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赛远安全通讯模块搭建的泵站无人值守系统

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一、      背景技术
泵站是水利枢纽工程的主要设施,泵站设施为城市防洪排涝和和农村引水排灌起到关键作用。随着我国经济建设的快速发展,对水利设施和水环境提出了更高的要求。城市防汛排涝、城镇水环境、深水井群和排水设施均面临着采用现代信息化技术来进一步提升设施的要求。
实现排水、井群、挡潮、排涝、引水等项目,泵站设备的自动化监控,集中调度管理,实时采集各种水情、工情数据是信息化建设的基础。
目前,我国正在运行的泵站多为20世纪六、七十年代建设,因受当时技术、资金、设备条件的限制,大部分泵站设备还是采用传统人工完成的管理和操作方式,长年老化失修,加上维护工程师人员短缺,整体素质偏低,致使泵站设备能耗逐年升高,排灌效益锐减,无法保障构建社会主义和谐社会的社会经济发展需求。这些问题已经引起中央和地方各级政府的高度重视,泵站的建设和大规模的更新改造已经进入新的历史时期。
为进一步提升泵站设备自动化设施水平,在泵站的建设和改造中,广泛的使用了可编程控制器PLC、工业控制计算机IPC、人机界面HMI和工业现场总线等工业自动化产品。但在泵站设备的组网过程中,通讯线路的建设还停留在铺设专用通讯线缆或采用GPRS无线通讯技术的水平。
铺设专用通讯线缆的缺点在于建造成本高、耗能高、耗时长,且在很多特殊环境下无法进行通讯线缆的建设,这些制约着泵站建设和自动化的水平。GPRS无线通讯技术数据传输量也小、响应迟钝,无法满足实时控制,视频监控,在线进行程序上下载和诊断等需求。
 
二、      问题
举例如下,某市,在60 平方公里,分布着15 个泵站,采用西门子的S7-300 PLC为每个泵站的控制系统,要求能24 小时对每一个泵站进行不间断数据和视频监控。
在项目实施论证过程中,会有以下问题让客户困扰:
(1) 市内外泵站,分布分散,距离监控中心太远,施工布线复杂,很难集中管理;
(2) 传统的视频监控无法实现,功能单一,难以满足要求;
(3) 如采用多套系统,维护成本太高,视频监控、周界报警和泵站周边动力环境设备无法统一集中监控;
(4) 泵站发生警情时,就近值班人员,仅靠中心端人员电话通知,没有办法在第一时间获取详细图像监控信息,无法进行客观判断;
(5) 泵站发生故障时,由于无法进行实时的控制器程序在线,故障光是从视频看停机,无法准确判断问题所在,即使派人,也可能需要再次返回拿维护备件。
 
 
三、      赛远的无人值守方案
 
结合客户的需求情况,给出详细解决方案,重点解决客户如下问题。
(1) 前端每一个泵站搭建一套赛远远程安全通讯模块SY-RSCM300,作为核心设备。在每个泵站上,直接采用具有语音和视频同时传输的IP摄像机,负责采集前端泵房音视频监控,具备可识语音对讲,防盗入侵报警,并通过控制系统PLC进行泵房漏水检测和动力环境监控功能,最终以TCP/IP 网络数据传输。
(2) 采用无线3G传输系统,解决布线施工复杂,费用高昂问题;
(3) 在监控系统上,使用一套软件平台,集成泵站动力环境集中监控系统、视频监控系统、远程报警联网系统、灯光控制系统、门禁联网系统等子系统。
(4) 系统无缝集成多媒体发送模块,将报警后抓拍到的图片,通过网络及时发送给相应管理人员,保证让泵站就近的管理人员迅速处理警情。
(5) 系统采用S-link安全协议,将泵站的控制器PLC接入后,即可实现对远程PLC的在线实时程序诊断和维护,并且从上位机上读取数据,直接通过OPC的标准方式进行,不需要在泵站现场的PLC上写任何程序,即可完成所有数据的实时读写。
 
系统按照两层网络结构进行设计,在泵站作业区设置本地监控系统,包括泵站设备监控、泵站周边区域监控,周界报警系统、消防报警系统、门禁控制系统、灯光语音控制系统、泵站工作区动力环境监控。在市区的监控中心总部设置无人值守泵站远程监控统系统一监管,包括警情处理、数据报表分析、远程管理、集中存储等任务。
1、系统总体架构
系统将前端的15个泵站,每个泵站,可以直接通过每个远程安全通讯系统和3G上网模块,接入到中心站,每个站可以通过有线的宽带上网,也可以通过3G无线上网,由监控中心进行集中管理和控制。系统整体架构如图一和图二所示。
图一单泵站的远程监控系统图
 
图二多泵站的远程监控系统图
 
本系统提供了一种基于3G的无人值守泵站远程监控维护的方法。利用3G无线通讯技术,网络技术,工业自动化技术的完美结合,有效的解决了铺设专用电缆或GPRS无线通讯无法进行视频传输、对控制器程序级的控制(远程的程序上下载,在线诊断等)、泵站维护人员短缺和运行成本高等问题。
实现本系统的方法是:
涉及泵站设备与远程监控维护中心之间的通讯,包括
使用3G无线通讯,将泵站设备采集到的数据通过Ethernet接口传入B远程安全通讯模块到传入3G通讯模块后传输至远程监控维护中心,该远程安全通讯模块在3G网络上建立专用通道;摄像头、PLC和多功能面板HMI之间则通过以太网Profinet实时通讯。
使用PLC成熟的工业现场控制,稳定性,安全性高的特点,对泵站的泵组、水闸、各种阀门、电气系统等进行现场级控制。Profibus DP接口的设备(如PLC从站和变频器),通过西门子工业现场总线Profibus实时通讯,对需数字量或模拟量I/O监控的设备(如液位计、流量计、电流互感器和电压互感器),直接通过I/O接口实时通讯。
使用PLC对水位数据采集监控,过程如下:用流量计采集相应进水流量和排水流量,通过PLC的模拟量输入模块实时传输到PLC中, PLC根据采集来的流量得出流量差,与液位计测得的集水池液位进行计算,根据计算出的结果,按PLC中设定顺序启动或停止电机。
使用PLC对电机运行数据采集监控,过程如下:用电流互感器和电压互感器采集电机的电流和电压数据,通过PLC模拟量输入模块传输到PLC中,PLC对所采集到的数据实时存储并传输到管理计算机中,当电机过压或过流或欠压或欠流时,PLC及时地关闭电机,并将故障信号实时传输到管理计算机,发出声光报警信号。
PLC对上述两种状态的监控,确保泵站集水池中的水位,位于最低水位和最高水位之间。以防止水位过低,造成抽水管干抽,电机空载运行,使得电机电流过大,烧毁电机;并防止水位过高,进水流速高于出水流速时水溢出,造成事故。
本系统在安装于管理计算机和服务器中的组态软件中,对采集到的数据进行记录、存储、统计并生成报表,提供了数据查询功能。在管理计算机中进行用户权限的分配,对不同的工程师分配不同的用户名和密码。
本系统还将监控故障等级还由高到低分为了ABC三个等级,在组态软件的画面上呈现红、橙、蓝对应颜色;监控故障出现时,PLC将实时将故障信号发送到管理计算机上,通过组态画面,发出对应警报信号,A级为红色灯亮,并发出蜂鸣声,B级为橙色灯亮,并发出蜂鸣声,C级为蓝色灯亮,维护工程师根据接收到的故障报警等级对故障进行分类处理。
上述各等级处理规定的情况如下:
A级故障,接到故障报警后,远程监控维护中心的工程师15分钟内通知就近维护工程师,要求维护工程师1小时内赶到现场,并在2小时内解决问题。如2小时不能解决需及时上报领导,暂停使用本泵站设备,等待更高级的处理,并事后出紧急故障处理报告。此类故障主要是泵站供电电源故障,现场控制器PLC发生故障,多台电机停止工作无法满足泵站出水故障,3G无线监控通讯系统故障,水位计停止工作或流量计停止工作故障。
B级故障,接到故障报警后,远程监控维护中心的工程师15分钟内通过3G远程远程维护系统对故障进行在线诊断,诊断出结果及时通知就近维护工程师进行及时维护和仓库进行元器件准备。要求仓库1小时内对元器件准备完毕,技师3小时内赶到现场,并在10小时内解决问题。如10小时内无法解决问题,需及时上报领导,暂停泵站设备部分使用,等待更高级的处理,并事后出紧急故障处理报告。其主要故障有部分电机停止工作但能满足泵站的使用,备用电源故障,某电机多次出现过压、欠压、过载等故障。
C级故障,是不影响泵站安全运行的故障。远程监控维护中心的工程师需及时对故障部分进行远程检测,并通知相关人员,在一周内对故障点进行维修。
 
上述各等级涉及远程监控维护中心的工程师实施监控的具体操作如下:
A级故障:关闭声音报警,通知维护工程师赶赴现场故障点,其中泵站设备与远程监控维护中心的通讯故障,则先检查远程监控维护中心通讯系统,并确定故障点。
B级故障:关闭声音报警,并按一下步骤操作:
1) 接收到报警故障后,在组态软件中调阅泵站设备工作的相关信息;
2) 在管理计算机上,打开SY-RCS软件,输入发生故障的泵站控制PLCIP地址,并输入用户名和密码,点击建立连接;
3) PLC连接后,打开西门子编程软件Step 7,将程序上载到管理计算机;
4) 通过Step 7软件,对发生故障的设备所对应的程序进行在线诊断;
5) 查看现场的视频信号,将故障区域的视频画面与在线程序诊断的结果进行对照,判断故障所在;
6) 锁定故障元件;
7) 通知最近的现场服务人员,并将故障信息发送给相关部门(技术部,采购部,仓库);
8) 填写故障诊断表,将所诊断出的故障进行数据备份;
9) 完成诊断。
C级故障,按一下步骤操作:
1) 接收到报警故障后,在管理计算机上,打开SY-RCS软件,输入发生故障的泵站控制PLCIP地址,并输入用户名和密码,点击建立连接;
2) PLC连接后,打开西门子编程软件Step 7,将程序上载到管理计算机;
3) 通过Step 7软件,对发生故障的设备所对应的程序进行在线诊断;
4) 查看现场的视频信号,将故障区域的视频画面与在线程序诊断的结果进行对照,判断故障所在;
5) 锁定故障元件;
6) 通知最近的现场服务人员,并将故障信息发送给相关部门(技术部,采购部,仓库);
7) 填写故障诊断表,将所诊断出的故障进行数据备份;
8) 完成诊断。
 
 
四、      预期效益
通过赛远的远程安全通讯系统搭建的泵站无人值守综合监控系统,其关键技术实现了对中大型泵站的“无人值守,少人看管”的全自动化控制管理,为泵站减员增效提供了条件,利用优化调度在线运行,实现了节能、增效,创造了巨大的经济效益。
利用“3G移动通信技术,与传统的GPRS无线通讯技术相比,使用的带宽更宽,频率更高,使得数据传输速度快,流量大,满足工业自动化领域其要求数据传输的实时性,视频信号的大数据量的传输等要求。
通过此通道可对PLC进行实时监控,程序的上下载,将彻底的改变现有通讯系统只能进行远程的数据读取,不能对设备进行在线诊断的弊病,将更加有效的提高维护人员的反应速度。专业的维护人员只需要在中控室就能对远程泵站设备进行实时在线维护,减少了维护流程,缩短了维护耗时,降低了设备因故障而产生的经济和安全问题。无人值守泵站远程监控系统,有效降低了运行管理人员的劳动强度,每年节省大量的人力物力。
利用PLC对数据的统计和计算,得出泵站各台电机的耗电量,各泵站的工作情况,及时的给工程师发出维护预报,让工程师能及时的进行预防性保养维护,使泵站始终处于最优工作状态。
系统实现联网监控后,可实现数据共享,方便了领导查询,为枢纽的运行管理与调度决策提供了方便,保证了调度的实时性,促进了管理水平的提高。
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