历史趋势图、数据总览表、流量报表；对各种提升泵和电动阀进行操作和管理；对各类用户进行权限管理；对设备运行视频系统、泵站安防视频系统、围界系统、门禁系统、感烟报警系统、安全报警系统等运行信息进行管理，实现各个泵站应用子系统的综合显示、联动调用。

图1 城市一体化智能泵站控制系统的构成

本地泵站控制子系统负责对三台水泵、一台格栅电机、一台电动阀进行启停控制，对泵站的出口压力、流量数据、液位数据进行实时采集，设定压力和泵用变频器之间用PID调节。本地泵站安防系统由围栏入侵侦测、摄像头视频动态侦测及红外温度检测、门禁系统入侵检测、环境系统检测等几部分组成，实时对一体化泵站的实时工作状态进行监测，一旦发现异常立即向远程服务器发送报警信息。

2 城市一体化智能泵站控制系统实现过程

2.1 远程管理控制中心综合管理系统

远程管理控制中心监控系统为综合管理系统，分为通信系统、综合监控系统、环境监测系统、火灾检测和报警系统、视频监控系统、IP电话系统、入侵检测系统、门禁系统以及监控计算机系统等。通信系统实现各泵站与远程管理控制中心、泵站监控计算机之间的通信传输，本项目采用光纤通信；设备综合监控系统以PLC可编程逻辑控制器为核心，对各泵站内设备进行状态监测和控制；环境监测系统实现对各泵站内环境参数和状态全程监控，包含有害气体(H2S)监测和温湿度监测；火灾检测采和报警系统对泵站内部电力电缆桥架和电气柜内温度进行在线监测；视频监控系统对各泵站进行视频实时监测；IP电话系统实现远程监控中心与各泵站语音对讲功能；入侵检测系统对各泵站进行人员入侵检测和报警功能；门禁系统实现人员人脸识别或指纹安全进入，亦可远程开门；监控计算机系统用西门子公司的WinCC组态软件进行开发，对各泵站的各种数据进行采集监控，自动生成历史趋势图、数据总览表、流量报表，对各类用户进行权限管理。

2.2 本地泵站控制子系统

每个泵站的设备有1台格栅电机、3台水泵、一个电动阀、一个液位计、一个流量计、一个PLC程序站组成。PLC可编程序控制器对泵站的水泵和格栅电机进行控制，控制功能有：①参数设定(运行频率上下限设定、对液位上下限设定、对管道出口压力设定)；②状态数据信息(远程就地信息、电机状态信息、阀门状态信息、通信状态信息、报警信息、液位数据、出口压力数据、瞬时流量、累计流量)实时采集；③控制方式选择(自动或手动)。

2.2.1 格栅、电动阀控制流程

格栅负责对泵站前端水中的异物进行过滤，电动阀在泵站的末端，当水泵起动后就应打开，向城市管网供水。控制程序直接控制格栅和电动阀的运行或停止，并对格栅和电动阀的停止状态、运行状态进行监测，一旦格栅或电动阀发生故障，立即向远程服务器发出报警信息，格栅和电动阀的控制流程如图2所示。

图2 格栅和电动阀的控制流程图

2.2.2 泵站水泵控制流程

在城市一体化智能泵站中，水泵的控制是核心。在本项目中有3台水泵负责供水，根据当前供水管网的压力、液位高度经优化计算，决定由1台水泵或两台水泵供水，1台或两台水泵最佳的工作频率是多少；将最佳频率设置成控制水泵工作的变频器工作频率，再根据液位高度和管道出口压力是否满足正常工作要求等条件，起动选定的水泵工作；水泵在工作过程中对其工作状态进行检测，如工作状态正常，则进行工作状态正常指示；如果液位、管道出水口压力、水泵发生故障，则将该故障状态送入故障诊断及处理程序，及时调整供水方案。城市一体化泵站水泵智能控制程序流程如图3所示。

图3 城市一体化泵站水泵控制流程图

2.3 本地泵站安防系统

在城市一体化泵站中安防系统(见图4)是重要的组成部分，在本项目中由环境监测系统、火灾检测和报警系统、视频监控系统、IP电话系统、入侵检测系统、门禁系统等几部分组成。环境监测系统通过气体、温湿度探测器连接至泵站PLC设备采集模块，有害气体含量超标时，系统声光报警，提醒远程监控中心的泵站监控计算机工作人员采取相关措施。火灾检测和报警系统通过采用分布式光纤测温或感温电缆技术对加压泵站内部电力电缆桥架和电气柜内温度进行在线监测；感温感烟探头对室内环境温度、烟雾进行在线监测；信号送至测温主机并通过RJ45接口采用阻燃网线连接至工业级交换机。当发生温度异常或火灾时，光纤测温主机将实时温度、火灾发生位置、火灾报警信号输出至信息化监控管理平台及火灾报警系统，由火灾报警系统完成相应的消防联动。视频监控系统实现视频实时监测，录像查询等管理应用功能，监测范围覆盖加压泵站所有重要节点，包括：人员出入口、通风口、泵池、高低压配电室等，摄像机采用红外监控技术， 能够在无光照条件下清楚显示现场画面，监控中心系统可采用集中或分散存储设备进行高清录像存储或调用。IP电话系统实现监控中心与现场语音通话，在监控中心内设置IP电话系统工作站、声光报警器、IP网络寻呼话筒，每个加压泵站布设IP电话终端，IP电话系统工作站连接报警器控制盒和声光报警器，对前端报警信号进行响应，同时负责对IP电话系统的管理。入侵检测系统实现重要位置的人员入侵检测和报警功能，在加压泵站布设入侵报警主机，在人员出入口、泵池口、机械/自然通风口等重要位置布设红外入侵探测器，当产生人员入侵情况时，设备接收到的红外辐射电平变化，产生报警状态并上传，驱动报警响应。门禁系统实现人员人脸识别或指纹安全进入，亦可远程开门。

图4 城市一体化泵站安防系统流程

2.4 通讯程序控制流程

分布在各处的11个一体化智能泵站通过光纤、交换机和服务器通讯，每一个泵站拥有一个自己的IP地址。通讯程序的工作流程如下：首先设置通讯参数，通讯参数初始化，进行通讯检测，判断通讯是否正常，如通讯正常，则和远程服务器进行信息数据通信，否则如出现通讯故障，则进行通讯故障指示。如图5所示。

图5 通讯程序控制流程图

3 应用效果

此研究项目对分布在兰州各处的10多个泵站进行无人值守化技术改造，工控系统的上位机，基于SIEMENS Win CC V7.3完成，共包括一台服务器和两台客户端，下位机由ABB 公司的AC500系列PLC进行控制现场设备。通过工控系统实现了压力、液位、流量等数据的自动采集，格栅、水泵、电动阀等设备的自动远程控制。安防系统采用大华安消一体化平台，实现了泵站无人化值守。该项目通过上述改造投入运行以来，显著提高了一体化泵站自动化、信息化、智能化程度，消除了信息孤岛，提高了管理和执行效率，减少了操作人员数量，从而降低了运营成本和人工成本。一体化泵站单站主控画面如图6所示。

图6 城市一体化泵站单站主控画面

4 结 语

随着泵站数量的增加，自来水供用成本也不断增加，为了顺应目前供水发展的趋势，实现自动化管理，减少成本的投入，急需对泵站进行无人值守泵站升级改造，从而真正实现自动化，安全化，有效节约成本的

目的。通过远程监控来对各个泵站进行实时管理，从而有效减少了工人们的工作量，提高了泵站的工作效率。泵站无人值守及建设数字化信息管理平台是供水处理发展的趋势，使得泵站的运行、管理和控制更加的准确[2]。