泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用
1.項(xiàng)目簡介
泵站作為市政建設(shè)和管理工程的主要設(shè)施，擔(dān)負(fù)著城市排水防澇的重要任務(wù)。泵站控制系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控和管理具有重要意義，能達(dá)到減員增效和提高管理水平的目的，云控應(yīng)用于某泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨水泵房和污水泵房的自動(dòng)化監(jiān)測和控制。
泵站建立獨(dú)立的功能完善的就地自動(dòng)化控制系統(tǒng)，建立集中監(jiān)測和控制室，實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)化運(yùn)行控制。泵站內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行均由泵站就地控制系統(tǒng)直接控制，泵站就地控制系統(tǒng)是根據(jù)液位等泵站運(yùn)行工況來進(jìn)行控制的。泵站接收污水治理工程中央監(jiān)控系統(tǒng)下載的全局性運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)控指令，作為泵站自動(dòng)控制的條件參數(shù)，以配合實(shí)現(xiàn)污水治理工程中央監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)定的基于流量的控制。
2.系統(tǒng)構(gòu)成
泵站系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為三層：
信息層：監(jiān)控計(jì)算機(jī)
控制層：PLC與遠(yuǎn)程IO子站
設(shè)備層：閥門、水泵、流量計(jì)、水位計(jì)等現(xiàn)場設(shè)備
信息層位于中央控制室，利用CloudControl組態(tài)軟件設(shè)計(jì)完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的圖形界面，以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)報(bào)表等。可對(duì)全泵站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及集中控制，設(shè)有上位機(jī)2臺(tái)（工程師站、操作員站各一臺(tái)）以及相關(guān)打印機(jī)與不間斷電源UPS，上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC分站連接；設(shè)有模擬屏，顯示全泵站的電力監(jiān)控情況。
控制層負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的采集，以及對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。PLC主站通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行連接，通過DeviceNet與遠(yuǎn)程IO子站進(jìn)行連接。
設(shè)備層由現(xiàn)場儀表、電機(jī)、閥門及其他執(zhí)行設(shè)備等組成。這些儀表設(shè)備通過24VDC開關(guān)量信號(hào)及4－20mA模擬信號(hào)與PLC遠(yuǎn)程IO站連接，把工藝參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)送到PLC，而PLC則實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。
上位監(jiān)控系統(tǒng)完成全站的自動(dòng)化運(yùn)行及其管理。下位PLC采用GE公司的90-30系列PLC、遠(yuǎn)程I/O子站采用Beckhoff公司的BK5220系列I/O模塊。下位PLC共有3臺(tái)，分別負(fù)責(zé)水位測量、電力監(jiān)控、水泵啟停等工作。下位PLC通過以太網(wǎng)模塊接入Hub與上位機(jī)進(jìn)行通訊，下位PLC與遠(yuǎn)程IO子站通過Device net網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。PLC1共有6個(gè)遠(yuǎn)程IO子站，PLC3共有11個(gè)遠(yuǎn)程IO子站，PLC2沒有帶子站。泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
由于季節(jié)性變化，所有泵站在不同季節(jié)將采取不同的運(yùn)行模式，該泵站全年運(yùn)行模式如下：
模式一：旱季無雨時(shí)或初雨且尚未超過截流水量時(shí)，僅有截流污水泵交替運(yùn)行或滿負(fù)荷運(yùn)行。
模式二：初雨且已超過截流水量時(shí)，截流污水泵滿負(fù)荷運(yùn)行，雨水調(diào)節(jié)池啟用。
模式三：降雨繼續(xù)，雨水調(diào)節(jié)池已儲(chǔ)滿時(shí)，截流污水泵滿負(fù)荷運(yùn)行，雨水泵開始防汛排澇運(yùn)行。
模式四：降雨結(jié)束，雨水泵停運(yùn)，調(diào)節(jié)池開始放空時(shí)，僅有截流污水泵交替運(yùn)行。
模式五：旱季無雨，雨水泵試車時(shí)，截流污水泵暫時(shí)停止運(yùn)行。
模式六：泵站大修。
3.系統(tǒng)特點(diǎn)
系統(tǒng)運(yùn)行可靠。提供雨污水外排工程的運(yùn)行監(jiān)視，提供工程范圍內(nèi)主要設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視，提供故障報(bào)警和事故狀態(tài)下應(yīng)急處理的方案及手段。
系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。充分發(fā)揮泵組的提升能力和管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)雨污水的運(yùn)載能力，動(dòng)用最少的機(jī)電設(shè)備，最小的能耗，達(dá)到最大的排放能力。
實(shí)現(xiàn)對(duì)包括泵站等設(shè)施內(nèi)的全部儀表和機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控。污水泵房的控制分三層實(shí)現(xiàn)，即中央控制、就地控制和基本控制，雨水泵房不設(shè)中央控制，僅有就地控制和基本控制。
完善的數(shù)據(jù)采集，對(duì)全廠主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)定時(shí)的進(jìn)行采集，并存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)畫面顯示、制表打印及完成各種計(jì)算、控制等功能時(shí)使用。
安全運(yùn)行監(jiān)視：中控室值班運(yùn)行人員借助監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面，監(jiān)視泵站的生產(chǎn)過程和運(yùn)行情況，各點(diǎn)參數(shù)及其變化趨勢和設(shè)備狀態(tài)，在運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變更時(shí)能及時(shí)進(jìn)行分析和處理。
實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減輕泵站運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全運(yùn)行水平。
4.系統(tǒng)方案
污水泵房和雨水泵房的控制相對(duì)獨(dú)立，分別設(shè)置各自的基于可編程序邏輯控制器（PLC）所構(gòu)成的污水泵房控制子系統(tǒng)和雨水泵房控制子系統(tǒng)。變電所設(shè)置獨(dú)立的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并和集控室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。在集控室設(shè)置兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（一用一備）用以管理、協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作，其顯示屏和鍵盤構(gòu)成泵站就地控制系統(tǒng)的操作界面。污水泵房和雨水泵房的PLC分別負(fù)責(zé)與污水治理工程中央監(jiān)控主站及市區(qū)排水信息系統(tǒng)的通信。
監(jiān)控計(jì)算機(jī)、污水泵房控制PLC、雨水泵房控制PLC、變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集總器等設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）相互連接。PLC與水泵、閘門等機(jī)械設(shè)備的控制箱之間采用DeviceNet總線相互連接。儀表的模擬量和脈沖量信號(hào)則通過遠(yuǎn)端I/O模塊轉(zhuǎn)接入DeviceNet。
泵站與污水治理工程中央監(jiān)控主站的通信使用兩個(gè)信道：常用信道采用市數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) (DDN)；備用信道為無線通信信道，經(jīng)SA泵站轉(zhuǎn)接至位于M2泵站的污水治理工程中央監(jiān)控主站。通信規(guī)約采用IEC60870.5-101，非平衡傳輸模式，實(shí)現(xiàn)輪詢方式下的逢變則報(bào)。
泵站與市區(qū)排水信息系統(tǒng)的常用通信方式為無線通信方式，備用為撥號(hào)電話線路。
污水泵房的控制分三層實(shí)現(xiàn)，即中央控制、就地控制和基本控制。
雨水泵房不設(shè)中央控制，僅有就地控制和基本控制。
中央控制層：中央控制層提供系統(tǒng)的宏觀調(diào)度，維持系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。本工程污水泵房的（遠(yuǎn)程）中央控制室是位于M2泵站的中央監(jiān)控主站。中央控制室能夠?qū)υ摫谜具M(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，但不直接控制該泵站的設(shè)備。
就地控制層：就地控制的優(yōu)先級(jí)高于中央控制，利用PLC的邏輯控制功能，提供設(shè)備的自動(dòng)控制及關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、連鎖控制。本工程的就地控制操作界面是集中控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)屏幕，PLC能根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令及預(yù)先制定的規(guī)則和調(diào)節(jié)方法自動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備。
基本控制層：基本控制具有最高的控制優(yōu)先級(jí)，當(dāng)設(shè)備操作箱的控制方式手柄處于“手動(dòng)操作”時(shí)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC發(fā)出的控制命令被屏蔽，現(xiàn)場設(shè)備可以在配電屏或控制柜上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作與檢查。這些配電屏或控制柜需提供基本的控制連鎖或聯(lián)動(dòng)。
5.軟件應(yīng)用
泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控由CloudControl組態(tài)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)，建立獨(dú)立的、功能完善的雨水泵房和污水泵房統(tǒng)一控制系統(tǒng)，具備集中監(jiān)測、控制室，實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)化運(yùn)行控制功能，其中監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括實(shí)時(shí)檢測各項(xiàng)數(shù)據(jù)，定時(shí)打印數(shù)據(jù)報(bào)表，查詢歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、顯示流量曲線等。
系統(tǒng)圖形顯示界面
泵站監(jiān)控系統(tǒng)的地顯示界面按功能分為主控平臺(tái)，電站檢測，報(bào)警查詢，報(bào)表瀏覽，系統(tǒng)維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入主控平臺(tái)界面，該界面可以顯示整個(gè)泵站所有設(shè)備的信息，點(diǎn)擊每個(gè)設(shè)備可以查看設(shè)備的詳細(xì)信息，電站檢測界面可以顯示系統(tǒng)電氣連接網(wǎng)絡(luò)圖，報(bào)警查詢和報(bào)表瀏覽界面可以查看報(bào)警情況和歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的瀏覽曲線圖。以下是泵站監(jiān)控畫面圖：
泵站監(jiān)控畫面示意圖
在主控平臺(tái)中包含泵站的所有污水泵、雨水泵及格柵等的各類參數(shù)信息以及對(duì)各個(gè)泵、閘門及格柵等的操作。
1、泵的啟停及主要參數(shù)： “機(jī)泵監(jiān)測”窗口集中顯示了該泵的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、累積運(yùn)行時(shí)間與次數(shù)、電流值、頻率值、轉(zhuǎn)速值、累積流量等參數(shù)信息；還能對(duì)該泵進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制。
2、閘門的啟停及主要參數(shù)： “閘門監(jiān)測”窗口集中顯示了該閘門的當(dāng)前狀態(tài)、累積運(yùn)行時(shí)間與次數(shù)等參數(shù)信息；還能對(duì)該閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)閘控制。
3、格柵的主要參數(shù)： “格柵監(jiān)測”窗口集中顯示了格柵的當(dāng)前狀態(tài)等參數(shù)信息。
4、 “雨水排放操作”及“污水排放操作”窗口中包含了各種對(duì)雨水或污水排放的操作模式。
下圖為泵站監(jiān)測界面
電站監(jiān)測界面示意圖
數(shù)據(jù)采集
本系統(tǒng)對(duì)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行巡回采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采樣周期小于100ms，其中機(jī)組重要參數(shù)按性質(zhì)分為兩大類。
(1)開關(guān)類參數(shù):這類參數(shù)來源是PLC，如：機(jī)組控制開機(jī)、停機(jī)，閘門開關(guān)等；
(2)流量類參數(shù)：測量污水和雨水流量，它們來自液位儀，流量計(jì)，雨量計(jì)。如：機(jī)組各項(xiàng)繞組溫度及軸承溫度等。上位機(jī)對(duì)于不同設(shè)備分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)于PLC設(shè)備，使用時(shí)只需添加設(shè)備并進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)信息傳送;。根據(jù)用戶要求進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理，動(dòng)態(tài)顯示或者保存到數(shù)據(jù)庫中。
報(bào)表
報(bào)表是泵站管理的一項(xiàng)重要功能，系統(tǒng)要求上位機(jī)定時(shí)或召喚自動(dòng)出報(bào)表，設(shè)計(jì)的報(bào)表包括：泵站所有機(jī)組的運(yùn)行日志；污水和雨水流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表(分為年、月、日統(tǒng)計(jì)報(bào)表)；故障報(bào)警報(bào)表等。
6.結(jié)束語
該系統(tǒng)具有完善的泵站監(jiān)測和控制功能，滿足安全監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)及生產(chǎn)管理等多方面的要求，現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能，大大減輕了泵站運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過CloudControl組態(tài)的人機(jī)界面具有強(qiáng)大的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)管理功能，而且整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為用戶的泵站泵站監(jiān)控自動(dòng)化提供了理想的信息化解決方案。
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