自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行中的運(yùn)用探討

夏寒 張璇 陳佳琦

(江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處 江蘇宿遷 223800)

泵站運(yùn)行的主要目的是實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。目前，自動化成為各行各業(yè)的發(fā)展方向，所以泵站需緊跟時代發(fā)展潮流；且在長時間的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，自動化系統(tǒng)的應(yīng)用可為泵站運(yùn)行帶來新的可能。所以，如何在泵站運(yùn)行中應(yīng)用自動化系統(tǒng)成為相關(guān)工作人員不得不深入思考的問題。鑒于其涉及內(nèi)容較多，所以下文進(jìn)行深入探究，旨在為泵站運(yùn)行中應(yīng)用自動化系統(tǒng)提供理論依據(jù)，使其效用最大限度地發(fā)揮出來，推動泵站優(yōu)先發(fā)展的同時實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。

1 自動化系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 自動化系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及其工作原理

泵站自動化控制系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)為分層分布結(jié)構(gòu)，由PLC、現(xiàn)場測控設(shè)備、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)這4個部分組成。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泵站自動化系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為：環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)形式，其傳輸速率通常為100 Mbps；應(yīng)用協(xié)議為Ethernet Modbus TCP/IP，監(jiān)控主機(jī)、PLC均掛于總線。借助現(xiàn)場總線、傳感器、自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[1]。

1.1.2 監(jiān)控計(jì)算機(jī)

通常情況下，監(jiān)控計(jì)算機(jī)分為主監(jiān)控計(jì)算機(jī)、從監(jiān)控計(jì)算機(jī)兩種，且在計(jì)算機(jī)中安裝了監(jiān)控組態(tài)軟件，由運(yùn)行人員使用，借助其了解泵站運(yùn)行情況，并對其進(jìn)行調(diào)控。倘若發(fā)現(xiàn)事故，其會進(jìn)行語音警報(bào)，明確告知出現(xiàn)的故障及其原因。且在主監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時，從監(jiān)控計(jì)算機(jī)會自主接管工作；主監(jiān)控計(jì)算機(jī)如果恢復(fù)工作，從監(jiān)控計(jì)算機(jī)可將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至主監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

1.1.3 PLC

PLC 可對主機(jī)組情況、循環(huán)水泵壓力等裝置進(jìn)行監(jiān)測，并將其數(shù)據(jù)信息傳入監(jiān)控微機(jī)。同時，可接受上位機(jī)指令，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操控，并將執(zhí)行情況、結(jié)果上傳于監(jiān)控計(jì)算機(jī)。倘若出現(xiàn)故障，可自動與報(bào)警參數(shù)對比，并將相關(guān)信息反饋與主控機(jī)。

某泵站主變部分采用的一臺PLC，用來控制單元，液壓啟閉機(jī)、清污機(jī)采用的是兩臺PLC，其他部分共用一臺。在實(shí)際工作中，35 kV變電所及主機(jī)保護(hù)信號可實(shí)現(xiàn)通信管理機(jī)組的轉(zhuǎn)換，從而上傳信號[2]。各機(jī)組控制信號由主機(jī)控制單元管控，主機(jī)測溫系統(tǒng)連接的是巡檢儀，借助其進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息采集；并通過通信結(jié)構(gòu)與相應(yīng)控制單元相連接；機(jī)組振動、擺渡檢測系統(tǒng)由機(jī)組檢測儀采集，借助其通信結(jié)構(gòu)與控制單元相連；供排水泵等借助公用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。PLC借助現(xiàn)場總線這一方式實(shí)現(xiàn)智能儀表、直流系統(tǒng)、測控裝置的通信。

1.1.4 現(xiàn)場測控設(shè)備

現(xiàn)場測控設(shè)備較多，包括但不限于：變送器、包括主機(jī)綜合測控保護(hù)裝置、勵磁微機(jī)控制裝置以及主機(jī)組的振動、變配電設(shè)備綜合測控保護(hù)裝置等。這些測控設(shè)備可借助24VDC 開關(guān)量信號、4～20 mA 模擬信號連接PLC，并直接將自身運(yùn)行狀態(tài)傳送至PLC，由其進(jìn)行設(shè)備控制。

1.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括視頻控制主機(jī)及硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器和視頻儀設(shè)備。

1.2.1 視頻控制主機(jī)及硬盤錄像機(jī)

視頻主機(jī)可對視頻信號進(jìn)行接收，并對其進(jìn)行處理，使其成為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)信號后將其上傳于監(jiān)控視頻機(jī)[3-4]。而且，其還可通過以太網(wǎng)對攝像機(jī)、其他設(shè)備的信號進(jìn)行接收，將進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)與其他設(shè)備的有效控制。

1.2.2 監(jiān)視器和視頻儀設(shè)備

監(jiān)視器和投影儀設(shè)備系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)畫面、各設(shè)備信息的顯示。

2 自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 自動化控制系統(tǒng)的功能

2.1.1 數(shù)據(jù)采集及處理

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理是自動化控制系統(tǒng)的功能之一。具體而言，監(jiān)控軟件可將TCP/IP 接口利用起來，借助其實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的全部采集，內(nèi)容包括但不限于：各種設(shè)備的開關(guān)量、信號模擬量等，并對基本點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算、組合，從而完成數(shù)據(jù)采集及處理工作。

2.1.2 控制功能

自動化控制系統(tǒng)可借助PLC對清污機(jī)、配電裝置、主機(jī)組等進(jìn)行自動控制。

2.1.3 監(jiān)控與報(bào)警處理

由上述內(nèi)容可知，自動化系統(tǒng)中包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)，而監(jiān)控計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備、參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，并在出現(xiàn)故障、事故時進(jìn)行語音報(bào)警，并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中自動彈出窗口，窗口內(nèi)容包括但不限于故障內(nèi)容、故障時間[5]。

2.1.4 數(shù)據(jù)存儲與查詢

相關(guān)工作人員可將數(shù)據(jù)庫建立起來，對實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。同時，相關(guān)工作人員可借助數(shù)據(jù)庫對自己想要了解的信息進(jìn)行查詢。通常情況下，數(shù)據(jù)可以圖表、趨勢曲線的形式呈現(xiàn)，以便工作人員記錄、分析。

2.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)的功能

2.2.1 監(jiān)視和錄像功能

通過攝像頭可對泵站設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行24小時遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。因?yàn)閿z像機(jī)會24小時監(jiān)控相關(guān)區(qū)域，并將監(jiān)控到的內(nèi)容以視頻的方式上傳，相關(guān)工作人員可通過監(jiān)控機(jī)進(jìn)行觀看。

2.2.2 控制功能

在實(shí)際工作中，工作人員可借助監(jiān)控器進(jìn)行監(jiān)視。比如：可通過云臺轉(zhuǎn)動攝像頭，實(shí)現(xiàn)選擇性監(jiān)視區(qū)域?？筛淖償z像機(jī)鏡頭，改變監(jiān)視范圍、觀察效果。

2.2.3 檢索和查詢功能

相關(guān)工作人員可借助授權(quán)對錄像進(jìn)行檢索、查詢。

3 自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行中的運(yùn)用重要性

之所以將自動化系統(tǒng)應(yīng)用于泵站運(yùn)行中，是因?yàn)槠涫种匾丝梢酝苿颖谜具\(yùn)行現(xiàn)代化發(fā)展之外，還可達(dá)到如下目的。（1）監(jiān)控系統(tǒng)可以快速、有效、準(zhǔn)確地對泵站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、控制、調(diào)節(jié)，可及時發(fā)現(xiàn)意外事故，并采用有效手段進(jìn)行解決。從而為泵站正常運(yùn)行提供保障，為人們生活、生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。（2）對泵站控制點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行檢測分析。通過自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，可對泵站各主要設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行反饋，使值班人員快速了解設(shè)備、系統(tǒng)情況，從而發(fā)現(xiàn)問題、事故，并以彈窗、警告等方式將其反映給相關(guān)工作人員。同時，相關(guān)工作人員可通過修改相關(guān)參數(shù)的上限值、下限值將自動化系統(tǒng)的實(shí)效性、靈活性予以提高。（3）調(diào)節(jié)泵站設(shè)備。通過自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，可使相關(guān)工作人員在操作室便對泵站設(shè)備的啟停、閥門、供水工藝進(jìn)行操作。同時，可借助系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置解決值班人員在操作過程中出現(xiàn)失誤的問題。

4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

4.1 設(shè)備自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

就自動化監(jiān)控系統(tǒng)而言，其PLC共計(jì)9套：一是電氣設(shè)備共用的一套PLC；二是負(fù)責(zé)機(jī)組程控啟停操作、狀態(tài)監(jiān)視的一套PLC；三是泵組現(xiàn)地設(shè)備的3 套PLC；四是供水系統(tǒng)的一套PLC；五是輔機(jī)設(shè)備的一套PLC；六是節(jié)制閘啟閉機(jī)設(shè)備的一套PLC；七是輸送機(jī)、清污機(jī)所配置的一套PLC。目前，現(xiàn)地、中機(jī)組、公用設(shè)備控制、現(xiàn)地控制等PLC采用的是Unit Quantum系列，且所有的PLC都配置了液晶觸摸屏，旨在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的操作；輔機(jī)、清污機(jī)、節(jié)制閘控制等PLC 采用的M340 系列。上位機(jī)組態(tài)軟件需采用Kingview[6-7]。

其功能具體如下。

（1）數(shù)據(jù)采集及處理。由相關(guān)工作人員設(shè)置需記錄的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用適合手段對電氣模擬量、水位模擬量、事故信號開關(guān)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。（2）統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。在實(shí)際工作中，自動化控制系統(tǒng)會對事故、故障、參數(shù)異常情況、設(shè)備運(yùn)行時間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，從而確保相關(guān)工作人員及時了解設(shè)備情況。（3）參數(shù)在線修改。相關(guān)工作人員可借助通過其修改一些關(guān)鍵數(shù)值、公式，比如溫度標(biāo)定值、計(jì)算公式等。（4）控制與調(diào)節(jié)功能。相關(guān)工作人員可借助監(jiān)控主機(jī)界面進(jìn)行調(diào)節(jié)，修改并點(diǎn)擊完成后，計(jì)算機(jī)便可將相關(guān)制定傳輸至PLC，由其進(jìn)行設(shè)備控制。（5）設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄與生產(chǎn)管理。其可實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的24小時監(jiān)控，而且在得到相關(guān)數(shù)據(jù)信息后，操作人員可利用其對整體系統(tǒng)進(jìn)行分析。同時，系統(tǒng)可自動生成報(bào)表。

4.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可采用如下配置。

網(wǎng)絡(luò)固定位紅外攝像機(jī)：?？低暪镜腄S-2CD2T25D-13 系列；網(wǎng)絡(luò)全方位球形攝像機(jī)：海康威視公司的DS-2CD2T25D-13系列；硬盤錄像機(jī)NVR：海康威視公司的DS-8632N-E8系列；存儲硬盤：3TB7200轉(zhuǎn)64MSATS3監(jiān)控級硬盤等[8]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能具體如下。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)視與錄像。通過攝像機(jī)獲取相關(guān)視頻、圖像，并將其實(shí)時上傳于平臺。存儲圖像、視頻時，可含有圖像編號、圖像地址、存儲時期等。（2）實(shí)時控制。自動化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)云臺、攝像機(jī)的有效控制，可對攝影機(jī)變焦、光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保圖像與實(shí)際要求相符。（3）在線瀏覽。通過以太網(wǎng)接口，工作人員可借助終端實(shí)現(xiàn)視頻圖像的瀏覽。

4.3 數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理服務(wù)器可將戴爾PowerEdge T320塔式服務(wù)器利用起來，借助其實(shí)現(xiàn)水位、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信號等數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、管理。如果現(xiàn)場PLC 采集到一定信息，會自主將其傳至服務(wù)器，而服務(wù)器可將其以規(guī)范情況納入實(shí)時數(shù)據(jù)中，并借助移動光纖按照相應(yīng)規(guī)則將實(shí)際數(shù)據(jù)信息上傳于城市防洪平臺中。就目前情況而言，數(shù)據(jù)庫管理信息有：設(shè)備運(yùn)行情況、閘門運(yùn)行情況、操作記錄等。

5 我國泵站自動化發(fā)展歷程

我國泵站自動化發(fā)展經(jīng)歷了半自動化階段、全自動化階段、綜合自動化階段這3 個階段。就半自動化階段而言，就是以人為主、以控制系統(tǒng)及設(shè)備為輔完成泵站運(yùn)行管理。具體表現(xiàn)為：工作人員需對相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行操控；人工進(jìn)行設(shè)備檢修、運(yùn)行維護(hù)[9-10]。就全自動化階段而言，就是引入水位、壓力繼電器等自動化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。就綜合自動化管理而言，就是融入先進(jìn)技術(shù)，使其具備更多功能，且管理更加智能。

6 自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行中的運(yùn)用

6.1 自動化監(jiān)管系統(tǒng)

自動化監(jiān)管系統(tǒng)簡單來說就是借助自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)管，對各設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)異常，便會及時進(jìn)行警報(bào)。同時，在監(jiān)管過程中，監(jiān)管系統(tǒng)會對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集、分析，從而生成相關(guān)趨勢圖，為相關(guān)工作人員對設(shè)備運(yùn)行狀況預(yù)測提供保障，從而有效避免故障的發(fā)生。就目前而言，其可簡單分為視頻監(jiān)管系統(tǒng)和電子監(jiān)管系統(tǒng)兩種[11]。視頻監(jiān)管系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，將所檢測到的數(shù)據(jù)內(nèi)容以視頻的形式呈現(xiàn)，使相關(guān)工作人員遠(yuǎn)程了解泵站設(shè)備運(yùn)行情況。電子監(jiān)管通常為分層監(jiān)管，其優(yōu)勢在于：不必派遣專門人員進(jìn)行監(jiān)管，但為確保系統(tǒng)可發(fā)揮其效用，需要定期進(jìn)行檢查、巡視，確保分站人員可將指令落實(shí)到位。目前，電子監(jiān)管系統(tǒng)可簡單分為兩個控制級，一是以中心控制室為核心的主要控制級，二是現(xiàn)場控制級。

6.2 自動化控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)的作用為：對泵站關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)備具體狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保其為正常狀態(tài)的情況下開展遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程調(diào)度工作[12]。在進(jìn)行自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，相關(guān)工作人員需將泵站運(yùn)行需求充分考慮到，需將變電所操作規(guī)范重視起來。目前，其控制方式有手動、自動兩種。一般情況下，采用的是自動控制，但若是自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障、意外時，需將手動控制方式利用起來，以確保人員、設(shè)備安全。

6.3 自動化保護(hù)系統(tǒng)

自動化保護(hù)系統(tǒng)包括但不限于微機(jī)保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)、進(jìn)線保護(hù)，其可為設(shè)備的順利運(yùn)行提供保障，可確保各設(shè)備順利執(zhí)行相關(guān)命令。通常情況下，用于保護(hù)的監(jiān)控裝置需放置于高壓開關(guān)柜內(nèi)，且需確保其可分散布設(shè)。同時，需將以太網(wǎng)通信機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配備與測控裝置中。

6.4 自動化通信系統(tǒng)

自動化通信系統(tǒng)依托于以太網(wǎng)及數(shù)字體系通信系統(tǒng)。通過自動化通信系統(tǒng)的運(yùn)用，可達(dá)到自動化控制泵站的目的，可進(jìn)行信息的自動化采集。通常情況下，其可對網(wǎng)絡(luò)平臺、信息交換平臺、分站傳輸平臺進(jìn)行控制，且為數(shù)據(jù)的互通、互聯(lián)提供保障[13]。在長時間的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，其作用可表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）對泵站內(nèi)的區(qū)域、設(shè)備、儀器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通，并確保泵站管理運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)可以進(jìn)行及時準(zhǔn)確的搜集、傳播；（2）實(shí)現(xiàn)泵站管理現(xiàn)代化，即：可為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、語音、圖像的傳輸提供支撐，從而確保泵站具有互通性、可擴(kuò)展性、兼容性。

7 自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行管理中的應(yīng)用前景

隨著時代的發(fā)展，自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行管理中的應(yīng)用會更加深入，且為泵站運(yùn)行帶來新的可能。下面就自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行管理中的應(yīng)用前景進(jìn)行闡述。

7.1 自我診斷功能的完善

雖然自動化系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于泵站運(yùn)行管理中，但在實(shí)際工作中存在一定不足，所以技術(shù)人員會根據(jù)當(dāng)前自動化系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行升級改造，將目前存在的故障盡可能消除[14]。比如：技術(shù)人員將更多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中，包括但不限于頻譜分析技術(shù)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，其可有效提高泵站自動化系統(tǒng)中的人機(jī)協(xié)調(diào)能力，有效推動其發(fā)展。

7.2 信息實(shí)時管理

自動化系統(tǒng)會自動搜集各項(xiàng)數(shù)據(jù)、信息，并將其上傳于操作端。而就目前情況而言，自動化系統(tǒng)的信息上傳、管理存在滯后性，具體表現(xiàn)為：機(jī)器、系統(tǒng)出問題后工作人員才知曉。因此，自動化系統(tǒng)在泵站運(yùn)行管理中的應(yīng)用需將信息實(shí)時管理當(dāng)作重點(diǎn)。而這有利于工作人員及時了解設(shè)備、系統(tǒng)狀態(tài)，并基于此做出正確決策，從而有效提高泵站管理效果、泵站維護(hù)水平。

7.3 管控一體化

管控一體化也是自動化系統(tǒng)應(yīng)用于泵站運(yùn)營管理中的前景之一。具體而言，目前技術(shù)人員已將嵌入式智能控制設(shè)備、OCS 控制器應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中，而這，決定著未來泵站管理將會將管理、控制、測量一體化當(dāng)作根本方向[15]。比如：將自動化監(jiān)控系統(tǒng)利用起來，工作人員可借助其了解泵站設(shè)備運(yùn)行情況，可基于多泵站工作最優(yōu)化目標(biāo)完成調(diào)度工作，從而實(shí)現(xiàn)一體化管控。

8 結(jié)語

綜上所述，將自動化系統(tǒng)運(yùn)用于泵站運(yùn)行管理中是時代發(fā)展的必然趨勢，是推動自身發(fā)展的唯一路徑，是提高水資源利用的重要方法，是滿足人類生產(chǎn)、生活需求的前提。泵站運(yùn)行中的自動化系統(tǒng)運(yùn)用涉及較多內(nèi)容，具有十分重要的作用。所以，如何在泵站運(yùn)行中應(yīng)用自動化系統(tǒng)成為相關(guān)工作人員不得不深入思考的問題。相關(guān)工作人員可從自動化監(jiān)管系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、自動化保護(hù)系統(tǒng)、自動化通信系統(tǒng)這幾個方面入手。就自動化監(jiān)管系統(tǒng)而言，其可實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行的有效監(jiān)管；就自動化控制系統(tǒng)而言，其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場控制，為泵站設(shè)備正常運(yùn)行提供保障；就自動化保護(hù)系統(tǒng)而言，可為系統(tǒng)運(yùn)用奠定良好基礎(chǔ)；就自動化通信系統(tǒng)而言，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效、實(shí)時傳播。如此，便可將其效用最大限度地發(fā)揮出來，為泵站帶來新的可能，為泵站的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。