泵站監(jiān)控系統(tǒng)

1系統(tǒng)功能

泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測、監(jiān)視、控制、存儲等。

①監(jiān)測

系統(tǒng)應(yīng)對供電、溫度、水泵、管道壓力、機組運行狀態(tài)、保護、前池水位、管道流量進行監(jiān)測。

②監(jiān)視

視頻監(jiān)視系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，通過軟件技術(shù)在現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面實現(xiàn)對前池、泵房、控制室和值班室的圖像監(jiān)視。

③控制

可以控制泵站機組啟停，閘閥開閉，泵站輔助設(shè)備如排水泵、抽真空系統(tǒng)、風機等的控制；直流系統(tǒng)、調(diào)頻設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制；冷卻風機的自動啟停等。

水泵機組的控制有三種控制模式：現(xiàn)地手動、現(xiàn)地自動和遠程自動控制。

④存儲

現(xiàn)地泵站系統(tǒng)在本地存儲實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)可以采用RTU或PLC為核心構(gòu)建各現(xiàn)地監(jiān)控單元。鑒于本系統(tǒng)監(jiān)測項目多、控制可靠性要求高、數(shù)據(jù)存儲容量大等特點，本報告擬采用PLC作為現(xiàn)地核心部件。

由于現(xiàn)地泵站前池水位、出水流量、管道壓力等采集點和泵房、控制室、監(jiān)控室相距較近，因此采用集中監(jiān)測控制的原則。

現(xiàn)地泵站系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)詳下圖

現(xiàn)地泵站系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是：采集設(shè)備通過各自電纜線連接PLC，由PLC接入現(xiàn)地局域網(wǎng)，組成泵站現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)。

接入PLC I/O模塊的監(jiān)測設(shè)備和信號有水位計、管道壓力計、流量計、電量、機械振動、竄動、溫度傳感器及水泵機組和控制電路的各類狀態(tài)信息。

現(xiàn)地泵站交換機、 PLC主控制器、I/O模塊、電源模塊等均安裝在控制柜內(nèi)，觸摸屏安裝在控制柜面板上，工控機和控制柜安裝在現(xiàn)地監(jiān)控室。 工控機和PLC主控制器通過交換機接入以太網(wǎng)。前池水位、管道壓力、管道流量、溫度、電量、等公共信息和水泵機組的機械振動、竄動、各類狀態(tài)信息接入I/O模塊。

現(xiàn)地泵站工控機的監(jiān)控軟件屬于遠程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)容。

3泵站控制模式

①現(xiàn)地手動：指通過現(xiàn)地控制柜的控制按鈕控制水泵的啟停和流量控制，現(xiàn)地手動必須先將控制屏上的“自動/手動”開關(guān)至于“手動”位置。手動控制方式是在脫離PLC情況下的控制模式，僅在PLC故障或檢修情況下使用。

②現(xiàn)地自動控制：指現(xiàn)地控制屏上的“自動/手動”開關(guān)至于“自動”位置時，通過現(xiàn)地監(jiān)控室的監(jiān)控機或觸摸屏對水泵的啟停和流量控制。

③遠程自動控制：指控制中心對水泵的控制。

現(xiàn)地自動控制和遠程自動控制為在PLC支持下的控制方式，屬常規(guī)控制模式。

4現(xiàn)地測控單元

①水泵機組控制電路方案

1）主回路

各泵站每個水泵機組的主回路相對獨立，通過控制一組啟動設(shè)備——電動開關(guān)或交流接觸器使水泵的電動機啟動或停止。根據(jù)泵前池的水位高低，通過自動切換（啟動或停止）水泵機組的個數(shù)來實現(xiàn)出水流量的粗調(diào)節(jié)。每個泵站設(shè)一組水泵機組用來實現(xiàn)出水流量的微量調(diào)節(jié)，該機組采用模擬量控制電動機的變頻調(diào)速實現(xiàn)出水流量的細微控制。電氣回路設(shè)過負荷保護、反時限過電流保護、零序電流保護、低電壓保護、逆功率保護等。泵前池水位、管道壓力、流量、調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速、振動、竄動等各種電量和非電量信息通過電纜傳送到PLC主控單元。主回路電流和電壓量的采集，通過電流變送器和電壓變送器把采集到的電流和電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬量送至PLC，可實現(xiàn)水泵機組運行時電流、電壓的遠方監(jiān)視?，F(xiàn)地監(jiān)視采用觸摸屏，主回路控制設(shè)備均安裝在水泵機組控制柜內(nèi)。

2）控制回路

控制回路是以PLC為核心構(gòu)成的回路，I/O單元的開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及相關(guān)外圍設(shè)備電路布置于泵站監(jiān)控室。

在泵站監(jiān)控室應(yīng)配備穩(wěn)壓電源和在線式UPS電源，UPS電源由泵站交流電源供電，輸出端向工控機、以太網(wǎng)交換機、PLC和其它重要負荷供電。

由于PLC的I/O模塊及其它控制設(shè)備安裝在監(jiān)控室內(nèi)，氣候及環(huán)境條件較差，故應(yīng)在PLC控制柜內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，可根據(jù)現(xiàn)場條件自動啟動加熱和通風、散熱設(shè)備，以免柜內(nèi)電氣設(shè)備影響性能和造成損壞。

為確保泵站現(xiàn)地控制的可靠性，作為PLC事故情況下的應(yīng)急備用，每臺水泵機組設(shè)置一套繼電器硬接線邏輯的常規(guī)控制回路，以保證當PLC事故退出時能夠可靠控制水泵機組的運行。

②監(jiān)測信息

監(jiān)測的主要信息如下：

1）電量信息：泵站的總電流、電壓、機組運行電流以及電源頻率、轉(zhuǎn)速、功率、功率因數(shù)、電量等。

2）非電量信息：泵站進水源前池水位；泵站總流量。另外，水泵出水壓力、振動、竄動等。

3）溫度信息：機組中水泵、電動機軸瓦溫度、電動機鐵芯溫度或繞組溫度、軸承溫度、環(huán)境溫度等。

4）狀態(tài)量信息：機組運行、停機、檢修狀態(tài)，各閘閥的開、閉狀態(tài)，刀閘的分合狀態(tài)，泵站輔機設(shè)備的工作狀態(tài)；主變壓器、饋路的投運、退出狀態(tài)，保護信號裝置的正常與動作狀態(tài)等。

③安全防護

保護系統(tǒng)的保護對象有：泵站用變壓器、每臺機組的電動機。電動機所接的母線分段時設(shè)置母線聯(lián)絡(luò)線保護。

本章只包含保護信息的采集、上傳和繼電保護動作，機電保護設(shè)施在相應(yīng)章節(jié)中給出。

5水位監(jiān)測

泵站的水泵開啟臺數(shù)，調(diào)頻水泵機組的輸水大小，取決于水泵進水源水位高低。因此水泵進水源水池的水位是系統(tǒng)的重要監(jiān)測對象。

水泵前池距監(jiān)控機房較近，水位傳感器通過電纜接入PLC主控制器，實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的上傳，同時PLC主控制器控制觸摸屏，實現(xiàn)前池水位數(shù)據(jù)的顯示。

6流量監(jiān)測

系統(tǒng)通過準確的流量監(jiān)測，實現(xiàn)用水量的計量和水泵輸水的自動控制。流量監(jiān)測方案有兩種。

方案一：對泵站的每個水泵出水口安裝管道流量計，進行精確測量。

方案二：對各個水泵的出水總管道安裝管道流量計，測量泵站的輸水總量。

本著經(jīng)濟適用的原則，本系統(tǒng)擬用第二種方案。

水泵的出水總管道距監(jiān)控機房較近，管道流量計通過電纜接入PLC主控制器，實現(xiàn)管道流量數(shù)據(jù)的上傳，同時PLC主控制器控制觸摸屏，實現(xiàn)泵站出水流量的顯示。

7主要設(shè)備選型和技術(shù)要求

①PLC

1）PLC應(yīng)選用具有成熟技術(shù)的國內(nèi)知名品牌的中高端PLC；

2）PLC本機內(nèi)存儲容量大于等于2Mb，并可根據(jù)實際需要配置相應(yīng)的外部擴展存儲卡，配置輸入/輸出（I/O）容量和內(nèi)存容量時，需保留30%的裕量（每個泵站各類I/O容量應(yīng)有30%的裕量）；

3）PLC應(yīng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，所有模塊應(yīng)是成熟應(yīng)用的標準化模件（包括CPU、通訊模塊及各類I/O模塊等），可帶電插拔。模塊的平均無故障間隔時間（MTBF）≥10萬小時，所有模板均通過權(quán)威機構(gòu)的安全認證，包括：UL、CSA、CE等；

4）PLC的外部供電電源為單相交流220V±15%，50Hz±2%電源；

5）通訊協(xié)議符合工業(yè)以太網(wǎng)GB系列標準；

6）PLC具有高可靠性，能在無空調(diào)、無凈化設(shè)備、無專門屏蔽措施的泵房正常工作；

7）PLC的I/O模塊應(yīng)有光電隔離和濾波措施，有LED指示狀態(tài)。

8）PLC各模塊應(yīng)為同一品牌，I/O站必須采用和CPU對應(yīng)的同等級、同系列的模塊；

9）PLC配置以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)交換機與遠程監(jiān)控站通信，內(nèi)置Web Server功能，接口類型支持雙絞線RJ45及光纖接口。

②水位計

水位測量采用的傳感器主要有浮子式、超聲波式、雷達式、電子水尺和壓力投入式幾種。

通過對5種水位測量傳感器比較，其中電子水尺較其它的類型具有一下優(yōu)點：技術(shù)先進，可靠性高；測量精度高，無機械傳動部分，壽命長；RS－485輸出，抗干擾強；可直接安裝在水泵進水源前池壁上，維護簡單。

結(jié)合本工程的實際情況，在本系統(tǒng)建設(shè)過程中建議采用電子水尺。

③管道流量計

現(xiàn)應(yīng)用較多的管道流量儀表有差壓式流量計、浮子流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、渦街流量計及超聲波流量計等幾大類。

通過對以上列舉的７種流量計的比較，超聲波管道流量計比其它類型的流量計具有安裝簡單、無壓力損失、流量范圍大、性價比高的優(yōu)點，且測量精度和抗干擾能力滿足系統(tǒng)要求等優(yōu)點，結(jié)合本工程的實際情況，在本系統(tǒng)建設(shè)過程中建議采用超聲波管道流量計。

④柜體

為控制溫度，所有裝有電氣控制和開關(guān)設(shè)備的盤、柜內(nèi)應(yīng)裝有電加熱和通風、散熱裝置。加熱器的放置應(yīng)確?？諝庋h(huán)流暢，加熱器額定電壓應(yīng)為單相交流220V，并帶有溫度控制的溫控開關(guān)，并在過熱狀態(tài)時不會損壞設(shè)備，溫度控制應(yīng)具有自動和手動控制二種方式。

8監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)配置方案

由于不同泵站水泵機組的個數(shù)不同，其設(shè)備配置也不盡相同，以下為現(xiàn)地泵站設(shè)備配置方案。

1）穩(wěn)壓器一臺；

2）不間斷電源UPS一臺；

3）配置工控機一臺；

4）水泵機組功率大于100kw的泵站，每臺水泵機組配置1套PLC，公共設(shè)備和信息輸入共用1套PLC；水泵機組功率小于100kw的泵站，每2臺水泵機組配置1套PLC，公共設(shè)備和信息輸入共用1套PLC；如果功率小于100kw水泵機組不足2臺，公共設(shè)備和信息輸入與該機組共用1套PLC。PLC包含電源模塊、CPU、以太網(wǎng)模塊、I/O通信模塊和其它擴展模塊。

5）水泵機組的每套PLC配置1套控制柜；控制柜安裝PLC、控制回路、溫度傳感器、聲光報警裝置等控制、保護和觸摸屏等器件。

6）每個泵站配置一個水位計；

7）泵站的每個輸水管道配置一個管道壓力計；

8）泵站的每個輸水管道配置一個管道流量計；

9）變頻調(diào)速的水泵機組配置一個轉(zhuǎn)速計；

10）安裝材料及輔材：穿線鋼管；安裝輔材；纜線等。

電機主回路中自動開關(guān)、接觸器、斷路器、熱繼電器、互感器、電流/電壓表等在水泵機組基礎(chǔ)建設(shè)中配置。