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一 、前言
排水泵站（下簡稱泵站）作為市政建設和管理工程的主要設施，擔負著城市排水防澇的重要任務。從目前國內大部分的泵站控制和管理來看還是處于相當落后的狀況，與國外相比具有很大的差異。在電氣控制上，自動化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統(tǒng)計都是手工操作。泵站控制和管理沒有形成區(qū)域化的網(wǎng)絡。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對市政建設和管理提出了更高的要求。所以必需對現(xiàn)有泵站控制和管理進行改造和完善。向國外無人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達到減員增效和提高管理水平的目的。
二 、工程背景
60個泵站，要實現(xiàn)泵站的自動控制，在中心控制室實現(xiàn)遠程監(jiān)控。中心控制室還要集成門禁系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)。
三 、方案設計(泵站遠程監(jiān)控)
1、 系統(tǒng)目的
通過對泵站的有序控制，將泵站運行的設備、電力、水位等實時信息采集到中心控制室數(shù)據(jù)中心，進行遠程監(jiān)控；并在局域網(wǎng)內計算機上進行瀏覽，使得管理人員對泵站操作情況做到有的放矢。
監(jiān)控的參數(shù)有：
電力參數(shù)：AB相電壓、BC相電壓、功率因數(shù)、泵電流
泵參數(shù)：運行狀態(tài)、過載狀態(tài)；泵的啟動、停止等
水情況：水位、流量、累計流量等
門禁系統(tǒng)：主要負責對泵站安全防范區(qū)域內人員出入控制管理，用于加強泵站的自動安全防范。
視頻：攝像設備監(jiān)控泵站水位和設施的安全防盜。
2、系統(tǒng)結構
由于泵站監(jiān)控設備有些已有，所以在充分利用現(xiàn)有設備前提下，進行控制改造，實現(xiàn)水泵的控制，達到節(jié)約目的。
系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡結構分別實現(xiàn)系統(tǒng)的采集和控制以及顯示記錄等功能。
采用此網(wǎng)絡結構，可以實現(xiàn)辦公網(wǎng)與生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的隔離，避免病毒從辦公網(wǎng)傳到生產(chǎn)網(wǎng)中來，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，辦公管理人員可以通過IE瀏覽器直接訪問實時數(shù)據(jù)。
1）、PLC監(jiān)控系統(tǒng)：使用三菱公司FX2N系列PLC，實現(xiàn)對各泵站站內機組的各部分的參數(shù)的采集控制功能，自身可以獨立實現(xiàn)運行和控制目的。
2）、中心控制室數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程顯示和控制。
3）、局域網(wǎng)辦公瀏覽系統(tǒng)：實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡瀏覽系統(tǒng)。
 
系統(tǒng)在設計和實施工程中充分考慮到各站需要，實現(xiàn)三級操作保護的功能，從而可以保證站內的異常處理和操作維護，同時有利于實現(xiàn)運行人員逐步適應新一代的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了對站內各個系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測和監(jiān)控功能，真正使值班運行人員達到了一目了然的效果，很好地滿足了實際應用的需要。同時監(jiān)控系統(tǒng)設計通過網(wǎng)絡通訊方式，設立了一個WEB服務器、門禁系統(tǒng)服務器和視頻服務器，辦公網(wǎng)內管理人員可以通過任意一臺計算機可以實時觀察到當前狀況并能查詢歷史數(shù)據(jù)和了解各操作中的主要工作過程，可以達到對站內的抽水任務的及時合理調度。
3、系統(tǒng)功能
1）、 數(shù)據(jù)的采集
通過泵站各個現(xiàn)場采集單元和智能裝置，依據(jù)各個不同的通訊規(guī)約，通過無線、有線網(wǎng)絡和RS232通訊線將站內的數(shù)據(jù)實時地反映到中心控制室計算機監(jiān)控界面。由于各站較分散，根據(jù)各站的不同情況，采用以下兩種方式實現(xiàn)：
ADSL：
將下屬的泵站的數(shù)據(jù)傳遞到中心控制室，由于數(shù)據(jù)中心與各分站之間已經(jīng)建立了ADSL網(wǎng)絡，因此針對本項目，借用原有的ADSL網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊是最具性價比的方式。同時 ，由于系統(tǒng)以后需要根據(jù)需求擴展，要求對系統(tǒng)的開放性、可維護性和擴展性給予充分考慮。
系統(tǒng)主要由紫金橋監(jiān)控軟件、MOXA串口聯(lián)網(wǎng)服務器和三菱PLC構成，這種方式的主要特點是結構分散、開放性好、穩(wěn)定性強、性價比高并且擴展容易。紫金橋監(jiān)控軟件主要負責數(shù)據(jù)采集、通訊處理、人機界面和WEB發(fā)布等工作；串口聯(lián)網(wǎng)服務器負責將三菱PLC的串口通訊轉為以太網(wǎng)通訊，并將數(shù)據(jù)通過ADSL網(wǎng)絡傳遞給紫金橋監(jiān)控軟件； 三菱PLC負責現(xiàn)場儀表和設備的通訊及數(shù)據(jù)采集和控制。主要工作方式：紫金橋監(jiān)控軟件設在中央數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心有一個固定的外網(wǎng)IP，紫金橋監(jiān)控軟件采用典型的C/S和B/S結構 ，B/S方式是作為WEB服務器，將實時數(shù)據(jù)和畫面通過WEB進行發(fā)布，遠端用戶經(jīng)過授權，無須安裝任何插件，使用標準的瀏覽器通過固定IP或域名綁定進行訪問即可在遠程進行監(jiān)視。C/S方式是紫金橋軟件作為標準服務器端與各分站的多個客戶端（MOXA串口聯(lián)網(wǎng)服務器）進行通訊，建立連接時由串口聯(lián)網(wǎng)服務器主動向擁有固定IP的服務器端發(fā)出連接請求 ，服務器進行應答，建立網(wǎng)絡連接之后，由紫金橋主動向下位的三菱PLC發(fā)出請求，通過三菱專有協(xié)議與PLC進行通訊，MOXA串口聯(lián)網(wǎng)服務器在中間起到透明轉發(fā)的作用。
GPRS/CDMA：
GPRS DTU主要工作模式為透明傳輸模式、命令模式、短信模式。 GPRS工作在透明數(shù)傳模式下，一旦GPRS DTU上電后自動撥號上線，通常在通過GPRS方式下PPP連接的過程中就會被分配一個動態(tài)的IP地址。每個GPRS DTU因此通過GPRS網(wǎng)絡獲得一個獨一的動態(tài)IP地址，如果終端要建立與中心數(shù)據(jù)服務器的TCP連接，中心數(shù)據(jù)服務器IP地址綁定一個動態(tài)域名解析，由此終端的GPRS DTU 在上線后，主動向綁定了IP動態(tài)域名解析的域名，發(fā)送一個自身設備編號、自身動態(tài)IP地址以及端口號的注冊信息包，用于保持與中心數(shù)據(jù)服務器TCP鏈路保持活躍狀態(tài)。這種為保持與數(shù)據(jù)中心服務器的TCP鏈路保持活躍狀態(tài)的注冊包，我們稱之為“心跳包”。每當GPRS重新上電，或是應系統(tǒng)的要求被遠程喚醒、或根據(jù)GPRS DTU配置設定的發(fā)送心跳包間隔時間自動上線，GPRS DTU則應自動的向中心發(fā)送心跳包信息，告知數(shù)據(jù)中心服務器已保持鏈路正常。
數(shù)據(jù)中心服務器有一個固定的外網(wǎng)IP，紫金橋監(jiān)控軟件通過與GPRS DTU建立TCP連接，完成與PLC數(shù)據(jù)的無線傳輸。
2）、人機界面
通過各主要畫面的切換可以在計算機上很直觀的反映站內的工作情況，其畫面可以鏈接各種動態(tài)畫面，具有很強的可觀效果。
3）、統(tǒng)計和計算功能
對于排水量需要一個準確的數(shù)據(jù)，泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過本身具有的報表統(tǒng)計功能記錄每天每月每年的機組運行時間，同時通過軟件編程計算出日月年的累計排水量，并計算出站內的抽水效率，為站內的工作人員提供一個很有價值的參考數(shù)據(jù)。
4）、控制功能
中央控制室的計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以在微機上實現(xiàn)機組的開停機的自動控制，以及現(xiàn)地PLC控制單元的自動保護控制，主工控機將站內的各控制單元有機的結合，極大減輕了工作人員的勞動強度。
5）、水位控制調節(jié)
中央控制室的計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以通過與PLC的通訊連接，根據(jù)設定的水位參數(shù)閉環(huán)調節(jié)各水泵的啟停操作，可以很方便直觀地滿足運行人員的需要。
4、主要問題分析和解決方案
控制策略上，可以實現(xiàn)以下幾種控制方案：遠程自動控制、遠程手動控制、本地自動控制、本地手動控制。遠程手/自動控制在泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)上完成，通過點擊計算機上按鈕實現(xiàn)；本地手/自動控制通過切換泵控制柜上的切換開關實現(xiàn)。當上位計算機發(fā)生故障時，泵通過PLC控制柜中的PLC仍能實現(xiàn)自動控制調節(jié)系統(tǒng)。啟動液位、停止液位、電流低報警值、電流高報警值等通過上位機的設置可以修改且具有停電保持功能。各泵根據(jù)測量的液位實現(xiàn)自動啟停，節(jié)約電力能源。
最大限度延長泵的壽命、保護設備方面實現(xiàn)多方報警保護功能：
當電流過高，負載過大時，產(chǎn)生過載報警，并自動發(fā)出泵停止命令。
當電流過低，葉輪脫落時，產(chǎn)生低電流報警，并自動發(fā)出泵停止命令。
當液位高度大于設定啟動液位時，自動啟動泵，并有報警輸出。
當液位高度小于設定停止液位時，自動停止泵，并有報警輸出。
當控制失靈，發(fā)出啟停信號后泵不能按要求動作時，產(chǎn)生啟動、停止報警。
現(xiàn)有泵都是降壓啟動，泵的啟動狀態(tài)切換到運行狀態(tài)有十幾秒間隔時間，啟動泵命令發(fā)出后，經(jīng)過十幾秒檢測運行狀態(tài)信號，若導通說明操作正常，若沒有導通說明動作未實現(xiàn)，產(chǎn)生啟動未成功報警，并發(fā)出泵停命令，防止發(fā)生電流過大燒壞設備。
當泵自動控制不成功時，還有浮球判斷，自動停止開啟泵。還可通過轉換開關切換到手動狀態(tài)，手動啟停泵。這樣做到了三重保護，多極控制。
5、數(shù)據(jù)中心服務器
1）、功能概述
HMI實時監(jiān)測設備重要運行參數(shù)，根據(jù)參數(shù)情況做相應處理；
對參數(shù)超高或超低報警；
可集成各種控制功能，如泵和閥門控制，參數(shù)的設定等；
可進行設備歷史數(shù)據(jù)查詢，顯示變化曲線，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)完成各種統(tǒng)計報表或日、月、年報等；
可對各站點設備進行管理，運行狀態(tài)、是否故障、運行時間等；
可通過網(wǎng)絡采用IE瀏覽器進行WWW遠程訪問智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)；
2）、功能說明
實時監(jiān)控
數(shù)據(jù)中心服務器通過GPRS 和ADSL兩種方式采集各泵站的重要數(shù)據(jù)，并通過組態(tài)生成HMI人機界面，實時監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)，技術人員可通過數(shù)據(jù)分析設備的運行情況，并做參數(shù)的調整下發(fā)給設備。有現(xiàn)場設備出現(xiàn)故障，技術人員可通過人機界面查看數(shù)據(jù)，分析問題，解決問題。
曲線分析
通過曲線對關心的重要數(shù)據(jù)進行顯示，形象的展示數(shù)據(jù)運行的軌跡，了解設備運行情況，并可通過歷史曲線功能查看歷史數(shù)據(jù)，便于技術人員對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，合理的調整運行參數(shù)。
 
報警故障記錄
各設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會通過提示信息和聲音報警提示。同時還具有報警記錄查詢功能，可查詢以前設備的報警情況，便于設置的維護。
安全管理
本系統(tǒng)具有用戶管理機制，不同的用戶有不同的安全權限，只有授權用戶才能訪問授權的數(shù)據(jù)和畫面，保證數(shù)據(jù)的安全性。不同的用戶具有不同的權限，只有具有相關權限的用戶才能進行相關的操作。
用戶的登陸和權限介紹如下：
點擊系統(tǒng)菜單“登陸”后會顯示如下圖對話框
 
點擊“注銷”按鈕后，對話框變?yōu)橄聢D
 
選擇相應的用戶名，輸入正確的密碼，點擊登陸，就可以通過系統(tǒng)菜單進入相應的界面進行相關的操作。如果不輸入密碼直接點擊“退出”按鈕，便退出該用戶。
數(shù)據(jù)報表
報表記錄了設備重要運行參數(shù)，技術人員可以查詢，便于合理的統(tǒng)計分析出設備的最佳運行參數(shù)，降低運行成本。報表可以打印保存。
 
歷史報表對一些重要參數(shù)以報表的方式查詢顯示，可輸入開始時間和結束時間來查詢一段時間的數(shù)據(jù)運行情況，直觀的分析設置參數(shù)信息，并可打印保存和導入EXCEL中分析。
四、門禁系統(tǒng)
門禁系統(tǒng)主要負責對泵站安全防范區(qū)域內人員出入控制管理，用于加強泵站的自動安全防范。
持卡人進門時將卡片接近讀卡器，合法卡信號通過控制器認證后，電鎖自動打開，非法卡被禁止訪問。出門時只要按動出門按鈕，電鎖自動打開（或雙向讀卡出門）。系統(tǒng)可實現(xiàn)對門權限的明確限定，并對人員的進出情況進行記錄，以備查詢。也可以通過聯(lián)動來實現(xiàn)對其它設備的控制，如消防聯(lián)動、燈光和空調等控制。
門禁具有下列主要特點：
靈活豐富的權限管制：通過時區(qū)、周計劃、假期信息、管制群組的自由設置可以控制任何一個持卡人在任何一個房門的任意時刻的開門權限和開門方式。
通道管制、脅迫報警：系統(tǒng)允許對某些房門進行管制，實行手動或自動布防和撤防，布防時間內僅系統(tǒng)卡和警衛(wèi)卡才具有開門權限。脅迫報警是指發(fā)生不法分子挾持合法用戶強迫開門事件時具備報警機制。
強大的報警設置功能：系統(tǒng)具有脅迫報警、防撬報警、強行進入報警、超時報警和反潛回功能，可設置2門電話用來報警后自動撥號。
電子公告功能：在具備液晶的讀卡器上具有立方獨特的電子公告功能，通過軟件編輯后可向讀卡機發(fā)布自定義的電子公告，用戶刷卡后即可顯示該短信息。
強大的系統(tǒng)聯(lián)動：用戶可以對系統(tǒng)的各個I/O口進行功能設置，實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)或一卡通其他子系統(tǒng)進行聯(lián)動。
多種開門方式：系統(tǒng)支持多種開門方式，如刷卡開門、密碼開門、刷卡+密碼開門、刷卡+密碼+觸發(fā)開門、刷多卡開門方式等，可根據(jù)不同的安全需求進行靈活的選擇。
動態(tài)電子地圖顯示：系統(tǒng)具有電子地圖，在電子地圖上實時的以圖形和文字的形式顯示事件，如刷卡事件、進出房門、門狀態(tài)變化、系統(tǒng)報警和各種緊急事件等。可以輸入多幅地圖，從不同角度監(jiān)控現(xiàn)場出入情況。
具備多種發(fā)卡方式：系統(tǒng)可以用連接電腦的讀卡器或連接控制器的讀卡器發(fā)卡、也可以先由控制器發(fā)卡后上傳到數(shù)據(jù)庫再指定用戶。
互鎖通道、反潛回：系統(tǒng)語序管理員對制定的通道或房門實行互鎖，互鎖組的房門在同一時間只能開啟其中的一扇。反潛回指在合法卡刷卡進入后，必須再規(guī)定時間內外出。
自動與手動的布防/撤防：系統(tǒng)支持對制定房門的自動布防和撤防功能，可以在有權限的情況下指定某些房門在到達指定的時間段內使其處于布防狀態(tài)，過了這段時間之后，系統(tǒng)會自動撤防；也允許在有限的條件下，隨時對房門進行布防和撤防操作。
五、總結
在泵站的自動化系統(tǒng)改造中，如何合理地利用泵站現(xiàn)有資源，更加經(jīng)濟有效地實現(xiàn)泵站自動化系統(tǒng)變的尤為重要。相信經(jīng)過以上方案的設計，泵站自動化系統(tǒng)將發(fā)揮其更加積極的社會經(jīng)濟效率。
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