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淺談城市泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

更新時間：2024-01-23

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對我國城市泵站設備普遍偏舊，自動化、信息化管理水平不高，有待實現(xiàn)泵站遠程集中監(jiān)控等問題，提出城市系站遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)參考模型，闡述了城市泵站遠程監(jiān)控親統(tǒng)的結構體系、開發(fā)思路、泵站現(xiàn)場拉制時象及設計、監(jiān)控中心設計、監(jiān)控中心和各泵站通信、開發(fā)工具及監(jiān)控軟件設計等技術及要求。并扼要分析建立泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)產生的效益。

關鍵詞:城市泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng) 參考模型計算機技術

1.城市泵站現(xiàn)狀

目前我國各大中城市的給水調水泵站、雨水泵站、排污泵站主要分散于城市城區(qū)，進郊區(qū)及遠郊區(qū)。生產運行主要采用現(xiàn)場人員值守。些泵站建成及運行時間較長，設備老化；近年來建設的泵站，大多數(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)場自動控制；也有少數(shù)地區(qū)實現(xiàn)了幾個泵站、*多幾十個泵站的遠程監(jiān)控.采用的技術和設備參差不齊，效率、效果也不盡相同，例如有的泵站沒有自動化監(jiān)控系統(tǒng)；有的選用的技術及設備陳舊，穩(wěn)定性差；有的泵站信息不能上傳，不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控等。這些都有待于采用更先進的，成熟的技術和設備加以改造完善，實現(xiàn)所有泵站的自動監(jiān)控。本文提出建立泵站遠程監(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)控中心負責泵站生產運行的監(jiān)測監(jiān)控，并通過有線和無線的方式實現(xiàn)監(jiān)控中心和各個泵站信息的交換傳輸。具體介紹如下。

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2.1泵站生產流程及控制監(jiān)測點

泵站工藝流程如圖2所示，泵站自動控制流程如圖3所示。從圖2、圖3可知，自動控制系統(tǒng)設計模型考慮了泵站生產控制的可能環(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警；泵站的設備運行狀態(tài)，包括：每個泵的電機運轉情況，啟/停狀態(tài)、電機溫度、電機工作電流和電壓；軟啟動器的工作狀態(tài)；變頻器的工作狀態(tài)；流量計、液位計、液位差計、浮球液位開關、溫度計、電流表和電壓表等的維護狀態(tài)；直接下達實時控制指令，控制泵站的運行。

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2.2泵站監(jiān)控中心

泵站監(jiān)控中心的作用主要是監(jiān)視和控制遠方各個現(xiàn)場泵站的生產運行，同時將各個泵站運行狀況信息上傳有關管理部門，同時考慮未來工作的可擴展性，應選用以下設備：工業(yè)控制計算機、高清晰度彩色顯示器、針式打印機、不間斷電源、管理計算機、激光打印機、工作臺、文件柜、轉椅，消耗品、大屏幕投影屏、工業(yè)鍵盤等。同時建成網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖4所示。

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2.3網(wǎng)絡結構及通信

泵站監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)為以太網(wǎng)，可達14/100Mh/,速率，主要由3個子系統(tǒng)構成；監(jiān)控中心網(wǎng)絡系統(tǒng)(如圖4所示),泵站現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡系統(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、電話撥號等；②無我：包括電臺、微波、擴頻微波及衛(wèi)星�？紤]到泵站點多而且分散的特點，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，連接到各個泵站的速率可達到2Mb/s以上，*新，“品可達11Mb/s.可以滿足泵站網(wǎng)絡通信的要求。

2.4泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件

泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)兩個主要功能：一是對下屬各泵站(可擴展)的運行情況進行監(jiān)視、控制；二是對下屬各泵站(可擴展)的日常生產活動進行管理。

(1)計算機監(jiān)控管理程序。實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)控制參數(shù)的設置；完成對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組態(tài)：監(jiān)控生產作業(yè)過程，包括：顯示控制過程畫面和實時數(shù)據(jù)；顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢圖；顯示重要設備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和存儲；輔助管理日常生產業(yè)務，提供決策參考。

(2)事故報警。生產過程中的檢測量超標時，系統(tǒng)自動報警顯示，并通過報警打印機打印輸出，形成記錄文件；生產過程中的自動狀態(tài)下的控制設備發(fā)出故障信號或失去控制時，系統(tǒng)自動報警顯示，并通過報警打印機輸出，形成記錄文件；報警數(shù)據(jù)自動存儲以備事后分析。

(3)數(shù)據(jù)存檔和生產報表。系統(tǒng)自動生成日報表、月報表和統(tǒng)計報表，通過報表打印機打印輸出，形成生產記錄文件，并且文檔可由EXCEL進行自定義處理，或用其它工具軟件進行處理；具有時間和事件控制存檔；可與其他Windows程序進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換。

(4)人機操作界面設計。人機操作界面是整個系統(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現(xiàn)，整個操作界面為層次漸進風格：*一層為城市所有泵站的分布圖，主要顯示信息說明：總進水量、總出水量及各泵站總體狀況(正常、超載或關閉)等。*二層為各個泵站的工藝流程畫面，主要顯示信息說明：該泵站的總進水量、出水量及其各個設備的總體狀態(tài)(正常、超載或故障)等，控制窗口提供對該泵站啟動/關閉等控制。*三層為泵站中各個具體設備的工作狀態(tài)、歷史記錄顯示，主要顯示信息說明：集水池：液位、液位報警；粗格柵系統(tǒng)：粗格柵前后液位差、液位差報警；細格柵系統(tǒng)：細格柵前后液位差、液位差報警；泵：所用泵的編號，電機的溫度、電流和電壓，啟或停，正�；蚬收�，電機報警；軟啟動器：正�；蚬收�，啟/停，報警。控制窗口提供對該設備啟動/關閉及維護等控制。

3.社會及經濟效益

通過建立泵站監(jiān)控中心，實現(xiàn)泵站生產運行的遠程監(jiān)控，預計可產生如下效益：建立泵站監(jiān)控中心，可以實現(xiàn)復雜的泵站工藝流程的安全運轉，減少人為因素帶來的可能事故和隱患，減輕勞動強度，提高工作效率和效益；節(jié)約能耗，實現(xiàn)增效；泵站監(jiān)控中心和主管職能部門，能及時方便地了解掌握泵站的生產和運行情況。

4.泵站管理系統(tǒng)

泵站管理平臺由本地保護測控裝置、測量采集儀表、PLC自控裝置、視頻安防、本地控制系統(tǒng)以及區(qū)域泵站管理平臺組成。通過泵站管理平臺可以實現(xiàn)對區(qū)域內泵站的數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)測、控制調節(jié)、能耗分析、事故預告報警、事件記錄、運維管理等功能，實現(xiàn)泵站無人值守、集中運維管理，提高泵站的運行可靠性。

圖4泵站管理平臺網(wǎng)絡結構示意圖

4.1泵站管理系統(tǒng)(就地部署)

Acrel-2000M泵站管理系統(tǒng)部署在泵站內部，實現(xiàn)對泵站的多方面監(jiān)視、控制和運行記錄，在異常時可及時發(fā)出報警信號，保障泵站運行安全。

泵閘全景圖

泵閘全景圖可以幫助用戶進行多方面的監(jiān)測泵閘多方面的運行狀態(tài)，比如內外河水位、節(jié)制閘東西方向的開度、內外側閘門的開度、水泵運行的狀態(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)測節(jié)制閘運行狀態(tài)，比如閘門開度，是否鎖定解鎖等狀態(tài)，同時具備監(jiān)測內外河水位的趨勢、油泵的運行情況。另外在該功能模塊可以實現(xiàn)對節(jié)制閘、油泵的遠程控制功能，并可以進行遠方/就地控制的切換。

水泵運行監(jiān)控

監(jiān)測水泵運行狀態(tài)，比如運行、停止、保護裝置故障等狀態(tài)，實現(xiàn)對水泵遠程控制、排水引水聯(lián)動控制，在實現(xiàn)遠程控制功能之前將水泵、工作閘門PLC控制柜選擇遠方。排水引水聯(lián)動時，系統(tǒng)將下發(fā)進水閘門打開命令，直至進水閘門全開狀態(tài)。

閘門監(jiān)控

監(jiān)測工作門、油泵運行狀態(tài)，比如運行、停止等狀態(tài)，在該功能模塊可以實現(xiàn)對工作門、油泵遠程控制。

趨勢曲線分析

可以監(jiān)測電機運行負荷曲線、內外水位曲線等等，幫助用戶分析和記錄運行趨勢。

此外，系統(tǒng)還具備異常報警、報表制表等功能，使管理人員及時了解電站運行情況。

4.2區(qū)域泵站管理平臺

AcrelEMS泵站管理平臺設置在云服務器或者*定的區(qū)域指揮中心，實現(xiàn)對區(qū)域內不同類型泵站的統(tǒng)一監(jiān)控，提高管理效率。平臺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、控制調節(jié)、能耗分析、視頻監(jiān)控、報警管理、設備管理、運維管理等功能。數(shù)據(jù)可通過4G無線專網(wǎng)或網(wǎng)絡傳輸。

泵站地理位置標識

可在地圖標識泵站位置，點擊地圖上圖標可直接進入泵站監(jiān)視界面。

泵站工藝3D展示

通過2.5D或3D界面實時展示泵站運行狀態(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

實時監(jiān)測泵站配電系統(tǒng)運行狀況，包括電氣參數(shù)，越限/異常報警等等。

泵站非電量監(jiān)控

平臺可展示泵站變壓器、電機、線纜等關鍵接點溫度，另外可對泵站電機振動、環(huán)境溫濕度、水位、閘門狀態(tài)、視頻、門禁等各種參量，并可設置越限報警。

能耗分析

分析各泵站電能消耗數(shù)據(jù)和碳排放分析，對標水泵能效指標，為管理者進行設備能效升級改造提供數(shù)據(jù)支持。

報警分析

平臺可對區(qū)域內泵站的報警進行分級：普通、嚴重、事故三個級別，并對所有事故進行分析，幫助管理者更好了解泵站的運行狀況，避免錯過重要的報警信息。

設備檔案及運維管理

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

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

5.泵站的電氣自動化二次產品選型

5.1泵站電氣設備的自動控制、測量、保護、監(jiān)視、通訊

其內容包括：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)；電機的綜合保護系統(tǒng)。泵站的保護測控裝置配置如圖2所示。所有裝置均具備通訊接口，可通過智能網(wǎng)關接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺，智能網(wǎng)關具備邊緣計算和邏輯控制功能，可根據(jù)現(xiàn)場運行工況進行自動控制。

圖2泵站保護測控裝置配置圖

名稱	圖片	型號	功能	應用
微機保護裝置		AM6	提供35kV和10kV線路、變壓器、電動機、電容器、母聯(lián)保護備自投	保護測控裝置
多功能綜合測量儀表		APM520	三相電流、線電壓/三相相電壓、雙方向有功/無功功率、雙方向有功/無功電能、功率因數(shù)、頻率、諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計，RS485/Modbus-RTU接口	高低壓回路電氣參數(shù)測量
電動機測控裝置		ARD3M	適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。（過流、欠流）、電壓的（過壓、欠壓）及斷相、堵轉、短路、漏電、三相不平衡、過熱、接地、軸承磨損、定轉子偏心時、繞組老化予以報警或保護控制。	低壓電動機保護控制
抗晃電裝置		ARD-KHD	電壓短暫失壓時防止接觸器脫扣，電壓恢復后不間斷運行，避免系統(tǒng)受到沖擊。	抗晃電
無功補償控制器		ARC	根據(jù)目標功率因數(shù)投切電容器實現(xiàn)無功補償	無功補償控制
無線測溫傳感器		ATE400	監(jiān)測35kV及以下電壓等級配電系統(tǒng)母排、線纜連接點溫度和溫升預警。	適用于35kV及以下電壓等級開關柜母排、斷路器、電纜接頭等接點溫度監(jiān)測
無線測溫接收器		ATC600	接收無線測溫傳感器數(shù)據(jù)并通過RS485上傳。	適用于35kV及以下電壓等級開關柜母排、斷路器、電纜接頭等接點溫度監(jiān)測
智能網(wǎng)關		ANet-2E4SM	邊緣計算網(wǎng)關，嵌入式linux系統(tǒng)，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議，支持邏輯判斷和控制。	數(shù)據(jù)采集、轉換和邏輯判斷

表1泵站保護測控裝置選型

5.2泵站及重要輔機系統(tǒng)的自動控制、測量、監(jiān)視、通訊

其內容包括：為主機配套的油系統(tǒng)的控制（例如：水泵葉片調節(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)、為水泵葉片調節(jié)配套的壓力油及其它氣動工具用的中壓儲能氣系統(tǒng)）；泵站水系統(tǒng)（為主機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各種非電量的自動測量、監(jiān)視、通訊

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

這些信號均為模擬量和開關量形式輸出，采集信號為4-20mA模擬量信號和開關量信號，這些信號主要PLC裝置采集并進行相應的告警和控制，數(shù)據(jù)可上傳泵站管理平臺。

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

名稱	圖片	型號	功能	應用
隔離式安全柵		BM200	采用了限壓、限流、隔離等措施，防止危險能量從本安端子進入危險現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。輸入4-20mA、0-5V、PT100/0-10kΩ等信號，輸出4-20mA、0-5V等信號。	模擬量信號安全隔離
信號隔離器		BM100	對電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進行快速*確測量，經隔離轉換成標準的模擬信號輸出。既可以直接與指針表、數(shù)顯表相接，也可以與自控儀表（如PLC）、各種A/D轉換器以及計算機系統(tǒng)等設備配接。	信號轉換隔離
遙信單元		ARTU100-K8 ARTU100-K16 ARTU100-K32	可采集8~32路開關量，具備SOE事件順序記錄，RS485/Modbus-RTU接口。	開關量采集
遙信遙控單元		ARTU100-KJ8	8路開關量采集和8路繼電器輸出，RS485/Modbus-RTU接口。	開關量采集繼電器輸出
模擬量采集單元		ARTU100-MA84	8路4-20mA/0-5V采集和4路4-20mA/0-5V輸出，RS485/Modbus-RTU接口。	模擬量采集輸出

表2泵站信號采集及隔離裝置選型

泵站應設置正常工作照明和應急照明，并滿足各場所照度要求，應急照明持續(xù)供電時間應不少于30min。

工作場所	工作面名稱	規(guī)定照度被照面	工作照明(lx)	應急照明(lx)
泵房間、格柵間	設備布置和維護地區(qū)	離地0.8m水平面	150	10
高低壓配電裝置室	設備布置和維護地區(qū)	離地0.8m水平面	200	15
控制室	設備布置和維護地區(qū)	離地0.8m水平面	300	30
變壓器室	設備布置和維護地區(qū)	離地0.8m水平面	100	15
樓梯		離地0.8m水平面	50	5.0
通道		離地0.8m水平面	50	1.0

表3泵站照明系統(tǒng)要求

安科瑞為泵站提供消防應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控制、定時控制、遠程控制等控制方式，滿足泵站工作照明要求。應急照明和疏散指示系統(tǒng)提供不少于90min的應急照明，采用集中電源供電，確保消防安全。消防應急照明和工作照明控制均可接入泵站管理平臺實現(xiàn)集中監(jiān)測和控制。

圖3泵站消防應急照明和工作照明系統(tǒng)

6.結束語

本文針對我國城市泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設，提出了城市泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的手段和技術方法，希望能對我國城市泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設提供有益的參考。

【參考文獻】

[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)設計與應用手冊.2022.05版.