自动化系统在泵站运行中的运用探讨

夏寒 张璇 陈佳琦

(江苏省骆运水利工程管理处 江苏宿迁 223800)

泵站运行的主要目的是实现水资源的合理利用。目前，自动化成为各行各业的发展方向，所以泵站需紧跟时代发展潮流；且在长时间的实践中发现，自动化系统的应用可为泵站运行带来新的可能。所以，如何在泵站运行中应用自动化系统成为相关工作人员不得不深入思考的问题。鉴于其涉及内容较多，所以下文进行深入探究，旨在为泵站运行中应用自动化系统提供理论依据，使其效用最大限度地发挥出来，推动泵站优先发展的同时实现水资源的合理利用。

1 自动化系统的主要结构及其工作原理

1.1 自动化系统的主要结构及其工作原理

泵站自动化控制系统所采用的结构为分层分布结构，由PLC、现场测控设备、监控计算机、网络通信系统这4个部分组成。

1.1.1 网络结构

通过调查发现，泵站自动化系统的监控系统网络结构为：环网组网形式，其传输速率通常为100 Mbps；应用协议为Ethernet Modbus TCP/IP，监控主机、PLC均挂于总线。借助现场总线、传感器、自动化设备实现数据通信[1]。

1.1.2 监控计算机

通常情况下，监控计算机分为主监控计算机、从监控计算机两种，且在计算机中安装了监控组态软件，由运行人员使用，借助其了解泵站运行情况，并对其进行调控。倘若发现事故，其会进行语音警报，明确告知出现的故障及其原因。且在主监控计算机出现故障时，从监控计算机会自主接管工作；主监控计算机如果恢复工作，从监控计算机可将相关数据传送至主监控计算机。

1.1.3 PLC

PLC 可对主机组情况、循环水泵压力等装置进行监测，并将其数据信息传入监控微机。同时，可接受上位机指令，对现场设备进行操控，并将执行情况、结果上传于监控计算机。倘若出现故障，可自动与报警参数对比，并将相关信息反馈与主控机。

某泵站主变部分采用的一台PLC，用来控制单元，液压启闭机、清污机采用的是两台PLC，其他部分共用一台。在实际工作中，35 kV变电所及主机保护信号可实现通信管理机组的转换，从而上传信号[2]。各机组控制信号由主机控制单元管控，主机测温系统连接的是巡检仪，借助其进行数据、信息采集；并通过通信结构与相应控制单元相连接；机组振动、摆渡检测系统由机组检测仪采集，借助其通信结构与控制单元相连；供排水泵等借助公用PLC进行数据上传。PLC借助现场总线这一方式实现智能仪表、直流系统、测控装置的通信。

1.1.4 现场测控设备

现场测控设备较多，包括但不限于：变送器、包括主机综合测控保护装置、励磁微机控制装置以及主机组的振动、变配电设备综合测控保护装置等。这些测控设备可借助24VDC 开关量信号、4～20 mA 模拟信号连接PLC，并直接将自身运行状态传送至PLC，由其进行设备控制。

1.2 视频监视系统结构和工作原理

视频监视系统结构包括视频控制主机及硬盘录像机、监视器和视频仪设备。

1.2.1 视频控制主机及硬盘录像机

视频主机可对视频信号进行接收，并对其进行处理，使其成为以太网标准信号后将其上传于监控视频机[3-4]。而且，其还可通过以太网对摄像机、其他设备的信号进行接收，将进行转换，从而实现摄像机与其他设备的有效控制。

1.2.2 监视器和视频仪设备

监视器和投影仪设备系统的可实现监控系统画面、各设备信息的显示。

2 自动化系统实现的功能

2.1 自动化控制系统的功能

2.1.1 数据采集及处理

实现数据采集及处理是自动化控制系统的功能之一。具体而言，监控软件可将TCP/IP 接口利用起来，借助其实现对现场数据的全部采集，内容包括但不限于：各种设备的开关量、信号模拟量等，并对基本点进行运算、组合，从而完成数据采集及处理工作。

2.1.2 控制功能

自动化控制系统可借助PLC对清污机、配电装置、主机组等进行自动控制。

2.1.3 监控与报警处理

由上述内容可知，自动化系统中包括监控计算机，而监控计算机可实现相关设备、参数的实时监控，并在出现故障、事故时进行语音报警，并在监控计算机中自动弹出窗口，窗口内容包括但不限于故障内容、故障时间[5]。

2.1.4 数据存储与查询

相关工作人员可将数据库建立起来，对实时数据、历史数据进行存储。同时，相关工作人员可借助数据库对自己想要了解的信息进行查询。通常情况下，数据可以图表、趋势曲线的形式呈现，以便工作人员记录、分析。

2.2 视频监视系统的功能

2.2.1 监视和录像功能

通过摄像头可对泵站设备、环境进行24小时远程实时监控。因为摄像机会24小时监控相关区域，并将监控到的内容以视频的方式上传，相关工作人员可通过监控机进行观看。

2.2.2 控制功能

在实际工作中，工作人员可借助监控器进行监视。比如：可通过云台转动摄像头，实现选择性监视区域。可改变摄像机镜头，改变监视范围、观察效果。

2.2.3 检索和查询功能

相关工作人员可借助授权对录像进行检索、查询。

3 自动化系统在泵站运行中的运用重要性

之所以将自动化系统应用于泵站运行中，是因为其十分重要，除了可以推动泵站运行现代化发展之外，还可达到如下目的。（1）监控系统可以快速、有效、准确地对泵站设备进行监控，实现数据采集、处理、控制、调节，可及时发现意外事故，并采用有效手段进行解决。从而为泵站正常运行提供保障，为人们生活、生产奠定良好基础。（2）对泵站控制点参数进行检测分析。通过自动化系统的应用，可对泵站各主要设备的运行情况进行反馈，使值班人员快速了解设备、系统情况，从而发现问题、事故，并以弹窗、警告等方式将其反映给相关工作人员。同时，相关工作人员可通过修改相关参数的上限值、下限值将自动化系统的实效性、灵活性予以提高。（3）调节泵站设备。通过自动化系统的应用，可使相关工作人员在操作室便对泵站设备的启停、阀门、供水工艺进行操作。同时，可借助系统内部设置解决值班人员在操作过程中出现失误的问题。

4 计算机监控系统改造方案

4.1 设备自动化监控系统的设计及实现

就自动化监控系统而言，其PLC共计9套：一是电气设备共用的一套PLC；二是负责机组程控启停操作、状态监视的一套PLC；三是泵组现地设备的3 套PLC；四是供水系统的一套PLC；五是辅机设备的一套PLC；六是节制闸启闭机设备的一套PLC；七是输送机、清污机所配置的一套PLC。目前，现地、中机组、公用设备控制、现地控制等PLC采用的是Unit Quantum系列，且所有的PLC都配置了液晶触摸屏，旨在实现现的操作；辅机、清污机、节制闸控制等PLC 采用的M340 系列。上位机组态软件需采用Kingview[6-7]。

其功能具体如下。

（1）数据采集及处理。由相关工作人员设置需记录的数据库，系统采用适合手段对电气模拟量、水位模拟量、事故信号开关量等数据进行记录。（2）统计与计算。在实际工作中，自动化控制系统会对事故、故障、参数异常情况、设备运行时间等进行统计记录，从而确保相关工作人员及时了解设备情况。（3）参数在线修改。相关工作人员可借助通过其修改一些关键数值、公式，比如温度标定值、计算公式等。（4）控制与调节功能。相关工作人员可借助监控主机界面进行调节，修改并点击完成后，计算机便可将相关制定传输至PLC，由其进行设备控制。（5）设备运行统计记录与生产管理。其可实现各种数据的24小时监控，而且在得到相关数据信息后，操作人员可利用其对整体系统进行分析。同时，系统可自动生成报表。

4.2 视频监控系统的设计及实现

视频监控系统的设计可采用如下配置。

网络固定位红外摄像机：海康威视公司的DS-2CD2T25D-13 系列；网络全方位球形摄像机：海康威视公司的DS-2CD2T25D-13系列；硬盘录像机NVR：海康威视公司的DS-8632N-E8系列；存储硬盘：3TB7200转64MSATS3监控级硬盘等[8]。

视频监控系统的功能具体如下。

（1）远程监视与录像。通过摄像机获取相关视频、图像，并将其实时上传于平台。存储图像、视频时，可含有图像编号、图像地址、存储时期等。（2）实时控制。自动化系统可实现云台、摄像机的有效控制，可对摄影机变焦、光圈进行调节，从而确保图像与实际要求相符。（3）在线浏览。通过以太网接口，工作人员可借助终端实现视频图像的浏览。

4.3 数据管理和传输系统设计及实现

数据管理服务器可将戴尔PowerEdge T320塔式服务器利用起来，借助其实现水位、设备运行状态、故障报警信号等数据进行传输、管理。如果现场PLC 采集到一定信息，会自主将其传至服务器，而服务器可将其以规范情况纳入实时数据中，并借助移动光纤按照相应规则将实际数据信息上传于城市防洪平台中。就目前情况而言，数据库管理信息有：设备运行情况、闸门运行情况、操作记录等。

5 我国泵站自动化发展历程

我国泵站自动化发展经历了半自动化阶段、全自动化阶段、综合自动化阶段这3 个阶段。就半自动化阶段而言，就是以人为主、以控制系统及设备为辅完成泵站运行管理。具体表现为：工作人员需对相关设备、系统进行操控；人工进行设备检修、运行维护[9-10]。就全自动化阶段而言，就是引入水位、压力继电器等自动化设备，实现闭环控制。就综合自动化管理而言，就是融入先进技术，使其具备更多功能，且管理更加智能。

6 自动化系统在泵站运行中的运用

6.1 自动化监管系统

自动化监管系统简单来说就是借助自动化系统实现设备监管，对各设备运行状况进行监测，如果发现异常，便会及时进行警报。同时，在监管过程中，监管系统会对相关参数进行收集、分析，从而生成相关趋势图，为相关工作人员对设备运行状况预测提供保障，从而有效避免故障的发生。就目前而言，其可简单分为视频监管系统和电子监管系统两种[11]。视频监管系统的优势在于，将所检测到的数据内容以视频的形式呈现，使相关工作人员远程了解泵站设备运行情况。电子监管通常为分层监管，其优势在于：不必派遣专门人员进行监管，但为确保系统可发挥其效用，需要定期进行检查、巡视，确保分站人员可将指令落实到位。目前，电子监管系统可简单分为两个控制级，一是以中心控制室为核心的主要控制级，二是现场控制级。

6.2 自动化控制系统

自动化控制系统的作用为：对泵站关键参数、设备具体状况进行监控，确保其为正常状态的情况下开展远程控制、远程调度工作[12]。在进行自动化控制系统设计时，相关工作人员需将泵站运行需求充分考虑到，需将变电所操作规范重视起来。目前，其控制方式有手动、自动两种。一般情况下，采用的是自动控制，但若是自动控制系统出现故障、意外时，需将手动控制方式利用起来，以确保人员、设备安全。

6.3 自动化保护系统

自动化保护系统包括但不限于微机保护、母联保护、进线保护，其可为设备的顺利运行提供保障，可确保各设备顺利执行相关命令。通常情况下，用于保护的监控装置需放置于高压开关柜内，且需确保其可分散布设。同时，需将以太网通信机、网络交换机配备与测控装置中。

6.4 自动化通信系统

自动化通信系统依托于以太网及数字体系通信系统。通过自动化通信系统的运用，可达到自动化控制泵站的目的，可进行信息的自动化采集。通常情况下，其可对网络平台、信息交换平台、分站传输平台进行控制，且为数据的互通、互联提供保障[13]。在长时间的实践中发现，其作用可表现在以下几个方面：（1）对泵站内的区域、设备、仪器进行控制，实现互联、互通，并确保泵站管理运行中的各种数据可以进行及时准确的搜集、传播；（2）实现泵站管理现代化，即：可为系统的数据、语音、图像的传输提供支撑，从而确保泵站具有互通性、可扩展性、兼容性。

7 自动化系统在泵站运行管理中的应用前景

随着时代的发展，自动化系统在泵站运行管理中的应用会更加深入，且为泵站运行带来新的可能。下面就自动化系统在泵站运行管理中的应用前景进行阐述。

7.1 自我诊断功能的完善

虽然自动化系统现已被广泛应用于泵站运行管理中，但在实际工作中存在一定不足，所以技术人员会根据当前自动化系统的应用情况进行升级改造，将目前存在的故障尽可能消除[14]。比如：技术人员将更多先进技术应用于自动化系统中，包括但不限于频谱分析技术、BP神经网络、多数据融合技术等，其可有效提高泵站自动化系统中的人机协调能力，有效推动其发展。

7.2 信息实时管理

自动化系统会自动搜集各项数据、信息，并将其上传于操作端。而就目前情况而言，自动化系统的信息上传、管理存在滞后性，具体表现为：机器、系统出问题后工作人员才知晓。因此，自动化系统在泵站运行管理中的应用需将信息实时管理当作重点。而这有利于工作人员及时了解设备、系统状态，并基于此做出正确决策，从而有效提高泵站管理效果、泵站维护水平。

7.3 管控一体化

管控一体化也是自动化系统应用于泵站运营管理中的前景之一。具体而言，目前技术人员已将嵌入式智能控制设备、OCS 控制器应用于自动化系统中，而这，决定着未来泵站管理将会将管理、控制、测量一体化当作根本方向[15]。比如：将自动化监控系统利用起来，工作人员可借助其了解泵站设备运行情况，可基于多泵站工作最优化目标完成调度工作，从而实现一体化管控。

8 结语

综上所述，将自动化系统运用于泵站运行管理中是时代发展的必然趋势，是推动自身发展的唯一路径，是提高水资源利用的重要方法，是满足人类生产、生活需求的前提。泵站运行中的自动化系统运用涉及较多内容，具有十分重要的作用。所以，如何在泵站运行中应用自动化系统成为相关工作人员不得不深入思考的问题。相关工作人员可从自动化监管系统、自动化控制系统、自动化保护系统、自动化通信系统这几个方面入手。就自动化监管系统而言，其可实现泵站运行的有效监管；就自动化控制系统而言，其可实现远程控制、现场控制，为泵站设备正常运行提供保障；就自动化保护系统而言，可为系统运用奠定良好基础；就自动化通信系统而言，可实现数据的有效、实时传播。如此，便可将其效用最大限度地发挥出来，为泵站带来新的可能，为泵站的发展奠定良好的基础。