【正文】 論 泵站簡(jiǎn)介 泵站在城市排水中的作用 泵站 建設(shè)在我國(guó)已有近 40 年的歷史，其功能日趨完善。供水、灌溉、城市防澇、防洪等各用途的泵站，在各行各業(yè)中正起著越來(lái)越重要的作用。按照泵站的各種作用，泵站可以分為供水泵站，排水泵站，調(diào)水泵站等。其中排水泵站有城市防洪的作用，所以在我國(guó)各大城市均有排水泵站的身影。武漢市的排水泵站共有七個(gè)，分布在市區(qū)的長(zhǎng)江沿岸，其主要作用是排放城市的污水。在冬季，污水蓄水池的水位高于長(zhǎng)江水位，因此污水池里面的水可以直接排入長(zhǎng)江，而當(dāng)夏季到來(lái)時(shí)，一旦污水蓄水池的水位低于長(zhǎng)江水位，污水蓄水池里面的水就需要通過泵站排入長(zhǎng)江。如果排水不及時(shí) ，致使下水道堵塞和橋下積水過多，就會(huì)影響交通和環(huán)境，給城市居民的生活帶來(lái)諸多不便 [1]。隨著武漢市城市建設(shè)的迅速發(fā)展，市政污水泵站的規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)大，排水泵站的作用也越來(lái)越重要。 羅家路排水泵站簡(jiǎn)介 羅家路排水泵站是位于武漢市青山區(qū)羅家路江邊的泵站，此泵站主要負(fù)責(zé)青山區(qū)周圍的污水排放。和大部分泵站一樣，羅家路排水泵站主要以下幾個(gè)部分組成： ? 出水閘門：此閘門主要是在冬季時(shí)用于自動(dòng)排放集水渠里面的水，此閘門位于排水泵站的右側(cè)，當(dāng)夏季到來(lái)時(shí)，此閘門關(guān)閉。 ? 蓄水池：當(dāng)夏季到來(lái)時(shí)，出水閘門關(guān)閉，水 聚集在蓄水池里，通過泵站抽出 。 ? 供電區(qū)：為了保證泵站的可靠工作，泵站供電直接通過高壓輸電線提供，其進(jìn)線是 10KV 高壓，通過幾級(jí)變壓，得到電機(jī)的額定電壓和 220V 的低壓生活用電電壓。 ? 水泵房：羅家路排水泵站安裝了 4 臺(tái) 6KW 的軸流水泵。其水泵的電機(jī)是用的同步電動(dòng)機(jī)，之所以使用同步電動(dòng)機(jī)是因?yàn)榇蠊β释诫妱?dòng)機(jī)功率因數(shù)高，在運(yùn)行時(shí)，不僅不會(huì)使系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，反而會(huì)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，另外，同步電動(dòng)機(jī)的體積一般也比異步電動(dòng)機(jī)的要小。 ? 控制柜房：控制柜房?jī)?nèi)裝有進(jìn)線柜，泵開關(guān)柜，勵(lì)磁柜，電壓互感器柜， PLC柜，電源 柜等。泵站的控制和監(jiān)控設(shè)備主要安裝于控制柜房?jī)?nèi)。 ? 冷卻水池：此水池里面的水是干凈水，主要用于冷卻電機(jī)，并且水通過循環(huán)管道循環(huán)使用。 泵站的特點(diǎn) 此泵站以前的控制系統(tǒng)是用的老的單級(jí)繼電器控制，其自動(dòng)化監(jiān)控程度低，泵站管理全部是手工操作，運(yùn)行數(shù)據(jù)全部由人工記錄，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗電量大，而且運(yùn)行武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 數(shù)據(jù)的采集缺乏科學(xué)性，系統(tǒng)不易檢修。泵站的這些缺點(diǎn)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前城市市政建設(shè)高速發(fā)展的需要。通過構(gòu)建泵站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程無(wú)人自動(dòng)化已迫在眉睫。 研究泵站監(jiān)控系統(tǒng)的意義 1998 年我國(guó)遭遇了百年不遇的特大洪水侵襲，包括武漢市在內(nèi)的各個(gè)沿江地區(qū)和城市都受到了很大破壞。在抗洪時(shí)各個(gè)排水泵站的作用顯得格外重要，因此，為了提高城市的防洪排澇能力，武漢市政府決定對(duì)各大泵站進(jìn)行自動(dòng)化改造。其改造后的系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、過程控制于一身，能夠完成工藝流程控制、顯示、操作狀態(tài)監(jiān)視、過程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、報(bào)表打印等功能，該系統(tǒng)的研究的開發(fā)個(gè)有很大的意義。 。泵站實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控后，首先通過各種監(jiān)測(cè)裝置能夠快速準(zhǔn)確和及時(shí)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并不斷地把狀態(tài)數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器里。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài) ，系統(tǒng)就能夠發(fā)出報(bào)警信息，而且能夠迅速把信息傳遞給現(xiàn)場(chǎng)工作人員，及時(shí)做出處理。系統(tǒng)還能對(duì)事故過程進(jìn)行歷史記錄和整理，防止下一次事故的發(fā)生，可使設(shè)備避免遭受更嚴(yán)重的損壞，從而提高了泵站運(yùn)行的可靠性。 。泵站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控運(yùn)行后，在排水泵站的運(yùn)行過程中，計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)泵站蓄水池的水位控制調(diào)節(jié)泵機(jī)開停，使水泵效率提高，從而達(dá)到節(jié)省電能的目的。 。泵站的很多工作都是由自動(dòng)裝置按一定的程序自動(dòng)完成的，因此減少了人員直接參與操作、控制、監(jiān)視、檢查設(shè)備和記 錄等的工作量，改善了工作條件，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理水平。同時(shí)可減少運(yùn)行人員，實(shí)現(xiàn)少人甚至無(wú)人值班，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了運(yùn)行費(fèi)用和成本。此外，運(yùn)行人員的減少還可以降低生活敲詐的消耗，因而也可以減少泵站的抽獎(jiǎng)。 ，為泵站的建設(shè)和管理提供了可靠有力的科學(xué)證據(jù)，為摸索城市排水規(guī)律，提高管理水平提供了方便條件。這對(duì)城市的防洪排澇有很大的幫助。 泵站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展過程，任何一種新的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)都是針對(duì)舊的控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，并在用戶需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等外部因素的推動(dòng)下占主導(dǎo)地位。 早期的監(jiān)控系統(tǒng) 早期國(guó)內(nèi)大部分泵站的監(jiān)控和管理還處于相當(dāng)落后的狀況，與國(guó)外相比具有很大的差距。在電氣控制上，自動(dòng)化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級(jí)的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統(tǒng)計(jì)都是手工操作。因此泵站的控制和管理沒有形成區(qū)域化的網(wǎng)絡(luò)。早期泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通常彩集中采集中控制系統(tǒng)的工作模式，即現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，例如 的氣壓信號(hào)， 420mA 的直流電流武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 信 號(hào)， 15V 直流電壓信號(hào)等，送往集中監(jiān)控室。操作人員可以坐在監(jiān)控室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程各處的狀態(tài)，可以把各單元儀表的信號(hào)按需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變換緩慢，抗干擾能力差，因此經(jīng)常出現(xiàn)事故。武漢市羅家路排水泵站當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)還是這種比較老的系統(tǒng)，因此存在很多缺點(diǎn)，這也是對(duì)其進(jìn)行改造的主要原因。 集散控制系統(tǒng) 目前國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)大多為集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed control system） [2]。 20 世紀(jì) 70 年代初 隨著單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了 DCS 系統(tǒng)，它是以集中管理、分散控制為核心思想。在集散控制系統(tǒng)中管理于控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，多臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制功能，上下位機(jī)之間以控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞克服了集中數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)控制器的處理能力和可靠性要求高的缺點(diǎn)。這種監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)具有一定的先進(jìn)性，但是還存在很多問題。它是建立在計(jì)算機(jī)通信協(xié)議基礎(chǔ)之上的，無(wú)法延伸到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備，而且 CDS 多為數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，滿足不了數(shù)據(jù)通信全數(shù)字化的要求。同時(shí)它采用了獨(dú)家封閉式的通信協(xié)議，為一些 開發(fā)商所志有，給用戶系統(tǒng)集成和應(yīng)用帶來(lái)許多問題。 DCS 系統(tǒng)有以下主要缺點(diǎn)： 1. 接線復(fù)雜，可維護(hù)性差。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相對(duì)分散，而所有的信號(hào)都要連接到工控機(jī)上，這導(dǎo)致施工不便，產(chǎn)生故障后不易查找與排除。 2. 精度差。由于線路上傳輸?shù)氖?420mA的模擬信號(hào)，容易受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾，造成精度的損失。 3. 可靠性不好。所有的測(cè)量功能與采集功能均在工控機(jī)上，工控機(jī)負(fù)擔(dān)很重。一旦工控機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)將失去控制。 4. 系統(tǒng)不易擴(kuò)展。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的 PLC網(wǎng)絡(luò) 20世紀(jì) 80年代后期，人們?cè)?DCS的基礎(chǔ)上開始開發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器層的通信，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線 [3]。由于從根本上解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性問題，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛了國(guó)際電工委員會(huì) IEC61158對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線 (fieldbus)的定義是 :安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。第 2版 () IEC611582用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)一第 2部分 :物理層規(guī)范 (Physical Layer Specification)與服務(wù)定義 (Server definition)又進(jìn)一步指出 :現(xiàn)場(chǎng)總線是一種用于底層工業(yè)控制和測(cè)量設(shè)備，如變送器 (transducers )、執(zhí)行器 (actuators)和本地控制器 (local controllers)之 IN的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線概念的理解和解釋還存在一些不同的表述。例如，現(xiàn)場(chǎng)總線一般是指“一種用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器 (sensors)、執(zhí)行器及像 PLC、調(diào)節(jié)器 (regulators)、武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 驅(qū)動(dòng)控制器等現(xiàn)場(chǎng)控制器網(wǎng)絡(luò) .現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、 在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式，數(shù)字化、多點(diǎn)能信的底層控制網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了生產(chǎn)過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）之間以及更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備（車間級(jí)設(shè)備）之間的聯(lián)系；現(xiàn)場(chǎng)總線是連接控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)裝置的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò) ?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化 (最底層 )的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成 ?，F(xiàn)場(chǎng)總線是從控制室聯(lián)結(jié)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向全數(shù)字通信總線在自動(dòng)化領(lǐng)域，“現(xiàn)場(chǎng)總線” 一詞是指安裝在現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)、控制器以及生產(chǎn)設(shè)備等連接構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今 3C技術(shù)即通信 (Communication)技術(shù)、計(jì)算機(jī) (Computer)技術(shù)、控制 (Control)技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)及其發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，將對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)革命，從而開創(chuàng)自動(dòng)化的新紀(jì)元。它必將逐步取代傳統(tǒng)的獨(dú)立控制系統(tǒng)，集中采集控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)，成為本世紀(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流?，F(xiàn)場(chǎng)總線所具有數(shù)字化、開放性、分散性、互操作性與互換性及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適 應(yīng)性等特點(diǎn) [4]，這些特點(diǎn)決定和派生出了一系列優(yōu)點(diǎn) : 1. 線和連接附件大量減少。 2. 表和輸入 /輸出轉(zhuǎn)換器 (卡件 )大量減少。 3. 設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試費(fèi)用大大降低。 4 維護(hù)開銷大幅度下降。 5. 提高了系統(tǒng)可靠性。 6. 提高了系統(tǒng)測(cè)量與控制的精度。 7. 系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 8. 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)展更為方便。 本文研究?jī)?nèi)容和重點(diǎn) 本文在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市羅家路排水泵站的自動(dòng)化改造項(xiàng)目，對(duì)泵站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其主要研究?jī)?nèi)容是利用西門子的人機(jī)界面HMI軟件 WinCC對(duì)系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)研究。全文共分 5章。第一章對(duì)泵站進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)泵站監(jiān)控系統(tǒng)研究的意義進(jìn)行了闡述，然后對(duì)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析說(shuō)明。第二章主要對(duì)系統(tǒng)的工藝要求進(jìn)行了說(shuō)明，基本明確了系統(tǒng)的研究方法。第三章先對(duì)組態(tài)軟件的基本知識(shí)做了介紹，并在常見的組態(tài)軟件中選擇了本設(shè)計(jì)使用的組態(tài)軟件。然后對(duì)本設(shè)計(jì)選擇的組態(tài)軟件 WinCC做了簡(jiǎn)單的介紹。第四章是本章的重點(diǎn)。在本章中，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程和步驟做了詳細(xì)的介紹和說(shuō)明，并對(duì)重要的圖形界面分別做了說(shuō)明。第五章是本文的結(jié)束語(yǔ) ，主要對(duì)本設(shè)計(jì)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，并對(duì)泵站監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)化技術(shù)的未來(lái)做了展望。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 泵站控制系統(tǒng)概述 控制工藝和功能 泵站主控工藝 污水進(jìn)入泵站后的工藝流程如下：泵站進(jìn)水渠 —— 泵站集水池 —— 提升泵房 —— 出水渠 —— 長(zhǎng)江。 根據(jù)沿江排水泵站的具體工藝要求，可以確定監(jiān)控工藝。設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以通過各種傳感設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)集水池水位，根據(jù)水位的高低來(lái)自動(dòng)控制泵機(jī)的啟停，從而使集水池的水位保持在一個(gè)合適的位置。在泵站工作過程中，系統(tǒng)要能夠通過與 PLC 的通訊自動(dòng)采集和記錄泵站工作過程中 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括泵站電機(jī)的啟停工作狀態(tài)，泵站各個(gè)控制柜中的溫度和工作電壓電流，泵站工作中出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)等等。在水位超出設(shè)備設(shè)定范圍時(shí)，或者系統(tǒng)的其它設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警。設(shè)計(jì)要求電機(jī)的工作方式可以在自動(dòng)方式和手動(dòng)方式中進(jìn)行選擇。 泵站監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求 泵站的監(jiān)控系統(tǒng)是在泵站控制室內(nèi)的控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制功 能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視泵站狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)、接收故障報(bào)警信息、通過智能終端設(shè)備下達(dá)控制信號(hào)，并具有分級(jí)報(bào)警功能、操作權(quán)限管理功能、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和打印功能等。 (1) 狀態(tài)采 集功能 : 能動(dòng)態(tài)采集下列信號(hào) :電機(jī)有功功率；電機(jī)無(wú)功功率；電機(jī)電壓；電機(jī)電流；集水池水位；冷卻水池水位；電網(wǎng)參數(shù)；水泵的開停等。 (2) 狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析 ①能對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ) 。②能對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析 。 ③能對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)報(bào) :④能對(duì)監(jiān)控參數(shù)的異常狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。 (3) 報(bào)警功能 對(duì)監(jiān)控參數(shù)能實(shí)施報(bào)警功能，能進(jìn)行記錄 (包括發(fā)生時(shí)間、監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)，相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)等 )，自動(dòng)生成異常狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。 (4) 主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示 ①工藝流程的動(dòng)態(tài)顯示 。②主要參數(shù)的歷史曲線及趨勢(shì)顯示 。③相關(guān)參數(shù)的歷史 曲線及趨勢(shì)顯示 。④歷史數(shù)據(jù)及特種一記錄顯示。 (5) 存儲(chǔ)功能 ①各種監(jiān)控參數(shù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ) 。②各種監(jiān)控參數(shù)的異常動(dòng)態(tài)存儲(chǔ) 。③控制行為的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。 (6) 查詢功能 ①各種監(jiān)控參數(shù)的歷史數(shù)據(jù) 。②各種監(jiān)控參數(shù)的曲線及趨勢(shì) 。③異常狀態(tài)查詢 。④控武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 制行為查詢。 (7) 報(bào)表及打印功能 ①各種監(jiān)控參數(shù)的報(bào)表自動(dòng)生成 。②各種監(jiān)控參數(shù)的的指定區(qū)段數(shù)據(jù)打印 :③各種監(jiān)控參數(shù)的報(bào)表打印 。④異常狀態(tài)及控制行為的報(bào)表打印。 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 排水泵站監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)重大，根據(jù)其任務(wù)及系統(tǒng)要求， 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具備以下幾個(gè)特點(diǎn) [5]： 運(yùn)行上的可靠性。 這是