泵站远程监控系统的设计与实现
一 、前言
排水泵站（下简称泵站）作为市政建设和管理工程的主要设施，担负着城市排水防涝的重要任务。从目前国内大部分的泵站控制和管理来看还是处于相当落后的状况，与国外相比具有很大的差异。在电气控制上，自动化监控程度低，大部分的泵站仅有单级的常规控制。在管理水平上，大部分泵站的管理记录和统计都是手工操作。泵站控制和管理没有形成区域化的网络。随着国民经济的飞速发展，对市政建设和管理提出了更高的要求。所以必需对现有泵站控制和管理进行改造和完善。向国外无人化泵站监控管理发展，以达到减员增效和提高管理水平的目的。
二 、工程背景
60个泵站，要实现泵站的自动控制，在中心控制室实现远程监控。中心控制室还要集成门禁系统和视频系统。
三 、方案设计(泵站远程监控)
1、 系统目的
通过对泵站的有序控制，将泵站运行的设备、电力、水位等实时信息采集到中心控制室数据中心，进行远程监控；并在局域网内计算机上进行浏览，使得管理人员对泵站操作情况做到有的放矢。
监控的参数有：
电力参数：AB相电压、BC相电压、功率因数、泵电流。
泵参数：运行状态、过载状态；泵的启动、停止等。
水情况：水位、流量、累计流量等。
门禁系统：主要负责对泵站安全防范区域内人员出入控制管理，用于加强泵站的自动安全防范。
视频：摄像设备监控泵站水位和设施的安全防盗。
2、系统结构
由于泵站监控设备有些已有，所以在充分利用现有设备前提下，进行控制改造，实现水泵的控制，达到节约目的。
系统采用三层网络结构分别实现系统的采集和控制以及显示记录等功能。
采用此网络结构，可以实现办公网与生产控制网络的隔离，避免病毒从办公网传到生产网中来，并可实现数据的共享，办公管理人员可以通过IE浏览器直接访问实时数据。
1）PLC监控系统：使用三菱公司FX2N系列PLC，实现对各泵站站内机组的各部分的参数的采集控制功能，自身可以独立实现运行和控制目的。
2）中心控制室数据中心监控系统：实现数据的远程显示和控制。
3）局域网办公浏览系统：实现实时数据的网络浏览系统。
系统在设计和实施工程中充分考虑到各站需要，实现三级操作保护的功能，从而可以保证站内的异常处理和操作维护，同时有利于实现运行人员逐步适应新一代的计算机监控系统。实现了对站内各个系统参数的监测和监控功能，真正使值班运行人员达到了一目了然的效果，很好地满足了实际应用的需要。同时监控系统设计通过网络通讯方式，设立了一个WEB服务器、门禁系统服务器和视频服务器，办公网内管理人员可以通过任意一台计算机可以实时观察到当前状况并能查询历史数据和了解各操作中的主要工作过程，可以达到对站内的抽水任务的及时合理调度。
3、系统功能
1）数据的采集
通过泵站各个现场采集单元和智能装置，依据各个不同的通讯规约，通过无线、有线网络和RS232通讯线将站内的数据实时地反映到中心控制室计算机监控界面。由于各站较分散，根据各站的不同情况，采用以下两种方式实现：
ADSL：
将下属的泵站的数据传递到中心控制室，由于数据中心与各分站之间已经建立了ADSL网络，因此针对本项目，借用原有的ADSL网络进行数据通讯是最具性价比的方式。同时 ，由于系统以后需要根据需求扩展，要求对系统的开放性、可维护性和扩展性给予充分考虑。
系统主要由紫金桥监控软件、MOXA串口联网服务器和三菱PLC构成，这种方式的主要特点是结构分散、开放性好、稳定性强、性价比高并且扩展容易。紫金桥监控软件主要负责数据采集、通讯处理、人机界面和WEB发布等工作；串口联网服务器负责将三菱PLC的串口通讯转为以太网通讯，并将数据通过ADSL网络传递给紫金桥监控软件； 三菱PLC负责现场仪表和设备的通讯及数据采集和控制。主要工作方式：紫金桥监控软件设在中央数据中心，数据中心有一个固定的外网IP，紫金桥监控软件采用典型的C/S和B/S结构 ，B/S方式是作为WEB服务器，将实时数据和画面通过WEB进行发布，远端用户经过授权，无须安装任何插件，使用标准的浏览器通过固定IP或域名绑定进行访问即可在远程进行监视。C/S方式是紫金桥软件作为标准服务器端与各分站的多个客户端（MOXA串口联网服务器）进行通讯，建立连接时由串口联网服务器主动向拥有固定IP的服务器端发出连接请求 ，服务器进行应答，建立网络连接之后，由紫金桥主动向下位的三菱PLC发出请求，通过三菱专有协议与PLC进行通讯，MOXA串口联网服务器在中间起到透明转发的作用。
GPRS/CDMA：
GPRS DTU主要工作模式为透明传输模式、命令模式、短信模式。 GPRS工作在透明数传模式下，一旦GPRS DTU上电后自动拨号上线，通常在通过GPRS方式下PPP连接的过程中就会被分配一个动态的IP地址。每个GPRS DTU因此通过GPRS网络获得一个独一的动态IP地址，如果终端要建立与中心数据服务器的TCP连接，中心数据服务器IP地址绑定一个动态域名解析，由此终端的GPRS DTU 在上线后，主动向绑定了IP动态域名解析的域名，发送一个自身设备编号、自身动态IP地址以及端口号的注册信息包，用于保持与中心数据服务器TCP链路保持活跃状态。这种为保持与数据中心服务器的TCP链路保持活跃状态的注册包，我们称之为“心跳包”。每当GPRS重新上电，或是应系统的要求被远程唤醒、或根据GPRS DTU配置设定的发送心跳包间隔时间自动上线，GPRS DTU则应自动的向中心发送心跳包信息，告知数据中心服务器已保持链路正常。
数据中心服务器有一个固定的外网IP，紫金桥监控软件通过与GPRS DTU建立TCP连接，完成与PLC数据的无线传输。
2）人机界面
通过各主要画面的切换可以在计算机上很直观的反映站内的工作情况，其画面可以链接各种动态画面，具有很强的可观效果。
3）统计和计算功能
对于排水量需要一个准确的数据，泵站远程监控系统通过本身具有的报表统计功能记录每天每月每年的机组运行时间，同时通过软件编程计算出日月年的累计排水量，并计算出站内的抽水效率，为站内的工作人员提供一个很有价值的参考数据。
4）控制功能
中央控制室的计算机监控系统可以在微机上实现机组的开停机的自动控制，以及现地PLC控制单元的自动保护控制，主工控机将站内的各控制单元有机的结合，极大减轻了工作人员的劳动强度。
5）水位控制调节
中央控制室的计算机监控系统可以通过与PLC的通讯连接，根据设定的水位参数闭环调节各水泵的启停操作，可以很方便直观地满足运行人员的需要。
4、主要问题分析和解决方案
控制策略上，可以实现以下几种控制方案：远程自动控制、远程手动控制、本地自动控制、本地手动控制。远程手/自动控制在泵站远程监控系统上完成，通过点击计算机上按钮实现；本地手/自动控制通过切换泵控制柜上的切换开关实现。当上位计算机发生故障时，泵通过PLC控制柜中的PLC仍能实现自动控制调节系统。启动液位、停止液位、电流低报警值、电流高报警值等通过上位机的设置可以修改且具有停电保持功能。各泵根据测量的液位实现自动启停，节约电力能源。
最大限度延长泵的寿命、保护设备方面实现多方报警保护功能：
当电流过高，负载过大时，产生过载报警，并自动发出泵停止命令。
当电流过低，叶轮脱落时，产生低电流报警，并自动发出泵停止命令。
当液位高度大于设定启动液位时，自动启动泵，并有报警输出。
当液位高度小于设定停止液位时，自动停止泵，并有报警输出。
当控制失灵，发出启停信号后泵不能按要求动作时，产生启动、停止报警。
现有泵都是降压启动，泵的启动状态切换到运行状态有十几秒间隔时间，启动泵命令发出后，经过十几秒检测运行状态信号，若导通说明操作正常，若没有导通说明动作未实现，产生启动未成功报警，并发出泵停命令，防止发生电流过大烧坏设备。
当泵自动控制不成功时，还有浮球判断，自动停止开启泵。还可通过转换开关切换到手动状态，手动启停泵。这样做到了三重保护，多极控制。
5、数据中心服务器
1）功能概述
- HMI实时监测设备重要运行参数，根据参数情况做相应处理；
- 对参数超高或超低报警；
- 可集成各种控制功能，如泵和阀门控制，参数的设定等；
- 可进行设备历史数据查询，显示变化曲线，并可根据历史数据完成各种统计报表或日、月、年报等；
- 可对各站点设备进行管理，运行状态、是否故障、运行时间等；
- 可通过网络采用IE浏览器进行WWW远程访问智能联网监控系统；
2）功能说明
实时监控
数据中心服务器通过GPRS 和ADSL两种方式采集各泵站的重要数据，并通过组态生成HMI人机界面，实时监测设备的数据，技术人员可通过数据分析设备的运行情况，并做参数的调整下发给设备。有现场设备出现故障，技术人员可通过人机界面查看数据，分析问题，解决问题。
曲线分析
通过曲线对关心的重要数据进行显示，形象的展示数据运行的轨迹，了解设备运行情况，并可通过历史曲线功能查看历史数据，便于技术人员对数据的统计分析，合理的调整运行参数。
报警故障记录
各设备出现故障时，系统会通过提示信息和声音报警提示。同时还具有报警记录查询功能，可查询以前设备的报警情况，便于设置的维护。
安全管理
本系统具有用户管理机制，不同的用户有不同的安全权限，只有授权用户才能访问授权的数据和画面，保证数据的安全性。不同的用户具有不同的权限，只有具有相关权限的用户才能进行相关的操作。
用户的登陆和权限介绍如下：
点击系统菜单“登陆”后会显示如下图对话框
点击“注销”按钮后，对话框变为下图
选择相应的用户名，输入正确的密码，点击登陆，就可以通过系统菜单进入相应的界面进行相关的操作。如果不输入密码直接点击“退出”按钮，便退出该用户。
数据报表
报表记录了设备重要运行参数，技术人员可以查询，便于合理的统计分析出设备的最佳运行参数，降低运行成本。报表可以打印保存。
历史报表对一些重要参数以报表的方式查询显示，可输入开始时间和结束时间来查询一段时间的数据运行情况，直观的分析设置参数信息，并可打印保存和导入EXCEL中分析。
四、门禁系统
门禁系统主要负责对泵站安全防范区域内人员出入控制管理，用于加强泵站的自动安全防范。
持卡人进门时将卡片接近读卡器，合法卡信号通过控制器认证后，电锁自动打开，非法卡被禁止访问。出门时只要按动出门按钮，电锁自动打开（或双向读卡出门）。系统可实现对门权限的明确限定，并对人员的进出情况进行记录，以备查询。也可以通过联动来实现对其它设备的控制，如消防联动、灯光和空调等控制。
门禁具有下列主要特点：
灵活丰富的权限管制：通过时区、周计划、假期信息、管制群组的自由设置可以控制任何一个持卡人在任何一个房门的任意时刻的开门权限和开门方式。
通道管制、胁迫报警：系统允许对某些房门进行管制，实行手动或自动布防和撤防，布防时间内仅系统卡和警卫卡才具有开门权限。胁迫报警是指发生不法分子挟持合法用户强迫开门事件时具备报警机制。
强大的报警设置功能：系统具有胁迫报警、防撬报警、强行进入报警、超时报警和反潜回功能，可设置2门电话用来报警后自动拨号。
电子公告功能：在具备液晶的读卡器上具有立方独特的电子公告功能，通过软件编辑后可向读卡机发布自定义的电子公告，用户刷卡后即可显示该短信息。
强大的系统联动：用户可以对系统的各个I/O口进行功能设置，实现与第三方系统或一卡通其他子系统进行联动。
多种开门方式：系统支持多种开门方式，如刷卡开门、密码开门、刷卡+密码开门、刷卡+密码+触发开门、刷多卡开门方式等，可根据不同的安全需求进行灵活的选择。
动态电子地图显示：系统具有电子地图，在电子地图上实时的以图形和文字的形式显示事件，如刷卡事件、进出房门、门状态变化、系统报警和各种紧急事件等。可以输入多幅地图，从不同角度监控现场出入情况。
具备多种发卡方式：系统可以用连接电脑的读卡器或连接控制器的读卡器发卡、也可以先由控制器发卡后上传到数据库再指定用户。
互锁通道、反潜回：系统语序管理员对制定的通道或房门实行互锁，互锁组的房门在同一时间只能开启其中的一扇。反潜回指在合法卡刷卡进入后，必须再规定时间内外出。
自动与手动的布防/撤防：系统支持对制定房门的自动布防和撤防功能，可以在有权限的情况下指定某些房门在到达指定的时间段内使其处于布防状态，过了这段时间之后，系统会自动撤防；也允许在有限的条件下，随时对房门进行布防和撤防操作。
五、总结
在泵站的自动化系统改造中，如何合理地利用泵站现有资源，更加经济有效地实现泵站自动化系统变的尤为重要。相信经过以上方案的设计，泵站自动化系统将发挥其更加积极的社会经济效率。