论文部分内容阅读
【摘 要】本文通过介绍上海城投原水公司徐泾泵站的自动化监控系统的构架、功能，论证了一个无人值守泵站监控系统所必须具备的特性。
【关键词】无人值守；自动化；冗余系统
上海城投原水有限公司徐泾泵站于2012年7月建成投入使用，向上海青浦徐泾、华新两镇、闵行华漕镇等三镇提供优质的青草沙原水。徐泾泵站的投入使用改善了该地区近50万人口的用水水质。
徐泾泵站的设计日供水量为20万吨，在整个上海原水系统中是小泵站。企业出于减员增效的目的，泵站的设计目标是无人（或少人）值守。但同时供水安全对于上海这座国际性的大都市有着无比的重要性和必要性。因此泵站必须有一套强大而稳定的自动化监控系统，使得较少的人力投入就可以完成整个生产过程的监控，确保泵站设备运行的安全、保证原水供应的不间断。
由于泵站的设计定位是无人（少人）值守，所以泵站的自动化监控系统必须具有以下的几点特性：
1.高稳定性与易维护性
原水泵站是全年365天24小时不间断工作的泵站，所以自动化监控系统必须具有极高的稳定性，才能给予生产活动有力保障。同时出于企业效益的考虑，系统还须具有维护简便和维护周期长的特性，这样可以减少后期人力成本的投入。
2.高度的自动化程度
由于泵站不配或只配少量的工作人员，要完成泵站内数量、种类众多的生产设备操作几乎不可能。这时如果依靠自动化控制系统就可以实现简便快捷的设备操作，甚至可以实现远程的设备操控。
3.完善的报警机制
自动化监控系统必须具有完善的报警机制，可以让工作人员第一时间获悉问题并按照相应的预定流程去解决问题。
4.数据的可靠传输
泵站的安全运行至关重要，实时的生产数据监测是保障安全运行的有效手段。将数据及时准确传输至上级管理单位以及原水调度中心，可以保证原水管网整体调度的安全性。同时也等于多了两双眼睛同时在关注徐泾泵站的生产活动，大大提高了及时发现问题的概率。
原水徐泾泵站自动化监控系统的设计与建设完全满足了以上几点需求：
4.1泵站自动化监控系统的架构
自动化监控系统中的下位机选用了AB品牌的ControlLogix系列PLC，采用了双CPU双网络冗余架构。采集设备信号的I/O机架通过冗余的controlnet网络与冗余的主、副CPU机架相连接，而主、副CPU机架分别通过以太网连接网络交换机。当主CPU出现故障时，副CPU通过连接两机架之间的通讯光跳线获得讯息，立即接替主CPU的工作职责。故障的CPU排除问题后，自动变为副CPU工作。这种架构实现了真正意义上的控制器无扰动切换，具有很高的可靠性。
controlLogix系列的PLC采用了模块化的设计，友善的编程环境，易于学习、使用，使得维护工作的难度大大的降低。
自动化监控系统的上位机选用了安装Intouch软件的PC。上位机有两台PC，1台作为工程师站、1台作为操作员站。工程师站安装Intouch的开发版本，可以进行人机交互界面的开发与修改并具有程序的运行功能。操作员站安装Intouch的运行版本，只具有程序运行功能。两台上位机互为冗余，独立运行，各自通过网络交换机向下位机ControlLogix PLC读取数据。两台上位机的同时使用大大提高了系统的稳定性。
4.2泵站监控系统的功能
徐泾泵站自动化监控系统的两大功能：设备的控制与数据的处理。
4.2.1设备的控制
泵站主要设备如下：10kV变配电设备，400V变配电设备，水泵变频器，水泵软启动，出口液控阀等。
设备的控制分为两层：就地层与远控层。就地层就是在设备本身的控制面版上进行操作，具有较高的优先级别。远控层就是在计算机上实现设备的控制。就地与远控的选择切换通过设备上的选择按钮来实现。
徐泾泵站是按无人（少人）值守标准设计的泵站，泵组的开停可以在计算机端通过轻点鼠标而实现一步化的操作。原先需要在400V变配电设备、变频器、出口液控阀等三处地方安排三个工作人员来完成的开停泵操作，现在只需一个工作人员坐在电脑前就可以完成。工作人员通过计算机操作，将控制指令发往PLC，PLC按照预定的操作流程去控制相应设备，设备之间按照一定的顺序联动运行，此种操作方式无论在效率和准确性上都大大超越了人工就地控制的方式。而且根据不同的权限授予，工作人员除了可以在泵站内的操作站，还可以在上级管理单位的操作站上对泵站内设备进行控制，从而实现泵站真正的无人值守。
4.2.2数据的采集与处理
徐泾泵站监控系统的数据众多，主要分为以下几类：
（1）生产工艺数据包括压力、流量、水質等。
（2）电气数据包括电压、电流、功率、开关位置等。
（3）设备运行状态数据包括变频器开停故障状态，阀门开闭状态，水泵转速与水泵故障等。
（4）设备健康状态数据包括水泵、电机的温度与振动数据等。
由于数据量大，少量的工作人员无法同时兼顾这些数据，监控系统必须具有完善的报警机制，将关键信息第一时间呈现给工作人员。系统必须对采集到的数据进行判断处理，除了数据本身还应该将可能的故障提示给工作人员。比如系统对泵站的出口压力进行数值的判断，根据预设定值，进行压力过低或过高的警报提示。又如系统对泵站的振动频谱进行分析判断，根据相关的国标，提示水泵可能存在的故障，或提醒工作人员设备老化的趋势。
4.2.3泵站数据的上传
徐泾泵站隶属于松浦原水厂管辖，徐泾泵站的生产系统数据通过服务器经由两条数据链路发送至松浦原水厂数据服务器。两条数据链路一条为点对点SDH数据专线，另一条为具有固定IP地址的ADSL。两条数据链路同时传输数据，互为备用。
松浦原水厂的数据服务器将本厂数据连同徐泾泵站的数据一起发送至原水调度中心，同样是通过两条冗余的数据专线。这样徐泾泵站的生产系统就构成了稳定可靠的三级监控：本地/上级厂/调度中心，三个地方都可以对徐泾泵站的生产活动进行实时的监控。不仅实现了数据实时共享、一网调度的需求，同时也降低了减少本地工作人员而可能带来的风险隐患。
综上所述，徐泾泵站的自动化监控系统具有很高的可靠性与稳定性，同时又能帮助本地或远程的工作人员迅速准确的掌握泵站的各类突发情况，而系统维护又非常简便。以自动化监控系统作为基础，配以视频监控系统、电子围栏系统、智能巡更系统、门禁系统、外来人员管理系统、灯光语音警示系统等辅助系统，徐泾泵站现在已经稳定的实现少人值守运作，并有能力实现无人值守的运作方式。
徐泾泵站的实际例子可以证明，完善的自动化监控系统可以使得企业的生产活动变得轻松又安全，不仅兼顾了企业的减员增效目的。而且满足了企业安全生产的要求。
【关键词】无人值守；自动化；冗余系统
上海城投原水有限公司徐泾泵站于2012年7月建成投入使用，向上海青浦徐泾、华新两镇、闵行华漕镇等三镇提供优质的青草沙原水。徐泾泵站的投入使用改善了该地区近50万人口的用水水质。
徐泾泵站的设计日供水量为20万吨，在整个上海原水系统中是小泵站。企业出于减员增效的目的，泵站的设计目标是无人（或少人）值守。但同时供水安全对于上海这座国际性的大都市有着无比的重要性和必要性。因此泵站必须有一套强大而稳定的自动化监控系统，使得较少的人力投入就可以完成整个生产过程的监控，确保泵站设备运行的安全、保证原水供应的不间断。
由于泵站的设计定位是无人（少人）值守，所以泵站的自动化监控系统必须具有以下的几点特性：
1.高稳定性与易维护性
原水泵站是全年365天24小时不间断工作的泵站，所以自动化监控系统必须具有极高的稳定性，才能给予生产活动有力保障。同时出于企业效益的考虑，系统还须具有维护简便和维护周期长的特性，这样可以减少后期人力成本的投入。
2.高度的自动化程度
由于泵站不配或只配少量的工作人员，要完成泵站内数量、种类众多的生产设备操作几乎不可能。这时如果依靠自动化控制系统就可以实现简便快捷的设备操作，甚至可以实现远程的设备操控。
3.完善的报警机制
自动化监控系统必须具有完善的报警机制，可以让工作人员第一时间获悉问题并按照相应的预定流程去解决问题。
4.数据的可靠传输
泵站的安全运行至关重要，实时的生产数据监测是保障安全运行的有效手段。将数据及时准确传输至上级管理单位以及原水调度中心，可以保证原水管网整体调度的安全性。同时也等于多了两双眼睛同时在关注徐泾泵站的生产活动，大大提高了及时发现问题的概率。
原水徐泾泵站自动化监控系统的设计与建设完全满足了以上几点需求：
4.1泵站自动化监控系统的架构
自动化监控系统中的下位机选用了AB品牌的ControlLogix系列PLC，采用了双CPU双网络冗余架构。采集设备信号的I/O机架通过冗余的controlnet网络与冗余的主、副CPU机架相连接，而主、副CPU机架分别通过以太网连接网络交换机。当主CPU出现故障时，副CPU通过连接两机架之间的通讯光跳线获得讯息，立即接替主CPU的工作职责。故障的CPU排除问题后，自动变为副CPU工作。这种架构实现了真正意义上的控制器无扰动切换，具有很高的可靠性。
controlLogix系列的PLC采用了模块化的设计，友善的编程环境，易于学习、使用，使得维护工作的难度大大的降低。
自动化监控系统的上位机选用了安装Intouch软件的PC。上位机有两台PC，1台作为工程师站、1台作为操作员站。工程师站安装Intouch的开发版本，可以进行人机交互界面的开发与修改并具有程序的运行功能。操作员站安装Intouch的运行版本，只具有程序运行功能。两台上位机互为冗余，独立运行，各自通过网络交换机向下位机ControlLogix PLC读取数据。两台上位机的同时使用大大提高了系统的稳定性。
4.2泵站监控系统的功能
徐泾泵站自动化监控系统的两大功能：设备的控制与数据的处理。
4.2.1设备的控制
泵站主要设备如下：10kV变配电设备，400V变配电设备，水泵变频器，水泵软启动，出口液控阀等。
设备的控制分为两层：就地层与远控层。就地层就是在设备本身的控制面版上进行操作，具有较高的优先级别。远控层就是在计算机上实现设备的控制。就地与远控的选择切换通过设备上的选择按钮来实现。
徐泾泵站是按无人（少人）值守标准设计的泵站，泵组的开停可以在计算机端通过轻点鼠标而实现一步化的操作。原先需要在400V变配电设备、变频器、出口液控阀等三处地方安排三个工作人员来完成的开停泵操作，现在只需一个工作人员坐在电脑前就可以完成。工作人员通过计算机操作，将控制指令发往PLC，PLC按照预定的操作流程去控制相应设备，设备之间按照一定的顺序联动运行，此种操作方式无论在效率和准确性上都大大超越了人工就地控制的方式。而且根据不同的权限授予，工作人员除了可以在泵站内的操作站，还可以在上级管理单位的操作站上对泵站内设备进行控制，从而实现泵站真正的无人值守。
4.2.2数据的采集与处理
徐泾泵站监控系统的数据众多，主要分为以下几类：
（1）生产工艺数据包括压力、流量、水質等。
（2）电气数据包括电压、电流、功率、开关位置等。
（3）设备运行状态数据包括变频器开停故障状态，阀门开闭状态，水泵转速与水泵故障等。
（4）设备健康状态数据包括水泵、电机的温度与振动数据等。
由于数据量大，少量的工作人员无法同时兼顾这些数据，监控系统必须具有完善的报警机制，将关键信息第一时间呈现给工作人员。系统必须对采集到的数据进行判断处理，除了数据本身还应该将可能的故障提示给工作人员。比如系统对泵站的出口压力进行数值的判断，根据预设定值，进行压力过低或过高的警报提示。又如系统对泵站的振动频谱进行分析判断，根据相关的国标，提示水泵可能存在的故障，或提醒工作人员设备老化的趋势。
4.2.3泵站数据的上传
徐泾泵站隶属于松浦原水厂管辖，徐泾泵站的生产系统数据通过服务器经由两条数据链路发送至松浦原水厂数据服务器。两条数据链路一条为点对点SDH数据专线，另一条为具有固定IP地址的ADSL。两条数据链路同时传输数据，互为备用。
松浦原水厂的数据服务器将本厂数据连同徐泾泵站的数据一起发送至原水调度中心，同样是通过两条冗余的数据专线。这样徐泾泵站的生产系统就构成了稳定可靠的三级监控：本地/上级厂/调度中心，三个地方都可以对徐泾泵站的生产活动进行实时的监控。不仅实现了数据实时共享、一网调度的需求，同时也降低了减少本地工作人员而可能带来的风险隐患。
综上所述，徐泾泵站的自动化监控系统具有很高的可靠性与稳定性，同时又能帮助本地或远程的工作人员迅速准确的掌握泵站的各类突发情况，而系统维护又非常简便。以自动化监控系统作为基础，配以视频监控系统、电子围栏系统、智能巡更系统、门禁系统、外来人员管理系统、灯光语音警示系统等辅助系统，徐泾泵站现在已经稳定的实现少人值守运作，并有能力实现无人值守的运作方式。
徐泾泵站的实际例子可以证明，完善的自动化监控系统可以使得企业的生产活动变得轻松又安全，不仅兼顾了企业的减员增效目的。而且满足了企业安全生产的要求。