一种新型污水泵站远程监控系统的设计与实现

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇一种新型污水泵站远程监控系统的设计与实现范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文针对宁波市污水泵站改造工程，分析了当前泵站远程监控系统的现状，设计并实现基于 VPN （虚拟专用网）的新型泵站监控系统, 简要介绍了系统的构成，举例说明了组态软件 InTouch 的应用，同时阐述了变频调速的实现以及液位恒定的方法及其节能效果。

关键词：污水泵站；VPN网络；组态软件；变频调速；远程监控系统

0 引言

国内污水泵站日常运行及维护工作，一般采用人工巡视检查的办法，具有工作量大、效率低、反应慢的缺点，这种管理办法越来越不适应城市快速发展的要求。另外，过多依靠人工操作也使泵站设备的使用效率低下，能耗水平很高。因此，实现泵站远程监控，不仅对泵站的安全运行提供了强有力的保障，而且为泵站的节能增效与集中管理奠定了基础。

本文介绍一个基于先进的VPN网络（虚拟专用网）和成熟的InTouch软件的泵站计算机监控系统，叙述了系统的架构，并对InTouch 平台下的系统各功能模块的开发进行了研究，同时，探讨了在污水泵站采用变频调速的的意义、恒液位控制的方法及其节能效果。

1 工程背景

为提高点多面广的泵站管理效率和控制水平，强化污水泵站的区域调度及全程调度，宁波市排水公司于2003年开始对泵站进行了自动化改造试点；于2006年实施了泵站远程监控系统一期工程，并设立了泵站监控中心；至2010年初已完成了泵站远程监控系统第四期工程的实施，共有28个泵站实现了自控系统改造，泵站设备运行信号、泵站视频监控信号在监控中心实时显示，同时，可在监控中心远程控制泵站内设备的运行，实现了泵站的自动化运行。

2010年底，泵站远程监控系统五期工程正式启动，新增18个污（雨）水泵站改造，它是前四期工程的延续，并与原系统进行无缝融合。该污水泵站系统的建设目标是，建立一个国内外先进的集网络技术、图像远程监控技术、PLC自动控制技术及计算机技术于一体的自动化系统，从而将宁波市排水泵站的自动化管理水平提升到新的高度。

2 系统结构

本工程设计采用世界先进的控制技术，通过在各个泵站与中央监控中心之间构建 VPN（Virtual Private Network，虚拟专业网络）通讯网络将各个泵站自控系统的实时数据信号和视频信号采集传送到中央控制中心，中央控制中心可对泵站进行实时远程操作。

遵循“集中监视，分散控制”的设计思想，整个系统分上位机监控层、PLC控制层、现场仪表层和通讯网络几部分，并具有充分的可扩充功能，以便新建泵站陆续加入到监控系统中。系统架构如下图所示：

图 1 污水泵站监控系统结构图

泵站监控系统各子系统的组成技术与功能简述如下：

1) 网络通讯系统

鉴于各污水泵站分布范围广，系统采用VPN网络。配备一套适合该泵站控制系统的通讯网络，采用虚拟局域网技术组建各泵站与监控中心间的网络，将各污水泵站和监控中心组成一个局域网。

泵站与监控中心采用虚拟局域网连接，在每个污（雨）水泵站内均设置一个工业以太网交换机，该交换机接入VPN网，泵站内的所有网络设备（PLC、视频服务器等）与该交换机连接。同样监控中心的交换机也接入该网络，监控中心内的各计算机系统（工况监控计算机系统、图像监控计算机系统等）接入该交换机。

2) 工业控制系统

污水泵站工业控制系统由下位机（PLC系统）和上位机（工况监控计算机）及网络系统等构成。

下位机（PLC系统），选用施耐德品牌的Modicon Premium PLC，通过采集仪表系统的测量参数、各工艺设备的状态参数和接受触摸屏（采用XBTGT5330图形终端）及上位机的控制命令，根据编制的泵站控制程序，来实现对各工艺设备的自动控制和远程遥控，将各信号上传至监控中心的工况监控计算机上。

上位机（工况监控计算机）可接收下位机传送上来的各仪表测量信号和设备状态信号及操作员的控制命令，通过设定的程序运行，向下位机发送各控制命令。

3) 仪表系统

污水泵站内的仪表系统主要由集水池内的液位检测仪表、出水总管上的压力检测仪表和配电系统中的各电量参数检测仪表等构成。

4) 图像监控系统

泵站图像监控系统由摄像部分、网络传输部分监控中心数字视频管理系统构成。

3 InTouch 应用

3.1 InTouch 简介

InTouch 是美国 Wonderware 公司的专业自动化软件，是用于工业自动化、过程控制和管理监视的一个强大的图形人机界面的组态软件。

3.2 InTouch 应用开发

InTouch 与外界设备之间的通讯是通过一个通讯接口―― I/O Server（I/O 服务器） 来实现的，本例所使用的设备驱动程序为MBENET（Modicon Modbus Ethernet），其主题名（Topic Name）与对应的 InTouch 中变量的访问名保持一致即可，且易于设置。使用 InTouch 进行二次开发的人员可以把精力放在控制和数据处理上，整体开发与调试效率较高；而且，生成的人机界面美观，用户操作方便。

3.3 监控软件功能

本文监控系统软件选用InTonch 组态软件开发平台，针对各个污水泵站中格栅、水泵、阀门等相关设备的状态及集水池液位、管道流量、管道压力、水泵电流等参数实现数据采集及控制。

4 变频调速的应用

污水泵站的主要功能是将污水提升输送到下一个泵站或污水处理厂。污水泵站内主要工艺设备有启闭机、格栅机、水泵、电动阀，主要检测工艺信号有集水池液位、出水总管压力及综合电量参数等。泵站运行的工艺流程如下：

图2污水泵站运行流程

4.1 污水泵站变频调速的意义

由于污水泵站中的污水量随时都在改变（水位在变化），因此潜污泵的流量也在随之改变，这就需要频繁地调节带动水泵的电机的输出功率，采用大、小型泵搭配或采用变频调速电机等传统方式来调节水量存在着许多问题：(1)电机启动、停机频繁，缩短了其使用寿命，增加了电机和变频器的的损耗；(2)传统的转速调整，调速范围小，经常调节不到所需要的功率，从而造成弃水现象；(3)电机的检修与维护工作量较大，需要备用机组多；(4)大、小机搭配及备用机组造成一次性投资较大。

在泵站中采用变频调速装置，可以克服以上问题。随着变频调速技术的日益成熟，该技术在节能方面也获得了广泛的应用。对于我们要研究的污水泵站，由于污水量随着生产、生活废水多少的变化以及时令的不同而有所变化，因此我们可以通过使用变频调速来改变电机的转速，从而达到调节水量和节能的目的。

4.2 恒液位控制

我们采用超声波液位计检测集水池液位，通过变频器与PID调节器构成液位闭环，实现液位的自动恒定控制。

变频器用于控制一台水泵的运行，即根据水池液位的变化，通过变频器实现自动跟踪来调节水泵电机的转速，保持水池液位稳定。基于PLC的PID调节器将外部变送器输入的模拟信号反馈输入到变频器，并取得与变频器设定频率指令之间的偏差，进行P(比例)、I(积分)、D(微分)控制，从而使负载一侧的动作跟随指令值的变化而改变。

恒液位控制的系统框图如下所示。

图3 变频器与液位自动恒定控制框图

在污水泵站改造工程中，我们实现了就地／远程、手动／自动多种控制方式。变频器运行的频率随集水池水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵）。直接启动的泵（工频运行）是“粗调”，变频器启动的泵（变频运行）是“精调”。

4.3 变频调速节能效果

变频调速以其优异的调速、启动和制动性能，高效率、高功率因数等优点，不仅能延长设备使用寿命，减轻工人劳动强度，而且节电效果明显。

下表以三个泵站为例，给出了综合节电率测试与分析结果。实践证明，在保证完成排水任务的前提下，控制水泵在较低频率下运行，可以降低单耗，取得较好的节电效果，节电率基本在20% ～40%左右。

表1排水泵站综合节电率

5 结束语

基于VPN网络和 InTouch 组态软件，建立了稳定、可靠、实时的泵站监控和管理系统。通过几年来的运行表明，该系统的设计是成功的，它实现了对整个污水泵站系统的控制操作、数据采集和信息的实时性、准确性、完整性和统一性，具有很好的可靠性、可维护性和可扩展性，同时带来了节能、配置方便等有利之处，适应现代排污泵站的发展趋势。同时，新型城市污水泵站远程监控系统为提高泵站的运行维护水平，合理配置人力资源，并对运行管理模式的改变起着积极的推动作用。

参考文献

［1］袁云，俞赛峰，林磊，张立民。排水泵站变频节能的工程实践和机理初探。排灌机械，2006（5）：25。