供水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計探討

摘" 要：為提高供水泵站管理水平和泵站設備運行效率，設計自動化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為分層分布式結構，由主控層、通信模塊及現(xiàn)場控制層組成?，F(xiàn)場控制層的各類傳感器實時采集溫度、壓力、水位等數(shù)據(jù)，并通過Modbus通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至計算機；計算機將數(shù)據(jù)分析結果以圖表等形式呈現(xiàn)在監(jiān)控屏幕上，用戶利用屏幕按鍵發(fā)布遠程控制指令，PLC接收指令后控制前端執(zhí)行機構作出相應動作，調節(jié)機組溫度、壓力、水位，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

關鍵詞：供水泵站；自動化監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器；PLC；通信協(xié)議

中圖分類號：TV675" " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0126-04

Abstract： In order to improve the management level of water supply pumping stations and the operating efficiency of pumping stations equipment， an automated monitoring system was designed. The system is a hierarchical and distributed structure， consisting of a main control layer， a communication module and a field control layer. Various sensors on the on-site control layer collect temperature， pressure， water level and other data in real time and upload the data to the computer through Modbus communication protocol; the computer presents the data analysis results on the monitoring screen in the form of charts and other forms， and the user uses the screen buttons to issue remote control instructions. After receiving the instructions， the PLC controls the front-end actuator to take corresponding actions to adjust the unit temperature， pressure， and water level， realizing closed-loop control.

Keywords： water supply pumping station; automated monitoring system; sensors; PLC; communication protocol

供水泵站包含變壓器、控制柜、主電機和閘門啟閉機等若干類設備，由于工作環(huán)境復雜加上運行年限增加，設備發(fā)生故障的概率也會同步上升，嚴重影響供水泵站的正常運行。在供水泵站自動化和信息化水平不斷升高的背景下，設計并應用面向供水泵站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可以讓工作人員實現(xiàn)遠程監(jiān)控，一方面能夠減輕管理壓力，達到節(jié)約人力成本、提高管理效率的目的，另一方面又能提高監(jiān)控的時效性，確保泵站設備在發(fā)生異常工況后能夠第一時間告警、處理，從而維護供水泵站的安全運行。

1" 供水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構

本文設計的供水泵組自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，整體架構由3部分組成：①主控層，硬件設備有監(jiān)控計算機、通信管理機及網(wǎng)始終端服務器。通信管理機可以接收前端傳感器提供的供水泵站電氣信息，并將其傳輸至監(jiān)控計算機。利用計算機上的軟件完成信息處理后，以圖表等形式直觀呈現(xiàn)，以便于工作人員實時性、可視化地監(jiān)控供水泵組的現(xiàn)場情況。②現(xiàn)場控制層，硬件設備包括PLC、觸摸屏，以及各類傳感器和執(zhí)行機構，水位傳感器、溫度傳感器等采集信號上傳至PLC，PLC發(fā)送指令控制閥門等執(zhí)行機構完成對溫度、壓力、流量的調控[1]。③主控層與現(xiàn)場控制層之間通過通信模塊進行數(shù)據(jù)的上傳和指令的下達，實現(xiàn)雙向通信。該系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。

1.1" 主控層

該系統(tǒng)的主控層主要用于處理供水泵站運行中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)，處理結果以圖表形式進行直觀呈現(xiàn)；同時支持工作人員通過人機交互界面設定相關參數(shù)。本文將主控層監(jiān)控系統(tǒng)設計成“交互式人機對話多窗口”模式，每項功能獨占一個窗口，通過合理劃分窗口保證了系統(tǒng)界面的簡潔性，優(yōu)化了用戶的操作體驗，對提高供水泵組管理效率也有一定幫助?；诎踩栽瓌t，在主控層設計中添加了權限認證，用戶在啟動自動化監(jiān)控系統(tǒng)后首先執(zhí)行登錄操作，需要輸入對應的賬戶名與密碼。在驗證通過后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶提交的用戶名判斷所屬權限，只開放權限范圍內(nèi)的功能，避免了越權操作的情況，從而保證了控制安全[2]。

1.2" 現(xiàn)場控制層

該系統(tǒng)的現(xiàn)場控制層主要用戶采集供水泵站運行期間的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)上位機發(fā)布指令控制前端執(zhí)行機構作出相應動作，實現(xiàn)供水泵站的閉環(huán)控制。根據(jù)用戶實際需求，本文在設計現(xiàn)場控制層時提供了遠程控制和就地控制2種模式，默認為遠程控制，當遠程通信出現(xiàn)故障或者需要緊急停車時，可以切換為就地控制。

2" 自動化監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

2.1" 現(xiàn)場控制層PLC的選型

PLC（可編程邏輯控制器）作為現(xiàn)場控制層的核心單元，一方面需要對前端傳感器采集的海量數(shù)據(jù)進行預處理，另一方面又要實時接收上位機下達指令并控制執(zhí)行機構準確、快速地作出相應動作。因此，在供水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，PLC的選型是決定系統(tǒng)性能的關鍵因素。結合該系統(tǒng)的功能需要，PLC應滿足抗干擾、可擴展、可靠性好和指令豐富等基本要求。現(xiàn)階段常用的PLC產(chǎn)品有施耐德Premium系列、昆騰Quantum系列等，對比情況見表1。

從主流PLC的對比情況來看，Premium系列PLC具有價格適中、性能更高、指令豐富、易于維護等優(yōu)點，另外該系列PLC的每個I/O模塊都能獨立鏈接CPU，這就保證了當任意一個模塊出現(xiàn)故障后，都不會對其他模塊產(chǎn)生干擾，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。本文選用了Premium系列的TSX P57 3634M型PLC，自帶PCMCIA擴展卡，提供2.2 MB的程序存儲和256 KB的數(shù)據(jù)存儲，采用雙絞線光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸速率可達100 Mbps。數(shù)字量輸入模塊設計了32個分辨率為12位的通道，模擬量輸入模塊設計了16個分辨率為16位的通道，利用通信卡與觸摸屏連接。

2.2" 傳感器的設計

基于供水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)利用不同類型的傳感器采集數(shù)據(jù)，可采集數(shù)據(jù)類型包括壓力、開度、溫度和水位等，采集的模擬信號經(jīng)過一個A/D轉換器后變成數(shù)字信號，然后進入到數(shù)據(jù)采集卡中暫存，以設定好的頻率每隔一段時間將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機[3]。采用MPM489型可調壓力傳感器、ZKY-3型閘門開度儀、Pt100溫度傳感器，這里以開度儀為例介紹其設計內(nèi)容。ZKY-3型閘門開度儀通過SSI接口連接編碼器，兩者組合后可以實時監(jiān)測閘門開度信號。為提高傳感器的抗干擾能力，開度儀的輸入和輸出電路均使用了光電隔離技術，保證了信號質量。可通過按鍵控制的方式預設繼電器動作的觸發(fā)條件，在觸發(fā)以后繼電器動作，同時紅色指示燈閃爍、蜂鳴器報警，提醒工作人員及時處理異常情況。ZKY-3型開度儀的接線方式如圖2所示。

3" 自動化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

3.1" 上層監(jiān)控系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)使用西門子WinCC開發(fā)平臺進行了上層監(jiān)控系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)的人機界面包含啟動界面、數(shù)據(jù)記錄界面、機組溫度監(jiān)控界面以及故障報警界面等。以機組溫度的故障報警界面為例，每個機組對應一組信號燈，當機組工況正常時信號燈為綠色常亮；當機組出現(xiàn)異常工況時信號燈為黃色常亮；當機組因故障停止運行后信號燈為紅色閃爍[4]。這樣一來，工作人員可以通過監(jiān)控窗口一目了然地掌握供水泵組各個機組的運行情況，在機組故障后能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并處理，從而保證了供水泵組的穩(wěn)定和可靠運行。

3.2" 下層PLC程序設計

該系統(tǒng)的PLC程序采用結構化編程，在明確系統(tǒng)主要功能的基礎上設計相應的子程序實現(xiàn)功能。為了減輕系統(tǒng)運行負載，由主程序決定調用和執(zhí)行的子程序，其他未被調用的子程序則不會運行。PLC子程序設計如圖3所示。

以電機脈沖控制子程序為例，該程序用于控制機組排污泵和潛水泵，有開啟和關閉2種狀態(tài)。如果機組處于正常運行狀態(tài)，工作人員可通過上位機的監(jiān)控屏幕下達開啟/關閉操作，實現(xiàn)對電機的遠程控制；如果機組處于故障狀態(tài)（如跳閘、失壓等），則PLC自動發(fā)出停機指令，使機組停機。在工作人員排除故障后手動啟動機組。

4" 自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊設計

考慮到供水泵組自動化監(jiān)控系統(tǒng)的運行環(huán)境較為復雜，因此對通信能力要求較高，確保在發(fā)生突發(fā)狀況后能夠第一時間告警，以便于工作人員盡快采取措施。本文在設計自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊時，根據(jù)通信對象和通信要求的不同，靈活選擇了多種通信協(xié)議。

基于通信質量要求，高壓10 kV進線柜、電壓電流檢測柜以及變壓器控制柜等高壓線路的保護裝置，首先執(zhí)行IEC103通信協(xié)議將海量的同源異構數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)通信網(wǎng)關；再由通信網(wǎng)關執(zhí)行Modbus TCP通信協(xié)議將預處理（包括降噪、濾波等）后的信號發(fā)送至上位機（監(jiān)控計算機）。這樣就最大程度上減少了電氣檢測信息和保護信息在遠距離傳輸過程中的損耗，從而提高了通信質量[5]。

基于時效性要求，溫度巡檢儀、水位傳感器、閘門開度儀等前端傳感器，在實時采集供水泵站的溫度、水位、開度和壓力等信號后，執(zhí)行Modbus RTU協(xié)議與下位機（PLC）建立通信，將信號同步發(fā)送給PLC，以滿足實時監(jiān)控的需要。

基于穩(wěn)定性要求，機組PLC與分布式I/O口之間通過Profinet以太網(wǎng)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)交互。由于I/O口數(shù)量較多并且分布廣泛，在并行通信過程中容易出現(xiàn)信道堵塞的問題。在設計中選擇了Profinet以太網(wǎng)通信協(xié)議可以預防此類問題，從而提高了自動化監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通信模塊的拓撲結構如圖4所示。

由圖4可知，供水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊中重點使用了Modbus協(xié)議，該協(xié)議通過TCP/IP接口滿足了上位機與下位機、現(xiàn)場站與遠程監(jiān)控站之間的雙向通信，該協(xié)議的功能碼見表2。

在設計中，將該系統(tǒng)各個硬件的IO地址添加到中間寄存器中，可以節(jié)省讀取數(shù)據(jù)花費的時間，不需要頻繁訪問存儲器，從而提高了自動化監(jiān)控系統(tǒng)的響應速度，優(yōu)化了用戶的使用體驗。

5" 結束語

為實現(xiàn)供水泵站的高效管理和無人值守，需要結合泵站運行情況設計自動化監(jiān)控系統(tǒng)。硬件方面需要合理選擇PLC、傳感器、觸摸屏等，兼顧實用性和可靠性，適應復雜工作環(huán)境；軟件方面則要使用與PLC配套的編程軟件，在支持硬件功能實現(xiàn)的基礎上使系統(tǒng)界面簡潔、流暢，提高系統(tǒng)的人機交互體驗。

參考文獻：

[1] 孫大東，吳西.水利泵站計算機自動化及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用[J].農(nóng)機化研究，2024，46（4）：207-210.

[2] 楊文鋒.高揚程電力提灌泵站計算機自動化及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用[J].農(nóng)經(jīng)，2023（5）：54-56.

[3] 任曉芳，張維玲.基于云服務平臺的泵站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2023（1）：31-34，107.

[4] 魏新玲.基于大型電力提灌工程的泵站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2022，12（11）：38-39.

[5] 孟令明，彭菲，姜爽，等.計算機自動化及遠程監(jiān)控系統(tǒng)在水利泵站的應用[J].水電站機電技術，2023，46（2）：33-35.