泵站監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)組成

1系統(tǒng)功能

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

①監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)應(yīng)對(duì)供電、溫度、水泵、管道壓力、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)、前池水位、管道流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②監(jiān)視

視頻監(jiān)視系統(tǒng)為獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)軟件技術(shù)在現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)組啟停，閘閥開(kāi)閉，泵站輔助設(shè)備如排水泵、抽真空系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟停等。

水泵機(jī)組的控制有三種控制模式：現(xiàn)地手動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

④存儲(chǔ)

現(xiàn)地泵站系統(tǒng)在本地存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)項(xiàng)目多、控制可靠性要求高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，本報(bào)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(diǎn)和泵房、控制室、監(jiān)控室相距較近，因此采用集中監(jiān)測(cè)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(guò)各自電纜線(xiàn)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(cè)設(shè)備和信號(hào)有水位計(jì)、管道壓力計(jì)、流量計(jì)、電量、機(jī)械振動(dòng)、竄動(dòng)、溫度傳感器及水泵機(jī)組和控制電路的各類(lèi)狀態(tài)信息。

現(xiàn)地泵站交換機(jī)、 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(jī)和控制柜安裝在現(xiàn)地監(jiān)控室。 工控機(jī)和PLC主控制器通過(guò)交換機(jī)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(jī)組的機(jī)械振動(dòng)、竄動(dòng)、各類(lèi)狀態(tài)信息接入I/O模塊。

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

3泵站控制模式

①現(xiàn)地手動(dòng)：指通過(guò)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(dòng)必須先將控制屏上的“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)至于“手動(dòng)”位置。手動(dòng)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(dòng)控制：指現(xiàn)地控制屏上的“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)至于“自動(dòng)”位置時(shí)，通過(guò)現(xiàn)地監(jiān)控室的監(jiān)控機(jī)或觸摸屏對(duì)水泵的啟停和流量控制。

③遠(yuǎn)程自動(dòng)控制：指控制中心對(duì)水泵的控制。

現(xiàn)地自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)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(cè)控單元

①水泵機(jī)組控制電路方案

1）主回路

各泵站每個(gè)水泵機(jī)組的主回路相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)控制一組啟動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)開(kāi)關(guān)或交流接觸器使水泵的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止。根據(jù)泵前池的水位高低，通過(guò)自動(dòng)切換（啟動(dòng)或停止）水泵機(jī)組的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)出水流量的粗調(diào)節(jié)。每個(gè)泵站設(shè)一組水泵機(jī)組用來(lái)實(shí)現(xiàn)出水流量的微量調(diào)節(jié)，該機(jī)組采用模擬量控制電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)出水流量的細(xì)微控制。電氣回路設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)、反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、逆功率保護(hù)等。泵前池水位、管道壓力、流量、調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、竄動(dòng)等各種電量和非電量信息通過(guò)電纜傳送到PLC主控單元。主回路電流和電壓量的采集，通過(guò)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(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)電流、電壓的遠(yuǎn)方監(jiān)視。現(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(jī)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(kāi)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(xiàn)式UPS電源，UPS電源由泵站交流電源供電，輸出端向工控機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、PLC和其它重要負(fù)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(chǎng)條件自動(dòng)啟動(dòng)加熱和通風(fēng)、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(tái)水泵機(jī)組設(shè)置一套繼電器硬接線(xiàn)邏輯的常規(guī)控制回路，以保證當(dāng)PLC事故退出時(shí)能夠可靠控制水泵機(jī)組的運(yùn)行。

②監(jiān)測(cè)信息

監(jiān)測(cè)的主要信息如下：

1）電量信息：泵站的總電流、電壓、機(jī)組運(yùn)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(jìn)水源前池水位；泵站總流量。另外，水泵出水壓力、振動(dòng)、竄動(dòng)等。

3）溫度信息：機(jī)組中水泵、電動(dòng)機(jī)軸瓦溫度、電動(dòng)機(jī)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(jī)組運(yùn)行、停機(jī)、檢修狀態(tài)，各閘閥的開(kāi)、閉狀態(tài)，刀閘的分合狀態(tài)，泵站輔機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)；主變壓器、饋路的投運(yùn)、退出狀態(tài)，保護(hù)信號(hào)裝置的正常與動(dòng)作狀態(tài)等。

③安全防護(hù)

保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)象有：泵站用變壓器、每臺(tái)機(jī)組的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)所接的母線(xiàn)分段時(shí)設(shè)置母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)保護(hù)。

本章只包含保護(hù)信息的采集、上傳和繼電保護(hù)動(dòng)作，機(jī)電保護(hù)設(shè)施在相應(yīng)章節(jié)中給出。

5水位監(jiān)測(cè)

泵站的水泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，調(diào)頻水泵機(jī)組的輸水大小，取決于水泵進(jìn)水源水位高低。因此水泵進(jìn)水源水池的水位是系統(tǒng)的重要監(jiān)測(cè)對(duì)象。

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

6流量監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)通過(guò)準(zhǔn)確的流量監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)用水量的計(jì)量和水泵輸水的自動(dòng)控制。流量監(jiān)測(cè)方案有兩種。

方案一：對(duì)泵站的每個(gè)水泵出水口安裝管道流量計(jì)，進(jìn)行精確測(cè)量。

方案二：對(duì)各個(gè)水泵的出水總管道安裝管道流量計(jì)，測(cè)量泵站的輸水總量。

本著經(jīng)濟(jì)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(jī)房較近，管道流量計(jì)通過(guò)電纜接入PLC主控制器，實(shí)現(xiàn)管道流量數(shù)據(jù)的上傳，同時(shí)PLC主控制器控制觸摸屏，實(shí)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(guó)內(nèi)知名品牌的中高端PLC；

2）PLC本機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)容量大于等于2Mb，并可根據(jù)實(shí)際需要配置相應(yīng)的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)卡，配置輸入/輸出（I/O）容量和內(nèi)存容量時(shí)，需保留30%的裕量（每個(gè)泵站各類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)化模件（包括CPU、通訊模塊及各類(lèi)I/O模塊等），可帶電插拔。模塊的平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF）≥10萬(wàn)小時(shí)，所有模板均通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)；

6）PLC具有高可靠性，能在無(wú)空調(diào)、無(wú)凈化設(shè)備、無(wú)專(zhuān)門(mén)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(duì)應(yīng)的同等級(jí)、同系列的模塊；

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

②水位計(jì)

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

通過(guò)對(duì)5種水位測(cè)量傳感器比較，其中電子水尺較其它的類(lèi)型具有一下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)先進(jìn)，可靠性高；測(cè)量精度高，無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，壽命長(zhǎng)；RS－485輸出，抗干擾強(qiáng)；可直接安裝在水泵進(jìn)水源前池壁上，維護(hù)簡(jiǎn)單。

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

③管道流量計(jì)

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

通過(guò)對(duì)以上列舉的７種流量計(jì)的比較，超聲波管道流量計(jì)比其它類(lèi)型的流量計(jì)具有安裝簡(jiǎn)單、無(wú)壓力損失、流量范圍大、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，且測(cè)量精度和抗干擾能力滿(mǎn)足系統(tǒng)要求等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，在本系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中建議采用超聲波管道流量計(jì)。

④柜體

為控制溫度，所有裝有電氣控制和開(kāi)關(guān)設(shè)備的盤(pán)、柜內(nèi)應(yīng)裝有電加熱和通風(fēng)、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(kāi)關(guān)，并在過(guò)熱狀態(tài)時(shí)不會(huì)損壞設(shè)備，溫度控制應(yīng)具有自動(dòng)和手動(dòng)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(jī)組的個(gè)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(tái)；

2）不間斷電源UPS一臺(tái)；

3）配置工控機(jī)一臺(tái)；

4）水泵機(jī)組功率大于100kw的泵站，每臺(tái)水泵機(jī)組配置1套PLC，公共設(shè)備和信息輸入共用1套PLC；水泵機(jī)組功率小于100kw的泵站，每2臺(tái)水泵機(jī)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(jī)組不足2臺(tái)，公共設(shè)備和信息輸入與該機(jī)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(kuò)展模塊。

5）水泵機(jī)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(bào)警裝置等控制、保護(hù)和觸摸屏等器件。

6）每個(gè)泵站配置一個(gè)水位計(jì)；

7）泵站的每個(gè)輸水管道配置一個(gè)管道壓力計(jì)；

8）泵站的每個(gè)輸水管道配置一個(gè)管道流量計(jì)；

9）變頻調(diào)速的水泵機(jī)組配置一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)；

10）安裝材料及輔材：穿線(xiàn)鋼管；安裝輔材；纜線(xiàn)等。

電機(jī)主回路中自動(dòng)開(kāi)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(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)中配置。