CN108873842A - 一站式无人值守泵站自动化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一站式无人值守泵站自动化控制系统，该系统包括现场控制层、SCADA监控层、数据存储层和数据应用层，所述SCADA监控层能够实现对现场控制层各个设备数字化高可靠性的操控，包括泵组的启/停操作、变配电系统的自动控制、辅助设备的自动、联动控制和用可视化流程控制图来描述一个顺序控制过程，所述数据应用层能够实现将全站泵组、电气系统、水系统、阀门控制系统及直流系统等实时状态以模拟动画、视频影像和GIS信息高度集成的形式在SCADA画面上显示，利于充分挖掘泵站的节能潜力，使整个泵站运行能耗最少，达到整体最优、经济运行的目的，同时实现了设备的预知维护，使泵站管理更加科学化、现代化和自动化。
Description
技术领域
本发明涉及泵站自动化控制系统，特别是一站式无人值守泵站自动化控制系统。
背景技术
目前钾盐开采以HW型混流泵、HD型立式长轴混流泵混流泵、渣浆泵、吸泵等常规产品的结构、性能进行研究发现，该系列产品故障频繁、运行成品高、劳动强度大、安全隐患多、效率低，系统管理难等综合因素，导致国内钾资源的过度开发，造成资源浪费、综合利用跟不上、生产装置服务年限过短、资产流失等问题。另一方面，目前现场泵阀的维修一般采用定期维修和事后维修的方式进行。事实上，在许多情况下，泵的解体维修是在没有获得任何科学的故障警告下进行的，以至于一些部件并无明显的损伤就被更换，同时也造成系统不必要的维修停机及零部件的浪费；另一方面，无征兆的突发性故障停机往往会造成运行的中断，甚至引发更严重的设备问题。
现有专利号为CN202906978U的实用新型公开了一种盐田远程监测控制系统，该系统主要包括多个远程监测控制子站联接、一个主控站，通过GPRS数据通信网络构成远程监测控制系统。该系统无法进行故障诊断及运行状态的评估。
现有专利号为CN205983163U的实用新型公开了一种大型泵站自动化控制系统，该系统由现场设备层和远程操作管理层组成，设备层的继电保护装置、测控仪表、智能断路器及PLC系统组成多个通信总线汇接到多串口服务器NportServer，然后经以太网送后台监控管理计算机，并在这里进行多协议转换，各继电保护装置、测控仪表及具有测控保护功能的智能开关通过通信网络与后台监控计算机进行信息交换，实现远程监控管理。但该系统不具有泵站运行的自动控制和调节功能。
因此发明一种一站式无人值守泵站自动化控制系统显得非常必要。
发明内容
为解决现有技术中泵站自动化水平低，设备运行安全问题突出，运行管理和技术分析受技术条件限制大等问题。
本发明提供了一种一站式无人值守泵站自动化控制系统，系统包括现场控制层、SCADA监控层、数据存储层和数据应用层。所述现场控制层包括泵站站级自动化控制系统（监控系统），所述监控系统包括每个泵站2台的水池水位监测设备，每个泵站1台的网络高清球型摄像机，每个泵站的机组开关柜的自控控制回路，每个泵站1台的微波无线网络通讯设备和泵站配电柜内的1套PLC监控模块；所述PLC监控模块被接入泵站各机组运行的电压、电流信号和状态开关信号；所述泵站机组开关柜被接入PLC监控模块启停控制信号；所述SCADA监控层包括盐田部中控室SCADA工程师站和操作员站、公司调度中心操作员站和公司管理层访问终端；所述数据存储层包括工业历史数据库服务器和视频监控存储设备；所述数据应用层包括SCADA调度平台、历史数据分析平台、实时数据查询平台、web发布平台、视频实时查看及回放和大屏幕显示系统。
所述现场控制层能够实现泵站的远程启停、液位监控、液位联动控制、流量监控、电量监控、过载报警/保护、历史数据查询、视频图像监控、仪表和阀的启动、停止、运行和检测的自动化监测和控制；所述SCADA监控层能够实现对现场控制层各个设备高可靠性的操控及数据的实时采集与处理、将采集到的信息上传至数据存储层、分析统计数据存储层的历史数据；所述数据存储层接受SCADA监控层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、操作指导及事件记录和分析；所述数据应用层能够实现将全站泵组、电气系统、水系统、阀门控制系统及直流系统等大型复杂系统实时状态以模拟动画、视频影像、GIS信息高度集成的形式在SCADA画面上显示，形成数据模拟与视频影像、GIS系统无缝集成的监控方式以及基于数据存储层的数据分析统计、事故分析和追忆。
所述现场控制层内部通信网络采用模拟量和开关量的信号进行通信；所述现场控制层与SCADA监控层之间通过微波无线网络进行通讯，采用计算机网络将工业现场各PLC监控系统进行汇接，实现监控系统工作站部署到计算机网络的任意节点上；所述SCADA监控层通过微波无线网络将采集的数据上传到数据存储层；所述数据应用层通过微波无线网络调取数据存储层的数据。
所述盐田部中控室SCADA操作员站可以监控所有生产数据以及对所有设备进行启停操作。
所述盐田部中控室SCADA工程师站可以根据中控系统显示的不同的目标函数，如按全站运行效率最高、按全站耗电量最少、按全站运行费用最低和按全站抽水流量最大等方式，依据泵站进、出口水位的变化，通过实时优化计算，调节泵组流量，合理地确定开机台数，并对各泵组进行优化组合，在满足各种约束条件的前提下，充分挖掘泵站的节能潜力，使整个泵站运行能耗最少，达到整体最优、经济运行的目的。
所述公司调度中心操作员站只负责监控各个泵站的生产数据；在出现报警且盐田部中控室SCADA操作员站没有及时处理情况下，可对无人泵站设备做紧急停车处理。
所述公司管理层访问终端仅可浏览通过web发布系统发布的生产数据，无操作权限。
所述一站式无人值守泵站自动化控制系统的控制方式包括泵站本地控制和控制中心远程控制。
所述泵站本地控制是一种后备控制方式，拥有最高优先权，操作人员可以根据工艺情况直接对设备进行启停的操作。
所述远程控制是计算机操作员站监控系统对所有泵站设备控制的模式，能够监测全区信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录调度员发出的设备调节及控制命令信息。盐田部设有操作员站、数据服务器、网络设备及软件组成，负责实时查看管理全区所有泵组数据。可实时查看、输出打印报表。同时可设置远程工作站权限，在办公楼操作员站可实时查看现场泵组数据、视频监控图像，无控制权限。控制中心监控系统以远程调度的方式，能够监测泵站、水池监测点的信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录工作站发出的泵站设备调节及控制命令信息，还可以根据水池的水位以及泵站的运行情况协调控制相关机组的运行和起停等。可以直接对有关设备进行操作，实现远程集中控制。
所述数据采集和处理包括对泵站电量、非电模入量、开入量和脉冲量的采集以及处理硬件和软件滤波、判断数据有效性和合理性、检查越复限及状态、报警登陆和发生事故时，启动事故处理功能（如事故追忆、语音报警、相关画面推出、温度趋势分析判断和保护以及自动停泵等）。
进一步地，所述事故处理功能包括在监视过程中主要操作参数变换及状态变换在LCD显示，当发生过程阻滞时，系统给出阻滞设备报警提示及故障处理指导性画面供运行人员确认，以便中控操作员及时关闭故障设备。
所述泵站运行过程的自动控制和调节包括泵组的启/停操作、变配电系统的自动控制、辅助设备的自动/联动控制和用可视化流程控制图来描述一个顺序控制过程。
所述统计及计算包括各电动机实时电流/电压及累计运行时间、全站日/月/年泵组开停次数及累计运行时间、全站日/月/年抽水量。
所述画面显示采用人机显示软件（HMI）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.SCADA监控层可以依据泵站进、出口水位的变化，通过实时优化计算，调节泵组流量，合理地确定开机台数，并对各泵组进行优化组合，在满足各种约束条件的前提下，充分挖掘泵站的节能潜力，使整个泵站运行能耗最少，达到整体最优、经济运行的目的。
2.SCADA监控层与数据应用层可以对泵站系统实现在线监测诊断、系统分析处理、故障诊断及运行状态评估等功能的开发，实现了设备的预知维护，使泵站管理更加科学化、现代化和自动化。
3.泵站的运行过程可以实现自动控制和调节。
附图说明
图1为一站式无人值守自动化控制系统结构图；
图2为自控系统设备布置图。
图中：1-1-3#机组控制单元；2-4-6#机组控制单元；3-液位控制及阀门进液操控单元；4-值班室本地及远程计算机机组开停控制及状态监控单元；5-前池液位电子水尺；6-后池液位电子水尺。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，该一站式无人值守自动化控制系统包括现场控制层、SCADA监控层、数据存储层和数据应用层。所述现场控制层包括泵站自动化控制系统（监控系统），所述监控系统包括每个泵站2台或多台的水池水位监测设备，每个泵站1台的网络高清球型摄像机，每个泵站的机组开关柜的自控控制回路，每个泵站1台的微波无线网络通讯设备和泵站配电柜内的1套PLC监控模块；所述PLC监控模块被接入泵站各机组运行的电压、电流信号和状态开关信号；所述泵站机组开关柜被接入PLC监控模块启停控制信号；所述SCADA监控层包括盐田部中控室SCADA工程师站和操作员站1、公司调度中心操作员站2和公司管理层访问终端；所述数据存储层包括工业历史数据库服务器1和视频监控存储设备服务器2；所述数据应用层包括SCADA调度平台、历史数据分析平台、实时数据查询平台、web发布平台、视频实时查看及回放和大屏幕显示系统，具体的包括调度中心拼接屏、打印机、无人值守系统和手持终端。
所述现场控制层能够实现泵站的远程启停、液位监控、液位联动控制、流量监控、电量监控、过载报警/保护、历史数据查询、视频图像监控、仪表和阀的启动、停止、运行和检测的自动化监测和控制；所述SCADA监控层能够实现对现场控制层各个设备高可靠性的操控及数据的实时采集与处理、将采集到的信息上传至数据存储层、分析统计数据存储层的历史数据；所述数据存储层接受SCADA监控层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、操作指导及事件记录和分析；所述数据应用层能够实现将全站泵组、电气系统、水系统、阀门控制系统及直流系统等大型复杂系统实时状态以模拟动画、视频影像、GIS信息高度集成的形式在SCADA画面上显示，形成数据模拟与视频影像、GIS系统无缝集成的监控方式以及基于数据存储层的数据分析统计、事故分析和追忆。
所述现场控制层内部通信网络采用模拟量和开关量的信号进行通信；所述现场控制层与SCADA监控层之间通过微波无线网络进行通讯，采用计算机网络将工业现场各PLC监控系统进行汇接，实现监控系统工作站部署到计算机网络的任意节点上。
所述盐田部中控室SCADA操作员站可以监控所有生产数据以及对所有设备进行启停操作。
所述盐田部中控室SCADA工程师站可以根据中控系统显示的不同的目标函数，如按全站运行效率最高、按全站耗电量最少、按全站运行费用最低和按全站抽水流量最大等方式，依据泵站进、出口水位的变化，通过实时优化计算，调节泵组流量，合理地确定开机台数，并对各泵组进行优化组合，在满足各种约束条件的前提下，充分挖掘泵站的节能潜力，使整个泵站运行能耗最少，达到整体最优、经济运行的目的。
所述公司调度中心操作员站只负责监控各个泵站的生产数据；在出现报警且盐田部中控室SCADA操作员站没有及时处理情况下，可对无人泵站设备做紧急停车处理。
所述公司管理层访问终端仅可浏览通过web发布系统发布的生产数据，无操作权限。
所述一站式无人值守泵站自动化控制系统的控制方式包括泵站本地控制和控制中心远程控制。
所述泵站本地控制是一种后备控制方式，拥有最高优先权，操作人员可以根据工艺情况直接对设备进行启停的操作。
所述远程控制是计算机操作员站监控系统对所有泵站设备控制的模式，能够监测全区信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录调度员发出的设备调节及控制命令信息。盐田部设有操作员站、数据服务器、网络设备及软件组成，负责实时查看管理全区所有泵组数据。可实时查看、输出打印报表。同时可设置远程工作站权限，在办公楼操作员站可实时查看现场泵组数据、视频监控图像，无控制权限。控制中心监控系统以远程调度的方式，能够监测泵站、水池监测点的信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录工作站发出的泵站设备调节及控制命令信息，还可以根据水池的水位以及泵站的运行情况协调控制相关机组的运行和起停等。可以直接对有关设备进行操作，实现远程集中控制。
该自动化控制系统配置的SCADA监控系统模块，配置以太网扩展模块、IO点扩展模块等。所述现场控制层中的PLC监控系统包括：
（1）高速计数器：用来记录电频率高达7KHz的脉冲，并可连接两个垂直900的脉冲串计数，使用s7-200可以更容易地定位，或对快速移动物体进行计数；
（2）口令保护：由用户定义的口令，可防止对可编程序控制器及其内存进行非法访问；
（3）EPROM存储卡：为插入式内存卡，用于存储程序且不易丢失，以及无需编程设备进行程序移植复制；
（4）模拟量调节：是一种通过旋转位子盖板里面的微调电位器，来改变两个用户变量的硬件方法，这些变量可以手动改变以实现微调控制；
（5）强制功能：可用于强制控制任何输入和输出点，强制功能可以在RUN或STOP方式下使用；
（6）实时时钟：可由程序指令访问，用于控制日期；
（7）脉冲输出：可选为两个50%负载周期的脉冲串输出控制，或特定的脉宽调制输出控制；
（8）自由接口方式：用户可用梯形图编程来定义通讯口参数，提供与不同智能设备的连接；
（9）特殊标志：在可编程序控制口与程序之间提供状态及控制功能的内部数据位；
（10）符号地址：允许在程序中使用名称作为I/O点的地址。
如图2所示自控系统平面布置图，该系统的工作内容为：
（1）数据采集与处理：完成对1、2水泵机组流量、电流、电压监测、过载保护、3液位控制及阀门进液操控单元、状态监控、5前池液位电子水尺和6后池液位电子水尺各现场控制单元的各种模拟量、开关量的采集。将采集的电气量进行工程值变换和预处理，上送远程控制中心级并在本地屏上显示；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远程控制中心级并在本地显示和报警；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远程控制中心级。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。将各现场控制单元发送的操作和事件数据，生成各种数据库，用于画面更新、控制调节、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场控制单元的过程输入信息。
（2）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，系统给出阻滞设备报警提示及故障处理指导性画面供运行人员确认，以便中控操作员及时关闭故障设备。
（3）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。
（4）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：泵监控制方式的选择、机组的开/停、开关的分/合等。
（5）控制调节：既可接受远程控制中心级指令，又可在本地操作。当本地控制单元上的远程/本地软开关处于“远程”位置时只接受远程控制中心级指令；当开关处于“本地”位置时，只可在本地操作，闭锁远程控制中心级控制指令，但不影响上送信息。
实施例2：
SCADA监控层将采集到的5前池液位电子水尺检测到的水位信息进行越限比较，及时将越限情况送往远程控制中心级并在本地显示。当水位超过警戒线时，自动采集事故发生时刻的有关数据，并按其发生的顺序记录事故的性质、发生的时间，通过微波无线网络上传至数据存储层；盐田部中控室SCADA工程师站和操作员站显示报警信号，操作员远程开启3进液阀门，同时工程师远程关闭4-6#机组，直到报警信号消失后，操作员远程关闭进液阀门，工程师根据现场的实际水位状况决定是否开启4-6#机组；若盐田部中控室SCADA工程师和操作员没有及时处理该情况，公司调度中心操作员站远程开启进液阀门并关闭4-6#机组。SCADA监控层将盐田部中控室SCAD工程师与操作员和公司调度中心操作员的指令全部采集上传至数据存储层。之后公司管理层可以通过调取数据存储层的数据，统计一年中水位超过警戒线的次数与月份，使得今后的工作总结经验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，该系统包括现场控制层、SCADA监控层、数据存储层和数据应用层；
所述现场控制层能够实现泵站的远程启停、液位监控、液位联动控制、流量监控、电量监控、过载报警/保护、历史数据查询、视频图像监控、仪表和阀的启动、停止、运行和检测的自动化监测和控制；
所述SCADA监控层能够实现对现场控制层各个设备高可靠性的操控及数据的实时采集与处理、将采集到的信息通过微波无线网络上传至数据存储层、分析统计数据存储层的历史数据；
所述数据存储层接受SCADA监控层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、操作指导及事件记录和分析；
所述数据应用层通过微波无线网络调取数据存储层的数据能够实现将全站泵组、电气系统、水系统、阀门控制系统及直流系统等大型复杂系统实时状态以模拟动画、视频影像、GIS信息高度集成的形式在SCADA画面上显示，形成数据模拟与视频影像、GIS系统无缝集成的监控方式以及基于数据存储层的数据分析统计、事故分析和追忆；
所述现场控制层内部通信网络采用模拟量和开关量的信号进行通信；
所述现场控制层与SCADA监控层之间通过微波无线网络进行通讯，采用计算机网络将工业现场各PLC监控系统进行汇接，实现监控系统工作站部署到计算机网络的任意节点上。
2.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述现场控制层包括泵站站级自动化控制系统（监控系统）；所述SCADA监控层包括盐田部中控室SCADA工程师站和操作员站、公司调度中心操作员站和公司管理层访问终端；所述数据存储层包括工业历史数据库服务器和视频监控存储设备；所述数据应用层包括SCADA调度平台、历史数据分析平台、实时数据查询平台、web发布平台、视频实时查看及回放和大屏幕显示系统。
3.根据权利要求2所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述监控系统包括每个泵站2台或多台以上的水池水位监测设备，每个泵站1台的网络高清球型摄像机，每个泵站的机组开关柜的自控控制回路，每个泵站1台的微波无线网络通讯设备和泵站配电间内的1套PLC监控模块；所述PLC监控模块被接入泵站各机组运行的电压、电流信号和状态开关信号；所述泵站机组开关柜被接入PLC监控模块启停控制信号。
4.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述盐田部中控室SCADA操作员站可以监控所有生产数据以及对所有设备进行启停操作；所述盐田部中控室SCADA工程师站可以根据中控系统显示的不同的目标函数，依据泵站进、出口水位的变化，通过实时优化计算，调节泵组流量，合理地确定开机台数，并对各泵组进行优化组合。
5.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述公司调度中心操作员站只负责监控各个泵站的生产数据；在出现报警且盐田部中控室SCADA操作员站没有及时处理情况下，可对无人泵站设备做紧急停车处理。
6.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述公司管理层访问终端仅可浏览通过web发布系统发布的生产数据，无操作权限。
7.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，现场控制层的控制方式是一种后备控制方式，拥有最高优先权，操作人员可以根据工艺情况直接对设备进行启停的操作。
8.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述SCADA监控层能够实现对现场控制层各个设备高可靠性的操控包括泵组的启/停操作、变配电系统的自动控制、辅助设备的自动/联动控制和用可视化流程控制图来描述一个顺序控制过程。
9.根据权利要求1所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述SCADA监控层对现场控制层数据实时采集和处理包括对泵站电量、非电模入量、开入量和脉冲量的采集以及处理硬件和软件滤波、判断数据有效性和合理性、检查越复限及状态、报警登陆和发生事故时，启动事故处理功能。
10.根据权利要求9所述的一站式无人值守泵站自动化控制系统，其特征在于，所述事故处理功能包括在监视过程中主要操作参数变换及状态变换在LCD显示，当发生过程阻滞时系统给出阻滞设备报警提示及故障处理指导性画面供运行人员确认，以便中控操作员及时关闭故障设备。
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