无人值守泵站自动控制系统设计应用

泵房 nPLC
1.1 中 心 控制 室
图 1 监控组网方式
体化，其结构如图 1 所示。该自动控制系统可实现对生产过程的 集中监测管理和分散控制，系统运行可靠，可以对中心控制站、 监控子站和现场手动操作进行分级控制，模块化的结构设计具
中心控制室主要包括：由 2 台工控机组成的监控工作站和 管理工作站，PLC 报警显示屏及 UPS 备用电源等附属设备。
产过程的逻辑控制及工况参数的采集和处理。
各个采集终端通信，并将数据初步处理后存入数据库。数据库
现场控制应该可以通过现场控制柜的操作按钮对设备进 服务程序完成建库和监控变量的配置。排障程序实现对发生控
行开停操作，并应设置急停开关；自动控制要实现面板操作、监 制系统故障的泵房的排障工作。Web 发布程序实现对各泵房运
1 自动控制系统结构设计
有良好的整体升级、扩展能力和方便维护的特点，符合网络优化 配置和业务拓展的需要。在符合系统功能要求的前提下，系统设 备选型综合考虑了性能指标、规格统一及性价比等因素。
泵房 1PLC
监控中心服务器
泵房 2PLC 泵房 3PLC
网络通信
LAN
电话 或短 信
…
用
用
维修人员
户
户
该自动控制系统由中心控制站、现场监控子站及通讯网络 构成，是由计算机和可编程逻辑控制器（PLC）组成的集散型控 制系统，该系统实现了过程控制自动化和信息管理自动化的一
0 引言
随着无人值守管理模式在能源、通信、仓储等行业中的全面 推广，在供水领域中，无人值守泵站也相继建成。本设计以某泵 房为对象，采用计算机及可编程控制器 PLC 全方位监控系统， 实时掌握供水水压和水质，并实时记录水泵运行参数，以保证水 泵良好的工作状态。同时，还可降低故障率、检修时间以及停水 次数。在系统设计时，考虑选择高可靠性、强抗干扰能力、操作方 便、维护简单的设备，从而实现供水部门管理的信息化、现代化。
站运行状况、控制设备的运行和及时了解现场故障信息。
3 结语
场控制的要求设定，利用 PLC 控制水压力的调节过程如图 2 所
目前，该无人值守泵房已运行 2 年，运行状况良好。结合生
示。清水池中设有压力传感器和流量传感器。
产运行管理实践，总结经验如下：（1）一流的硬件设备需要一流
压力传感器
的软件支持，高度自动化的水厂需要自动化系统及设备、仪表
5 结语
3 种工作方式，为节省功耗，ZigBee 大部分时间处于休眠状态， 可支持电池供电。
ZigBee 无线单元软件基础是它有自己的协议标准 ZigBee Pro。ZigBee Pro 包括 MAC 层、路由、网络层、应用层等，在数千 个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很 少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传
［参考文献］
备发送一个路由请求，希望发现到另一个无线设备的路径时， ［１］ 周怡颋，凌志浩，吴勤勤．ＺｉｇＢｅｅ 无线通信技术及其应用探讨．
路由就形成了。当在 2 个设备间的路由被发现后，源设备给路
自动化仪表，２００５（６）
由中第一个设备发送它的信息，该设备是在源设备的路由表中
指定的。每个设备使用自己的路由表来决定把信息传递给目标 节点所要走的下一步，这样就形成了数据传输的无线网络。红
收 稿 日 期 ：2012－09－03 作 者 简 介：钱锡颖（1973—），男，浙江宁海人，电气试验技师，
外测温设备通过无线数据传输减少系统布线，提高使用价值。 长期从事变电检修、试验工作。
机电信息 2012 年第 36 期总第 354 期 137
设计与分析◆Sheji yu Fenxi
制。操作人员可通过人机界面切换到泵房监控界面。在此界面 泵站中心控制室远程监测泵站清水池的水位或进站压力、加压
PLC 采集数据
等方面的高素质的专业维修队伍。自动化程度越高，操作越便
N
捷，管理就越复杂。（2）充分利用水厂内生产实时监控系统的优
N 泵站进水压力＜设定值
泵站出水压力
Y
Y
自动停泵并报警
自动启停机泵，调节变 频器恒压供水
图 2 PLC 控制水压力的调节过程 另外，在泵站工艺设计方面，根据供水水量和扬程要求，选 择合适的管道。采用 KSB 水泵直吸式供水方式，并选用 2 台变 频水泵，一用一备，水泵型号可根据供水压力来选择。泵站的电
ZigBee 无线单元硬件基础主要由 STM32W108 传感芯片
及一些外围器件组成。ST 公 司 的 STM32W108 是高 性 能 的
IEEE802.15.4 无线片上系统（SoC），集成了 2.4 GHz IEEE802.15.4
兼容的无线收发器、32 位 ARM Cortex－M3 微处理器、128 kB
本文介绍了基于 ZigBee 通信的红外测温系统，系统很大 程度上弥补了普通红外测温设备的不足，大大提高了系统的自 动化、智能化，节约了人力资源，同时大大降低了成本，有利于 红外测温技术的推广应用。系统实现远程实时测温，进一步提 高了设备的管理水平。
到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。当一个无线设
障信号，应能自动复位或通过上位机手动复位，不需要到现场复 控。通过手机有 2 种方式监控无人值守泵站，一是通过手机登 位；上位机可以记录保存规定的所有运行参数和报警信号，并能 陆网页版 GIS 系统进行监视；二是通过手机短信平台实现监
将数据保存 3 年以上，同时还可对泵站设备进行远程操作。
视。短信平台监控是通过安装在公司服务器上的短信控制平台
改；面板和上位机均能在线监控进出口压力、流量、泵阀运行状 线数据。GIS 软件可组态各无人值守泵站的监控画面，在及时
态、机泵的电力参数（电压、电流、频率）等；面板和上位机均能在 更新软件信息的前提下，通过 GIS 系统进行远程监控，保证各
线监控各设备、电气的故障和报警信号，对于临时性的报警和故 测压点和无人值守泵站组态画面为最新状态。（3）手机终端监
为消除这些干扰，同时采用软、硬件抗干扰措施，在软件设 计上应用数字编码、解码技术，剔除干扰信号，并使用软件滤波 技术；在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波消除高频干扰。检 测器与测温点处于同一电位，减少电场的影响。另外，为消除随 机干扰，利用触头温度变化相对缓慢的特点，对检测点信号反 复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠。通过以上综 合措施，整机有了较好的抗干扰能力，测量数据稳定可靠。
自动化系统软件（PLC 程序、面板组态、上位机组态）应有 和相应手机进行互联，从而保证相关人员能够随时随地了解泵
备份，必要时可及时恢复。自动化系统设备、网络通信设备和视 频监控设备所需电能应由 UPS 电源提供，且 UPS 电源容量应 能满足 8 h 的供电。泵房 PLC 子站数量可根据工艺流程以及现
下，可监测实时参数、设备运行状况及工作时间等；观察各项数 泵组工作状态、出站流量、出站压力等。该系统支持水泵启动设
据值及变化趋势，并对数据设定点进行调节；读取历史及实时报 备手动控制、自动控制、远程控制加压泵组的启停，并采用光纤
警内容；对现场的 PLC 等设备进行远程控制。（2）管理工作站用 通信，可以图像监测站内全景及重要工位，实现泵站无人值守。
再打开出水阀门，关停时，先关闭出水阀门再停水泵；根据机泵 进行远程操作。（2）GIS 客户端监控。利用 GIS 系统（管网地理
的工作时间，可自动轮值切换机泵；根据不同时间段可自动变换 信息系统）软件，对供水管网数据进行采集、存储、检索、分析和
预设的出口压力值；各种设定值均可通过面板、上位机进行修 显示，并运用地理信息科学理论，科学管理和综合分析各种管
（1）监控工作站主要用于对无人值守泵房的远程监视和控
T＝
Vi 姨4 Cεσ
（2）
物体表面发射出红外线经过红外传感器的光学镜头折射
到红外传感器上，将红外辐射能量转换为电压信号，经过信号
滤波电路处理后，输出到单片机 A／D 脚进行转换接收。单片机
根据式（2）推导出实际温度。
3.3 ZigBee 数 据 传输 原 理
泵站进水压力低于设定值时，系统自动停泵，并发出报警信号； 监控等 3 种远程监控方式：（1）上位机监控及管理。在调度室安
根据设定的出口压力，进行自动开启或停止机泵，并调节变频 装无人值守泵站的监控上位机，上位机通过光纤网络实时在线
器，实现恒压供水和智能调压供水，水泵启动时，应先启动水泵 监控泵房设备运行情况，并且在得到授权后可对无人值守泵站
1.2 现 场 监控 站
房相关设备的运行参数，并将数据通过移动网络发送到监控中
现场监控站控制系统由西门子 S7－300 系列可编程逻辑控 心。监控中心服务器运行的系统软件包括监听程序、数据库服
百度文库
制器（PLC）、在线监测仪表及执行器等组成，主要用于完成生 务程序、排障程序以及 Web 发布程序等。监听程序主要负责与
气设计主要包括低压配电装置、用电设备的配电及电缆的选型 ［参考文献］
和敷设及照明设计及接地保护设计。 ［１］ 周涛．城市自来水泵房监控系统研究与实现［Ｄ］．镇江：江苏大
2 泵站信息的数据连接方式
学，２００８
为实现中心控制室与现场控制站之间的数据连接，采用专 门的泵站监控系统。泵站监控系统适用于城市供水系统中加压 泵站的远程监控及管理。加压泵站管理人员可以在供水公司的
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
无人值守泵站自动控制系统设计应用
叶彩霞 （安庆职业技术学院，安徽 安庆 246003） 摘 要：主要介绍了利用综合监控系统来管理无人值守泵站技术，分析了该自动控制系统的主要构成及运行方案设计。 关键词：自控系统；PLC；中心控制站；现场监控；GIS；泵房；通讯网络
势，实现与上级 GIS 系统的通信和数据交换。目前，各泵站已通 过光纤和中心控制室 GIS 系统相连，实现了数据的实时传输， 提高了泵房管网调度的及时性和可靠性。无人值守泵站的建设 是为了实现对远程设备的分布式监控和集中式管理，这种无缝 融合方式将是未来主流的趋势。目前无人值守泵站的市场已经 出现，我们将在这方面做进一步的研究，以提高各控制泵站点 的运行可靠性及控制系统下执行机构的利用率，减少故障发生 频次，延长设备的使用寿命，达到节支降耗的目的。
flash 和 8 kB RAM，以及基于 ZigBee 的外设。STM32W108 芯片
受主 MCU 的 USART 端口控制，有休眠、发送及接收无线数据
4 抗干扰措施
高压开关柜运行在高电压、大电流的状态，系统事故瞬间 出现强烈的电磁暂态过程，这些都会产生强电场、磁场及强电 磁干扰，从而对微电子系统及微弱信号处理非常不利。
控；远程控制要实现远程上位机操作、监控等功能。
行参数的发布功能，便于管理者了解系统运行的相关情况。
自动化系统应包括 PLC、各类仪表、现场面板、网络通信等
由于无人值守泵站监控的自动化程度高，并且与监控中心
设备，以实现对泵、阀门等设备的全面联动控制，具有以下功能： GIS 系统对接，现已实现上位机监控、GIS 系统监控和短信平台
于生产运行管理及在线维护。（3）PLC 报警屏用于采集泵房主要 泵站监控系统主要由调度中心、泵站监控中心、通信平台、泵站
设施和设备的报警信号，并通过蜂鸣器或灯光闪烁提醒值班人 远程测控终端、计量测量及摄像设备组成。
员及时处理。（4）UPS 备用电源用于给中控室提供电源储备。
系统监控终端负责与泵房控制 PLC 系统进行通信，读取泵
收 稿 日 期 ：2012－08－02 作者 简介：叶彩霞（1978—），女，安徽安庆人，讲师，研究方向： 电气工程。
138