自動化系統在泵站運行中的運用探討

夏寒 張璇 陳佳琦

(江蘇省駱運水利工程管理處 江蘇宿遷 223800)

泵站運行的主要目的是實現水資源的合理利用。目前，自動化成為各行各業的發展方向，所以泵站需緊跟時代發展潮流；且在長時間的實踐中發現，自動化系統的應用可為泵站運行帶來新的可能。所以，如何在泵站運行中應用自動化系統成為相關工作人員不得不深入思考的問題。鑒于其涉及內容較多，所以下文進行深入探究，旨在為泵站運行中應用自動化系統提供理論依據，使其效用最大限度地發揮出來，推動泵站優先發展的同時實現水資源的合理利用。

1 自動化系統的主要結構及其工作原理

1.1 自動化系統的主要結構及其工作原理

泵站自動化控制系統所采用的結構為分層分布結構，由PLC、現場測控設備、監控計算機、網絡通信系統這4個部分組成。

1.1.1 網絡結構

通過調查發現，泵站自動化系統的監控系統網絡結構為：環網組網形式，其傳輸速率通常為100 Mbps；應用協議為Ethernet Modbus TCP/IP，監控主機、PLC均掛于總線。借助現場總線、傳感器、自動化設備實現數據通信[1]。

1.1.2 監控計算機

通常情況下，監控計算機分為主監控計算機、從監控計算機兩種，且在計算機中安裝了監控組態軟件，由運行人員使用，借助其了解泵站運行情況，并對其進行調控。倘若發現事故，其會進行語音警報，明確告知出現的故障及其原因。且在主監控計算機出現故障時，從監控計算機會自主接管工作；主監控計算機如果恢復工作，從監控計算機可將相關數據傳送至主監控計算機。

1.1.3 PLC

PLC 可對主機組情況、循環水泵壓力等裝置進行監測，并將其數據信息傳入監控微機。同時，可接受上位機指令，對現場設備進行操控，并將執行情況、結果上傳于監控計算機。倘若出現故障，可自動與報警參數對比，并將相關信息反饋與主控機。

某泵站主變部分采用的一臺PLC，用來控制單元，液壓啟閉機、清污機采用的是兩臺PLC，其他部分共用一臺。在實際工作中，35 kV變電所及主機保護信號可實現通信管理機組的轉換，從而上傳信號[2]。各機組控制信號由主機控制單元管控，主機測溫系統連接的是巡檢儀，借助其進行數據、信息采集；并通過通信結構與相應控制單元相連接；機組振動、擺渡檢測系統由機組檢測儀采集，借助其通信結構與控制單元相連；供排水泵等借助公用PLC進行數據上傳。PLC借助現場總線這一方式實現智能儀表、直流系統、測控裝置的通信。

1.1.4 現場測控設備

現場測控設備較多，包括但不限于：變送器、包括主機綜合測控保護裝置、勵磁微機控制裝置以及主機組的振動、變配電設備綜合測控保護裝置等。這些測控設備可借助24VDC 開關量信號、4～20 mA 模擬信號連接PLC，并直接將自身運行狀態傳送至PLC，由其進行設備控制。

1.2 視頻監視系統結構和工作原理

視頻監視系統結構包括視頻控制主機及硬盤錄像機、監視器和視頻儀設備。

1.2.1 視頻控制主機及硬盤錄像機

視頻主機可對視頻信號進行接收，并對其進行處理，使其成為以太網標準信號后將其上傳于監控視頻機[3-4]。而且，其還可通過以太網對攝像機、其他設備的信號進行接收，將進行轉換，從而實現攝像機與其他設備的有效控制。

1.2.2 監視器和視頻儀設備

監視器和投影儀設備系統的可實現監控系統畫面、各設備信息的顯示。

2 自動化系統實現的功能

2.1 自動化控制系統的功能

2.1.1 數據采集及處理

實現數據采集及處理是自動化控制系統的功能之一。具體而言，監控軟件可將TCP/IP 接口利用起來，借助其實現對現場數據的全部采集，內容包括但不限于：各種設備的開關量、信號模擬量等，并對基本點進行運算、組合，從而完成數據采集及處理工作。

2.1.2 控制功能

自動化控制系統可借助PLC對清污機、配電裝置、主機組等進行自動控制。

2.1.3 監控與報警處理

由上述內容可知，自動化系統中包括監控計算機，而監控計算機可實現相關設備、參數的實時監控，并在出現故障、事故時進行語音報警，并在監控計算機中自動彈出窗口，窗口內容包括但不限于故障內容、故障時間[5]。

2.1.4 數據存儲與查詢

相關工作人員可將數據庫建立起來，對實時數據、歷史數據進行存儲。同時，相關工作人員可借助數據庫對自己想要了解的信息進行查詢。通常情況下，數據可以圖表、趨勢曲線的形式呈現，以便工作人員記錄、分析。

2.2 視頻監視系統的功能

2.2.1 監視和錄像功能

通過攝像頭可對泵站設備、環境進行24小時遠程實時監控。因為攝像機會24小時監控相關區域，并將監控到的內容以視頻的方式上傳，相關工作人員可通過監控機進行觀看。

2.2.2 控制功能

在實際工作中，工作人員可借助監控器進行監視。比如：可通過云臺轉動攝像頭，實現選擇性監視區域。可改變攝像機鏡頭，改變監視范圍、觀察效果。

2.2.3 檢索和查詢功能

相關工作人員可借助授權對錄像進行檢索、查詢。

3 自動化系統在泵站運行中的運用重要性

之所以將自動化系統應用于泵站運行中，是因為其十分重要，除了可以推動泵站運行現代化發展之外，還可達到如下目的。（1）監控系統可以快速、有效、準確地對泵站設備進行監控，實現數據采集、處理、控制、調節，可及時發現意外事故，并采用有效手段進行解決。從而為泵站正常運行提供保障，為人們生活、生產奠定良好基礎。（2）對泵站控制點參數進行檢測分析。通過自動化系統的應用，可對泵站各主要設備的運行情況進行反饋，使值班人員快速了解設備、系統情況，從而發現問題、事故，并以彈窗、警告等方式將其反映給相關工作人員。同時，相關工作人員可通過修改相關參數的上限值、下限值將自動化系統的實效性、靈活性予以提高。（3）調節泵站設備。通過自動化系統的應用，可使相關工作人員在操作室便對泵站設備的啟停、閥門、供水工藝進行操作。同時，可借助系統內部設置解決值班人員在操作過程中出現失誤的問題。

4 計算機監控系統改造方案

4.1 設備自動化監控系統的設計及實現

就自動化監控系統而言，其PLC共計9套：一是電氣設備共用的一套PLC；二是負責機組程控啟停操作、狀態監視的一套PLC；三是泵組現地設備的3 套PLC；四是供水系統的一套PLC；五是輔機設備的一套PLC；六是節制閘啟閉機設備的一套PLC；七是輸送機、清污機所配置的一套PLC。目前，現地、中機組、公用設備控制、現地控制等PLC采用的是Unit Quantum系列，且所有的PLC都配置了液晶觸摸屏，旨在實現現的操作；輔機、清污機、節制閘控制等PLC 采用的M340 系列。上位機組態軟件需采用Kingview[6-7]。

其功能具體如下。

（1）數據采集及處理。由相關工作人員設置需記錄的數據庫，系統采用適合手段對電氣模擬量、水位模擬量、事故信號開關量等數據進行記錄。（2）統計與計算。在實際工作中，自動化控制系統會對事故、故障、參數異常情況、設備運行時間等進行統計記錄，從而確保相關工作人員及時了解設備情況。（3）參數在線修改。相關工作人員可借助通過其修改一些關鍵數值、公式，比如溫度標定值、計算公式等。（4）控制與調節功能。相關工作人員可借助監控主機界面進行調節，修改并點擊完成后，計算機便可將相關制定傳輸至PLC，由其進行設備控制。（5）設備運行統計記錄與生產管理。其可實現各種數據的24小時監控，而且在得到相關數據信息后，操作人員可利用其對整體系統進行分析。同時，系統可自動生成報表。

4.2 視頻監控系統的設計及實現

視頻監控系統的設計可采用如下配置。

網絡固定位紅外攝像機：海康威視公司的DS-2CD2T25D-13 系列；網絡全方位球形攝像機：海康威視公司的DS-2CD2T25D-13系列；硬盤錄像機NVR：海康威視公司的DS-8632N-E8系列；存儲硬盤：3TB7200轉64MSATS3監控級硬盤等[8]。

視頻監控系統的功能具體如下。

（1）遠程監視與錄像。通過攝像機獲取相關視頻、圖像，并將其實時上傳于平臺。存儲圖像、視頻時，可含有圖像編號、圖像地址、存儲時期等。（2）實時控制。自動化系統可實現云臺、攝像機的有效控制，可對攝影機變焦、光圈進行調節，從而確保圖像與實際要求相符。（3）在線瀏覽。通過以太網接口，工作人員可借助終端實現視頻圖像的瀏覽。

4.3 數據管理和傳輸系統設計及實現

數據管理服務器可將戴爾PowerEdge T320塔式服務器利用起來，借助其實現水位、設備運行狀態、故障報警信號等數據進行傳輸、管理。如果現場PLC 采集到一定信息，會自主將其傳至服務器，而服務器可將其以規范情況納入實時數據中，并借助移動光纖按照相應規則將實際數據信息上傳于城市防洪平臺中。就目前情況而言，數據庫管理信息有：設備運行情況、閘門運行情況、操作記錄等。

5 我國泵站自動化發展歷程

我國泵站自動化發展經歷了半自動化階段、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、以控制系統及設備為輔完成泵站運行管理。具體表現為：工作人員需對相關設備、系統進行操控；人工進行設備檢修、運行維護[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備，實現閉環控制。就綜合自動化管理而言，就是融入先進技術，使其具備更多功能，且管理更加智能。

6 自動化系統在泵站運行中的運用

6.1 自動化監管系統

自動化監管系統簡單來說就是借助自動化系統實現設備監管，對各設備運行狀況進行監測，如果發現異常，便會及時進行警報。同時，在監管過程中，監管系統會對相關參數進行收集、分析，從而生成相關趨勢圖，為相關工作人員對設備運行狀況預測提供保障，從而有效避免故障的發生。就目前而言，其可簡單分為視頻監管系統和電子監管系統兩種[11]。視頻監管系統的優勢在于，將所檢測到的數據內容以視頻的形式呈現，使相關工作人員遠程了解泵站設備運行情況。電子監管通常為分層監管，其優勢在于：不必派遣專門人員進行監管，但為確保系統可發揮其效用，需要定期進行檢查、巡視，確保分站人員可將指令落實到位。目前，電子監管系統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，二是現場控制級。

6.2 自動化控制系統

自動化控制系統的作用為：對泵站關鍵參數、設備具體狀況進行監控，確保其為正常狀態的情況下開展遠程控制、遠程調度工作[12]。在進行自動化控制系統設計時，相關工作人員需將泵站運行需求充分考慮到，需將變電所操作規范重視起來。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出現故障、意外時，需將手動控制方式利用起來，以確保人員、設備安全。

6.3 自動化保護系統

自動化保護系統包括但不限于微機保護、母聯保護、進線保護，其可為設備的順利運行提供保障，可確保各設備順利執行相關命令。通常情況下，用于保護的監控裝置需放置于高壓開關柜內，且需確保其可分散布設。同時，需將以太網通信機、網絡交換機配備與測控裝置中。

6.4 自動化通信系統

自動化通信系統依托于以太網及數字體系通信系統。通過自動化通信系統的運用，可達到自動化控制泵站的目的，可進行信息的自動化采集。通常情況下，其可對網絡平臺、信息交換平臺、分站傳輸平臺進行控制，且為數據的互通、互聯提供保障[13]。在長時間的實踐中發現，其作用可表現在以下幾個方面：（1）對泵站內的區域、設備、儀器進行控制，實現互聯、互通，并確保泵站管理運行中的各種數據可以進行及時準確的搜集、傳播；（2）實現泵站管理現代化，即：可為系統的數據、語音、圖像的傳輸提供支撐，從而確保泵站具有互通性、可擴展性、兼容性。

7 自動化系統在泵站運行管理中的應用前景

隨著時代的發展，自動化系統在泵站運行管理中的應用會更加深入，且為泵站運行帶來新的可能。下面就自動化系統在泵站運行管理中的應用前景進行闡述。

7.1 自我診斷功能的完善

雖然自動化系統現已被廣泛應用于泵站運行管理中，但在實際工作中存在一定不足，所以技術人員會根據當前自動化系統的應用情況進行升級改造，將目前存在的故障盡可能消除[14]。比如：技術人員將更多先進技術應用于自動化系統中，包括但不限于頻譜分析技術、BP神經網絡、多數據融合技術等，其可有效提高泵站自動化系統中的人機協調能力，有效推動其發展。

7.2 信息實時管理

自動化系統會自動搜集各項數據、信息，并將其上傳于操作端。而就目前情況而言，自動化系統的信息上傳、管理存在滯后性，具體表現為：機器、系統出問題后工作人員才知曉。因此，自動化系統在泵站運行管理中的應用需將信息實時管理當作重點。而這有利于工作人員及時了解設備、系統狀態，并基于此做出正確決策，從而有效提高泵站管理效果、泵站維護水平。

7.3 管控一體化

管控一體化也是自動化系統應用于泵站運營管理中的前景之一。具體而言，目前技術人員已將嵌入式智能控制設備、OCS 控制器應用于自動化系統中，而這，決定著未來泵站管理將會將管理、控制、測量一體化當作根本方向[15]。比如：將自動化監控系統利用起來，工作人員可借助其了解泵站設備運行情況，可基于多泵站工作最優化目標完成調度工作，從而實現一體化管控。

8 結語

綜上所述，將自動化系統運用于泵站運行管理中是時代發展的必然趨勢，是推動自身發展的唯一路徑，是提高水資源利用的重要方法，是滿足人類生產、生活需求的前提。泵站運行中的自動化系統運用涉及較多內容，具有十分重要的作用。所以，如何在泵站運行中應用自動化系統成為相關工作人員不得不深入思考的問題。相關工作人員可從自動化監管系統、自動化控制系統、自動化保護系統、自動化通信系統這幾個方面入手。就自動化監管系統而言，其可實現泵站運行的有效監管；就自動化控制系統而言，其可實現遠程控制、現場控制，為泵站設備正常運行提供保障；就自動化保護系統而言，可為系統運用奠定良好基礎；就自動化通信系統而言，可實現數據的有效、實時傳播。如此，便可將其效用最大限度地發揮出來，為泵站帶來新的可能，為泵站的發展奠定良好的基礎。