6、泵站综合自动化及通讯系统的物联网应用

泵站综合自动化及通讯系统的物联网应用泵站远程自动化监控系统主要由监控调度中心、站级微机操作系统、通信传输平台、泵站现场终端控制设备、计量、测量设备及摄像监控设备组成。泵站是水利枢纽工程的主要设施，为农村引水灌溉起到关键作用。自上世纪90年代开始，随着计算机技术的迅速发展和成熟，泵站自动化技术也获得了一定的进步。本文以大唐电信设计、施工的陕甘宁-盐环定-扬黄供水续建共用工程通信及综合自动化系统控制项目为例，介绍了大唐电信在水利泵站自动化通讯领域的解决方案，该解决方案引入通讯自动化物联网的概念、技术、设备，与大唐电信自主研发的软件系统有机结合，提升泵站自动化系统的管理水平，同时极大的提高了泵站运行效率。1、建设目标盐环定共用工程综合自动化工程是按“少人值班”、“少人值守”，远期实现“无人值班”、“少人值守”的运行方式设计综合自动化系统，调度管理系统在吴忠市盐环定扬水管理处设立调度中心，在共用工程12座泵站设立站级监控系统，以SDH光纤同步数字传输网为传输通道，实现盐环定共用工程一~十二泵站的以微机保护、自动测量、远程控制和远程视频监控为核心的全线综合自动化调度系统。2、案列简介通讯以SDH光纤同步数字传输网为传输通道，实现盐环定共用工程一~十二泵站及调度中心、惠安堡中心所等，各主干网络节点的数据通信，具体业务为：工业控制网络数据传输、视频监控网络数据传输、电话交换网络数据传输、互联网访问数据传输。通讯工程完成调度中心、一至十二泵站间的光纤通信，工程建设目的是实现泵站与调度中心间的电话语音交换及网络数据交换。综合自动化系统采用分层控制系统，由盐环定管理处调度中心远端管理/调度网络节点、各泵站站控级控制/管理网络节点和各泵站内现地控制单元三层结构组成，同时实现对渠系分水口、斗口水量水位的监测。3、实施方案3.1用户需求该共用工程12座泵站为梯级扬水泵站，泵站间均为明渠，无调蓄水池，级间配合要求高，当后级泵站出现故障或事故时，前级泵站如果不迅速作出反应，停泵或采取其他措施，渠道内的水将会外溢造成水毁事故。随着工程供水要求的提高，其规模庞大的泵站群使运行管理变得非常繁杂，管理成本、运行成本日趋高昂。而作为扶贫扬水项目，原系统设计、基础建设的标准都控制在同期相对较低的水准，基本没有考虑综合自动化系统的建设内容。当今计算机控制技术、光通讯技术、计算机网络系统、远程图像传输技术等新的技术取得了长足发展，工程的设计标准、设备制造水平都有很大程度提高，建立一个基于网络数据交换、信息共享、计算机数字控制的的微机保护、安全监视和以开关操作、生产工艺过程控制、数据存储和处理等为基础的先进、可靠、经济、实用的调度自动化系统已完全可行并且势在必行。陕甘宁盐环定扬黄续建工程共用工程通信与综合自动化系统（下文简称“盐环定共用工程通信与综合自动化系统”）是在对工程基础设施完善改造基础上的新建工程，工程综合自动化系统建设主要对象为泵站/变电所工程及各分水闸流量监测工程。3.2实施方案通讯工程传输线路采用ITU-TG.625建议的单模长波无铜线直埋光缆。工程拟建622Mb/s设备9端（盐环管理处中心站、盐环一、二、三、四、五、六、七、八泵站）同时在九至十二泵站及惠安堡管理所新建SDH155M光传输设备。其中，语音部分通过PCM复接技术接入到盐环定管理处调度中心已有的512门程控交换机。网络部分通过SDH光端机汇聚到调度中心核心交换机进行统一交换。依据SDH的多业务端口划分特性，与网络交换机的VLAN技术相结合，能够为盐环定通信系统划分出合理、相互独立的网络资源，便于业务管理、减少不同业务之间的网络带宽竞争。根据共用工程综合自动化系统设计要求，盐环定共用工程综合自动化系统在吴忠市盐环定扬黄管理处设立调度控制中心1座，在惠安堡设立流量监测中心1座，在各泵站设立站级控制中心共12座，在渠系分水口/斗口处设立水量监测点16个。各泵站对自动化测控设备进行改造完善和增设，新建泵站LCU现地控制单元和站级控制系统，视频监控系统，并通过新建SDH光纤通讯网与调度控制中心连通，实现对12座泵站的远程调度、监测和控制。各渠系水位监测点数据通过光纤通讯网传至就近泵站，然后送至调度中心，实现对16处渠系分水口/斗口实现水位监测和水量计算。4、系统特点4.1.主控级功能数据采集：接受各现地控制单元发送的操作和事件数据，存入实时数据库，用于画面更新、控制调节、趋势分析、记录打印、操作指导及事件记录和分析。数据采集可以周期性进行，在所有时间内，可由操作员或应用程序发令采集任何一个现地级控制单元的过程输入信息。数据处理：进行数据编码，校验传输误差及数据传输差错的控制。生成各种数据库，供显示、刷新、打印、检索等使用。对机组等的温度进行趋势分析，对机组流量、泵前池水位、出水管压力进行运行曲线显示。监视：对泵站主要运行参数、事故、故障、状态变换以数字、图形、表格、曲线、信号闪烁及不同频率的语音报警等形式进行动态显示。能对生产过程进行监视，监视过程中的主要操作参数变换及状态变换，并在LCD显示。当发生过程阻滞时，给出阻滞原因及事故处理指导性画面供运行人员确认，将机组等设备转移到安全运行状况或停机。控制：运行人员通过键盘、鼠标对被控对象进行调节和控制。控制的主要内容包括：泵站控制方式的选择、机组的开/停、变压器的投/退、开关的分/合、出水蝶阀的启/闭、励磁电压/电流的增/减、公用设备的操作、各种整定值和限值的设定等。经济运行：根据操作员或管理处主管部门给定的抽水总流量，自动计算出当前水位下泵站的最优泵组组合。在满足给定总流量的条件下电动机用电量最低，避免频繁启停和频繁调整的操作，按泵站进出水池的最佳流态选择运行水泵。记录与打印：所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表都可记录下来，并送存储设备作为历史数据，能在打印机实现定时或召唤打印。运行管理：根据运行工况计算全站消耗总功率、累计电量、抽水量、每台泵抽水效率、累计机组开/停次数、累计开机运行时数、停机时数、累计变压器、断路器、电动机、主水泵等主设备运行时间、动作次数、检修次数，统计各类主设备所发生的事故和故障次数及正常切除次数，能提出运行操作指导和事故处理指导、根据主设备状态和控制要求显示运行操作和调整的指导性画面，供运行人员确认执行；在泵站主设备出现异常和事故时，提出对策和事故处理的指导性意见供运行人员确认执行或仅供参考。系统诊断：可对系统的硬件设备进行在线和离线诊断，故障点的诊断到模板级。可对软件进行在线诊断，诊断出故障软件功能块并发报警信号。仿真操作：通过人机接口设备手动下达操作命令，系统自动推出相应的实时监视画面及提示，人工选择模拟操作对象，系统自动进行操作联锁条件判断，若条件满足，则给出允许操作提示，若条件不满足，则给出不允许操作提示，并指出原因；仿真运行以当前运行状态为初始状态，模拟操作只改变模拟系统状态，不改变当前实时系统状态，即不具备控制功能。可作为仿真培训或运行指导之用。模拟操作包括：开停机模拟操作；断路器操作。软件开发：泵站软件编辑人员可以在线或离线进行应用软件、显示画面、报表库等的编辑、调试、装入、卸除和修改。在线进行上述工作的同时能保证计算机监控系统功能的正常实施。具有操作票及五防系统功能。具有自恢复功能：系统安装清盘软件，每次启动时清楚与自动化系统无关的其他软件，确保系统安全运行。4.2现地级测控单元(LCU)功能数据采集与处理：完成对监控对象各种模拟量、开关量的采集。将采集的电气量进行工程值变换和预处理，上送主控级并在现地屏上显示，将采集的电气量、温度量等非电量进行越限比较，及时将越限情况送往主控级并在现地显示和报警。将采集的过程状态量、电气保护报警量、机械保护报警量随时上送主控级，并在现地上显示和报警；事故和故障情况下能自动采集事故或故障发生时刻的有关数据，并按其发生的顺序记录事故和故障的性质、发生的时间等。显示监视：可显示泵站电气量、非电气量及被控设备的状态，能对机组、主变启动/投运前条件以及各种运行的情况进行显示监视。现地控制单元还留有与便携式计算机相连的插接口，通过连接，可在便携式计算机上显示设备运行状态和参数、单元控制器状态等。控制调节：即可接受主控级指令，又可在现地操作，当现地控制单元上的远方/现地软开关处于“远方”位置时只接受主控级指令，当开关处于“现地”位置时，只可在现地操作，闭锁主控级控制指令，但不影响上送信息。通信控制：能完成与主控级和现场设备的通信。5、性能评估5.1安全性、容错性①系统结构安全措施全部监控系统需做到：局部的故障不能影响系统的整体可靠运行；上一层的故障不能影响下一层的控制、调节和安全操作。如调度层及传输网络故障，不能影响站级层功能；站级主控层故障，不能影响现地控制层的独立操作功能。当自动化系统不具备正常的控制和调节功能时，应保持主设备原有运行状态或转入安全状态，如：停泵。应设有简单可靠的硬布线紧急停机回路，独立于监控系统之外，用于事故紧急状况下现地手动停泵。对于重要的控制命令和各事故信号、运行安全信号，应加设硬布线回路，实现重要数据双通道连接。关键设备采用冗余技术。②操作安全措施设备的操作应设置完善的软件闭锁条件，对各种操作进行校核，即使有错误的操作，应保证不引起被控主设备的损坏。当设备检修时，应可进行软件设定。必要时，数据库的数据可手动修复。对操作员的每次/每步操作，应设检查、提醒和应答确认，能自动禁止误操作并报警。各控制层的控制权闭锁，保证控制的优先权顺序和同一时刻只允许一个操作层操作。人机界面设置不同用户组，对操作人员的身份和控制权有自动鉴别功能，对于操作人员、维护工程师、领导及其他访问者应设不同的操作权限。③其它安全措施监控系统应具有电源故障保护和自动重新启动、自恢复功能。对于供电电源和各种输入、输出信息应采用抗过压和电磁干扰、隔离措施。系统应具有自检能力，自动完成设备或通道故障检测，并进行故障切除、设备切换处理和报警。对于冗余设备，主、备切换应是自动和无扰动的。软件系统具有完善的防错纠错功能以及防病毒功能。本工程计算机监控系统应与外界或公用互联网进行物理隔离。5.2其他①绝缘性能、抗电磁干扰性能、机械性能满足DL/T578-95《水电站计算机监控系统基本技术条件》的有关规定。②本系统的设备所引起的噪声小于60分贝。6、用户评价经过一段时间的使用，业主认为，该系统设计起点高、结构合理、设计先进，在使用期间适应能力强、性能稳定、技术和可靠性都达到了国际先进水平。系统达到了高可靠性、高性能、技术成熟的全计算机远程监控系统，具备远程维护、全网络化信息交换的现代控制水平。实现了“少人值守”“少人值班”的控制及设计要求及现地自动化运行控制及远方调度中心遥控、遥信、遥测、遥视功能。为泵站的运行维护创作了良好的经济及管理效益。7、实施经验在工程实施的过程中，得到了许多宝贵的经验和教训，目前为止，陕甘宁盐环定扬黄续续建共用通信及综合自动化系统控制工程已经满足了水利泵站管理系统的要求，但是有些方面还需要进一步的去改进，我们会不断地根据用户的需求以及行业系统的发展在不断的创新与改进。在泵站的实际运行中，泵站自动化控制流程设计正确与否，实际上是由流程图决定的，所以确定流程图时需要征求有关专业方面的意见，对流程进行必要的补充和修正，使其真正与泵站的实际操作情况相符，从而保证泵站机组的安全运行，泵站自动化典型设计与泵站自动化改造是利用现代科学技术武装泵站大幅度提高泵站现代化管理水平的重要举措。如何将泵站自动化工作做好，真正发挥现代科学技术的作用是我们今后不断完善的目标。8、结束语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。泵站自动化系统面临着采用现代信息化技术来进一步提升设施的要求。实现泵站自动化监控和集中调度管理，实时采集各种水情、工情数据是信息化建设的基础工作。大唐电信作为通信领域标准研究及创新应用的领导者，将凭借在物联网技术及自动控制应用等领域的雄厚实力，全面助推国家水利系统在互联网、物联网、三网融合等战略性新兴产业领域的创新应用，为水利事业的发展贡献出应有的力量。