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1、上海交通大学硕士学位论文基于IP城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用姓名：李翊君申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：田作华;赵国志20090601基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 I 页 上海交通大学工程硕士学位论文 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 摘上海交通大学工程硕士学位论文 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 摘 要要 城市污水管网泵站负责将城市污水收集输送至污水处理厂进行集中处理，对城市水环境保护起到了重要作用。针对我国城市污水管网泵站分布广，数量多，管理难度大等特点
2、，目前普遍存在自动化水平不高，大多采用电话调度，人工值班的管理模式，管理人员队伍庞大等问题。为了提高管理效率，节约管理成本，迫切需要建立一套高可靠、低成本的远程监控系统，对污水管网泵站进行集中管理。论文以上海市奉贤区污水泵站远程监控系统工程为背景，对污水管网泵站远程监控系统进行了深入的研究和探讨。主要完成了以下工作：1、根据系统特点以及工程实际提出了系统设计的总体原则，并对系统功能需求做了深入的分析和研究，在此基础上提出了系统的总体设计方案。整个监控系统由泵站现场自动控制系统、远程数据传输系统、远程视频系统和中央监控系统四部分组成。2、以具体泵站为实例，介绍了泵站的工艺流程，分析了泵站现场自动
3、控制系统的功能要求及其特点，设计了基于 Modbus 现场总线控制系统结构，并详细说明了硬件选型、配置以及软件实现方法。3、通过对常用远程数据传输方式的综合比较，以及 IP 城域网MPLS-VPN 网路的原理及特点的研究,结合本工程对远程数据传输的要求，设计采用 MPLS-VPN 网络做为本工程远程数据传输方式，并设计了具体硬基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 II 页 件配置方案，IP 地址规划以及访问策略，说明了关键路由器的配置实现方法。4、根据监控中心远程监控系统的功能需要，提出了基于客户端/服务器（C/S）体系结构的系统设计方案，
4、并给出了具体软硬件系统的选型与配置以及软件二次开发的要求。5、根据系统视频监视功能的要求，提出了视频远程监视系统的设计方案。通过对泵站远程监控系统的分析和研究，在奉贤区排水管理中心成功实现了基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统，对中心下辖 31座污水管网泵站进行远程监控管理，经过几个月来的试运行，系统运行稳定可靠，实现了对泵站的远程集中管理、实时调度控制，取得了较为理想的效果。关键词：关键词：污水泵站，远程监控，IP-MAN，MPLS，SCADA 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 III 页 Design and Applica
5、tion of The Sewage Pumping Station Remote Monitor&Control System Based on IP-MAN ABSTRACT The responsibilities of the sewage pumping stations in cities are collecting and transporting the sewage to the waste water treatment plant,and they have played important roles for protecting the water environm
6、ent of cities.As the sewage pumping stations dispersedly distributed and have a large quantity.They are difficult to be managed.At present,they adopt the management of manual work on duty and telephone scheduling in domestic mostly,so the automation level is low and the manager team is huge.In order
7、 to improve management efficiency,save management cost,it is emergent to utilize the advanced information technology to set up a remote monitor system for sewage pumping stations to remote centralized monitor and manage.This paper is based on the background of the sewage pumping stations remote moni
8、tor system project of Fengxian area in Shanghai,deeply investigates and discusses this system.It mainly completes these works:1、Base on the characteristics of system and the practice of project,This paper gives the design principle,deeply analyses and research the function of system,and put forward
9、the design scheme.The whole system is composed of 4 parts:Automation system of sewage pumping station,Remote data transmission system,Monitor central system,Video remote monitor system.2、Taking the sewage pumping station a example as an example,This paper introduces the craftwork flow,analyses the f
10、unction demands and characteristics of locate automation system,designs the automation system of the sewage pumping station using field bus,and explains the hardware selection and configuration and software reality method in detail.基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 IV 页 3、By comprehensiv
11、e comparison of usual remote data transmission,and research of the IP MAN MPLS-VAN net scheme and characteristic,base on the demands of remote data transmission of this project,this paper decides to use MPLS-VPN net as the data transmission method for this project,and proposed design hardware config
12、uration scheme,IP address planning and accessing strategy.4、Base on the function demands of monitor system,this paper gives the design scheme of C/S system structural,and puts forward the selection and configuration of hardware and software system and software secondary development demand.5、Based on
13、 the function demands of video monitor system,this paper gives the design scheme of video remote monitor system.According to the analysis and research of the sewage pumping stations remote monitor system,the system has been successfully realized in Fengxian area drainage management centre based on I
14、P MAN.This system can remotely manage the subordinate 31 sewage pumping stations,and it has been accepted and checked by the relative department.The practice make clear that it achieves the design demands,the on-line automation and remote data transportation of sewage pumping stations are stable and
15、 reliable,and it acquires the perfect effect of remote centralized management and real time and scheduling control.Keywords:Sewage Pumping station、Remote Monitor&Control System、IP-MAN、MPLS、SCADA 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经
16、发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：李翊君 日期：年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内
17、打“”）学位论文作者签名；李翊君 指导教师签名：田作华 日期：年 月 日 日期：年 月 日 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的来源与意义课题的来源与意义 1.1.1 来源来源 本课题“基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用”来源于上海市政工程设计研究总院工程设计项目“上海市奉贤区东西部污水系统远程监控系统工程”。随着经济发展和生活水平的提高，人们对城镇生态环境保护越来越重视，也不断加大在污染治理方面的投资。通过近几年来的大力建设，奉贤区已先后建成了东、西部配套污水主管网系统
18、，形成了由 31 座管网泵站组成的污水收集系统，对本地区的水环境改善、地区经济发展和建设生态城区起到了重要作用1。奉贤区污水管网系统的 31 个泵站点多面广，分布的地理位置非常分散，管理起来极为不便，为了实时获取泵站运行信息，加强对整个污水收集处理系统的集中管理，建立现代化的企业管理制度，需要利用先进的信息技术，建立一套远程监控系统，实现对整个污水收集处理系统的远程监控集中管理2。受奉贤区排水运行管理中心的委托，由上海市政工程设计研究总院承担上海市奉贤区东西部污水系统远程监控系统工程的工程设计。1.1.2 城市污水管网泵站远程监控系统的意义城市污水管网泵站远程监控系统的意义 污水管网泵站主要负
19、责收集城市居民的生活污水，将污水提升送往各个城市集中污水处理厂进行进一步的净化处理，对水环境保护以及节能减排起到了重要作用。然而，整个污水收集系统中管网系统地理分布广泛，管网中泵站众多，分布的地理位置非常分散3，目前国内生产运行主要采用现场人员值守，管理起来极为不便，且人力资源成本高。近年来建设的泵站,大多数实现了就地现场自动控制，但采用的技术和设备参差不齐，效率、效果也不尽相同,且绝大部分泵站仅为泵站现场自动控制，信息不能上传4，现场仍需人员值班巡检，调度指令仍需操作人员在现场执行。通过建立城市污水管网泵站远程监控系统,实现泵站生产运行的远程监控,不仅可以实现复杂的泵站工艺流程的安全运转，减
20、少人为因素带来的可能事故和隐患，减轻劳动强度，提高工作效率和效益。而且可以方便泵站监控中心和主管职能部门及时地了解掌基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 页 握泵站的生产和运行情况，采取科学的生产管理办法进行生产调度，实现节能增效5。1.2 课题的研究的内容和目标课题的研究的内容和目标 1.2.1 研究内容研究内容 本课题的的研究内容是首先确定泵站远程监控系统的设计原则以及功能需求，根据原则及需求进行总体设计方案研究，确定总体设计方案。在确立总体设计方案的基础上，对相关子系统进行分别研究，确定设计方案给出具体实现方法。1.2.2 目标目
21、标 本课题的研究目标旨在利用先进的信息技术，为奉贤区污水管网泵站设计一套泵站远程监控系统，实现对污水管网泵站的远程集中管理、实时调度控制，1.3 论文的结构安排论文的结构安排 在第一章，介绍课题的来源以及意义，研究的主要内容和目标。在第二章，根据系统特点以及工程实际提出了系统设计原则，并对系统功能需求做了深入的分析和研究，在此基础上提出了系统的总体设计方案，并进行了简单介绍。在第三章，以具体泵站为实例，介绍了泵站的工艺流程，分析了泵站现场自动控制系统的功能要求及特点，设计了采用现场总线控制系统结构的泵站现场自动控制系统，并详细说明了硬件选型及配置以及软件实现方法。在第四章，通过对常用远程数据传
22、输方式的综合比较，以及 IP 城域网 MPLS-VPN网路的原理及特点的研究,根据本工程对远程数据传输的要求，设计采用 MPLS-VPN 网络做为本工程远程数据传输方式，并给出了具体硬件配置方案，IP 地址规划以及访问策略，说明了关键路由器的配置实现方法。在第五章，根据监控中心远程监控系统的功能需要，提出了基于客户端/服务器（C/S）体系结构的系统设计方案，并给出了具体软硬件系统的选型与配置以及软件二次开发的要求。在第六章，根据系统视频监视功能的要求，提出了视频远程监视系统的设计方案。最后，在第七章总结与展望中，对本课题的工作进行了总结，并对未来研究目标和技术发展作了展望。基于 IP 城域网的
23、污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 页 1.4 本章小结本章小结 本章介绍了课题的来源和研究的意义，研究的主要目标以及研究内容。介绍了论文的结构安排。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 4 页 第二章第二章 污水管网泵站远程监控系统设计需求与总体设计方案污水管网泵站远程监控系统设计需求与总体设计方案 2.1 工程概况工程概况 上海市奉贤排水中心下辖东西部污水管网主泵站 31 座。地理分布遍布整个奉贤区，十分分散，个别泵站距排水管理中心约 40 公里，约 1 小时车程。各泵站主要工艺设备配置情况如表
24、2-1 所列：表 2-1 各泵站主要工艺设备表 序号 泵站名称 水泵台数 格栅除污机台数01 泰日泵站 3 台 1 台 02 航塘北泵站 4 台 2 台 03 齐贤泵站 3 台 1 台 04 齐四泵站 4 台 2 台 05 杨高路泵站 4 台 2 台 06 A3 东部泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 07 头桥泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 08 瓦洪泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 09 四团泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 10 青村西泵站 3 台 1 台 11 青村泵站 3 台 1 台 12 奉城泵站 4 台 2 台 13 东门港泵站 3 台 1
25、 台 14 钱桥泵站 3 台 1 台 15 沿钱泵站 4 台 2 台 16 航塘南泵站 4 台 2 台 17 奉新泵站 4 台 2 台 18 同心港泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 5 页 19 洪庙泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 20 平安泵站 目前 3 台、远期增加 3 台2 台 21 星火 4泵站 3 台 2 台 22 五四泵站 目前 3 台、远期增加 3 台4 台 23 庄胡南泵站 6 台 2 台 24 庄胡北泵站 目前 3 台、远期增加 1 台2 台 25 胡桥泵站 6
26、台 2 台 26 西部进厂泵站 6 台 2 台 27 南排 1泵站 4 台 2 台 28 南排 2泵站 4 台 2 台 29 南排 3泵站 5 台 2 台 30 南排 4泵站 5 台 2 台 31 南排 5泵站 5 台 2 台 目前各泵站现场配备值班人员 34 人，泵站设备启停控制及日常巡检维护均由值班人员人工控制；奉贤排水管理中心对各泵站的运行调度采用人工上报、电话调度、现场值班人员根据调度指令操作设备的方式。调度管理模式落后，人力资源成本高。为了提高管理效率，节约人力资源成本，奉贤排水管理中心需建立一套污水泵站远程监控系统，通过现代化的数字技术，在排水管理中心高效、准确的实现对所辖泵站的集
27、中监控和管理调度。2.2 系统设计原则系统设计原则1 4 6 7(1)实用性和经济性 系统设计应面向应用、注重实效，坚持经济实用的原则。(2)先进性和成熟性 系统设计既要采用先进的技术和方法，又要注意系统结构以及设备的相对成熟。不仅体现先进水平，保证在未来若干年内不淘汰，而且采用相对成熟的技术及产品，确保系统的可行性及可靠性。(3)开放性和标准性 为了满足系统所选用的各种设备的兼容性以及系统功能不断扩展的需求，系统设计与选型应采用通用化、标准化的产品，注重系统的开放性和标准性。(4)可靠性和稳定性 基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 6
28、页 考虑技术先进和开放的同时，还应从系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面入手，确保系统运行的可靠性和稳定性。(5)可扩展性和易维护性 为了适应管网系统不断变化的要求，系统设计应便于日后扩展，且体系结构清晰，易于日常维护管理。2.3 污水管网泵站功能简介污水管网泵站功能简介 随着城市人口增加、城区面积不断扩大和经济建设的迅猛发展，人类活动所产生的污水均需处理后排入江河湖海，否则将会对水环境造成巨大污染。城市污水处理系统一般由污水收集管网、管网泵站以及城市污水处理厂共同组成。污水管网负责将污水通过纳污管线进行收集集中至管网泵站，管网泵站负责将污水逐级提升输送至污水处
29、理厂进行处理，污水处理厂负责最终的污水处理以及达标排放。因此污水管网泵站的主要功能是将污水提升输送至上级污水管网中，最终输送至城市污水处理厂8。泵站内主要设备包括进水闸门、格栅除污机、提升水泵以及泵站高低压变配电设备。2.4 污水管网泵站远程监控系统主要功能要求污水管网泵站远程监控系统主要功能要求4 7 8 根据泵站工艺运行以及调度管理的要求，本污水管网泵站远程监控系统的主要功能要求有以下几点：2.4.1 泵站就地自动控制及数据采集功能泵站就地自动控制及数据采集功能 为了实现泵站日常运行的自动化，减少日常运行的人工干预，实现泵站的少人化或者无人化职守，需在各泵站建立各自独立的泵站现场自动控制系
30、统，泵站现场自动控制系统无需监控中心就可独立完成泵站现场所有设备的自动控制，可以在与监控中心通信中断的情况下保证各泵站正常生产。泵站现场自动控制系统主要实现：?泵站主要工艺参数的测量及采集：对泵站主要工艺设备、电气及附属设备的工艺参数进行实时测量及采集。?设备现场自动控制：根据泵房实时测量的工艺参数以及运行设定参数，遵照预先设定好的自动程序对泵站内各设备进行自动启停控制。?开放、通用、可靠的数据接口：自动控制系统应有便于实现的、开放、通用、可靠的数据接口，能够将泵站实时工艺参数可靠的实时上传至监控中心，并接受监控中心调度指令。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大
31、学工程硕士学位论文 第 7 页 2.4.2 远程数据传输功能远程数据传输功能 为了实现污水管网泵站远程监控系统的集中管理调度，需选择合适的远程数据传输系统，实现泵站现场与监控中心之间可靠的实时数据传输。2.4.3 中央监控及管理调度功能中央监控及管理调度功能 传统泵站管理模式中，泵站安排值班人员 34 人，工作人员每天对泵站内的设备情况以及泵房水位进行巡检，然后通过电话与调度人员互相联系，根据调度人员的指令手动启停泵房设备。泵站远程监控系统通过现代化的计算机技术进行实时数据采集，可以实现在监控中心快速、准确、有效的监控调度污水管网中所有泵站，实现集中高效的管理，主要功能要求如下：?实时数据采集
32、（遥测、遥信）远程监控系统通过数据远程传输系统实时对下位各泵站主要运行参数及设备状况进行采集、存储和管理。?实时显示运行画面 根据实时数据信息，通过直观的图形化界面显示污水管网各泵站生产情况，显示泵站生产模拟画面，绘制重要参数变化趋势图，便于监控中心调度人员监控调度各泵站运行。?设备远程控制（遥控）监控中心调度人员可根据权限远程控制各泵站主要设备启停，调度泵站设备运行状态。?运行参数远程设定（遥调）监控中心调度人员可根据权限远程调节各泵站运行控制参数，调节泵站运行状态。?事故报警功能 当各泵站生产过程中出现主要运行参数超标或设备故障等事件时，系统能根据要求触发报警程序，按照预案处理报警事件，并
33、及时显示报警信息，提醒调度人员处理报警信息，并形成记录文件，自动存储报警数据。?历史数据存储、管理及查询功能 系统需建立完善的历史数据库，记录各泵站运行参数以及设备运行情况，方便查询和分析，为优化生产、提高管理水平提供分析数据。?生产报表自动生成功能 可根据历史数据自动生成各主要监控参数的日报表、月报表以及统计报表，基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 8 页 2.4.4 实时视频监视功能实时视频监视功能 通过远程视频监视系统对各泵站现场情况进行视频监视，可为监控中心调度管理提供直观的图像信息，可以更好的丰富和完善系统远程监控功能。2.4.
34、5 监控信息多画面实时显示功能监控信息多画面实时显示功能 为了方便监控中心调度人员可以同时观察多个泵站以及多种监控画面如监控画面、视频监控画面、报警画面等，需要通过大屏幕显示及信号处理技术实现对多种显示信号的大屏幕混合显示。2.5 污水管网泵站远程监控系统总体设计方案污水管网泵站远程监控系统总体设计方案9 根据前面的介绍及分析，整个远程监控系统采用分散控制、集中管理的集散型控制系统体系。整个远程监控系统由泵站现场自动控制系统、远程数据传输系统、远程视频系统和中央监控系统四部分组成。整体拓扑结构如图 2-1 所示。其中泵站现场自动控制系统负责泵站就地自动控制以及数据采集。监控中心中央监控系统负责
35、对各个泵站运行数据进行实时的采集，并集中监控、管理以及调度。远程数据传输系统则是泵站实时数据以及泵站实时视频画面数据传送至监控中心的数据通道。另外，视频远程监视系统负责对泵站现场工作状况进行实时视频监视。泵站现场自动控制系统为现场控制层，以工业 PLC 为控制核心，泵站现场设置现场监控计算机，负责采集 PLC 上的实时数据进行现场存储管理并与监控中心进行实时数据交换，并作为现场人机界面，显示该泵站的运行状态。中央监控系统为中央监控层，位于排水运行管理中心，配备两台工控机作 SCADA服务器，安装二套 King IO Server 软件，互为冗余系统，通过数据传输系统采用 TCP/IP协议与现场
36、各泵站监控计算机或者现场 PLC 的实时数据进行交换，采集泵站现场实时数据。另外监控中心配备两台监控计算机，并安装该 Kingview 6.53 组态软件软件两套，作为监控中心监控终端，在监控中心实现整个系统的实时监控，数据汇总，打印等功能。中央监控层平常不参与泵站的自动控制，只在远程监视各泵站工作情况，统计分析各站点设备、工艺参数数据；在需要的情况下，可通过远程数据传输系统对下层泵站设备进行直接远程控制调度。而在通讯发生故障时，现场控制层，不需要依赖中央监控层，能独立地完成泵站就地控制功能。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 9 页 图
37、 2-1 系统总体结构图 Fig.2-1 The general structure of system 在后续的章节中，我们将对系统中每一个部分的具体设计和实现做较为详细的讨论描述。2.6 本章小结本章小结 本章首先介绍了本工程的概况以及系统设计的原则，并对污水管网泵站的功能进行了简介，根据污水管网泵站功能论述了污水管网泵站远程监控系统的主要功能要求。在此基础上，提出了系统总体设计方案，并对总体设计方案及构架做了简要的说明。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 10 页 第三章第三章 泵站现场自动控制系统的设计与实现泵站现场自动控制系统的
38、设计与实现 本工程共有泵站 31 座，每座泵站工艺设备配置、自控控制要求以及特点基本相同，本章将以工程中西部进厂泵站为例，介绍泵站工艺流程并分析泵站现场自控系统的设计与实现。3.1 污水管网泵站工艺简介污水管网泵站工艺简介 西部进厂泵站目前配置立式污水泵 6 台，泵房前设置格栅除污机 2 台，主要工艺设备配置如下表1：表 3-1 西部进厂泵站工艺设备表 序号 名 称 规 格 单位 数 量 备 注 1 电动铸铁闸门 14001400mm,P=1.5kw 套 2 2 格栅除污机 B=1400mm，b=20mm，P=2.2kw套 2 3 螺旋输送压榨机 P=2.2kw 套 1 4 立式污水泵 Q=4
39、75L/s，H=9m，P=75kw 台 6 其中1台备用5 电动闸阀 DN700mm,L=660mm,P=0.55kw套 6 6 高低压变配电设备 套 1 污水管网泵站工艺过程简单，主要工艺流程为污水经进水闸门进入泵站，通过集水井前的格栅除污机，去除较大固体垃圾后进入泵房集水井，再经立式污水泵提升至出水管道，将污水输送至下级管网中。西部进厂泵站工艺流程图如图 3-1 所示，泵站内主要设备包括电动铸铁闸门、格栅除污机、螺旋输送压榨机、立式污水泵、电动闸阀以及泵站高低压变配电设备。进水闸门主要用于泵房日常检修维护时切断整个泵站来水。格栅除污机主要用链条带动齿耙在栅条上回转移动，清除被格栅过滤的漂浮
40、物，防止杂物流入泵房集水井而进入被水泵吸入，损坏水泵8。螺旋输送压榨机负责将格栅过滤的污物压榨脱水后输送至垃圾制定地点。立式污水泵为泵站主要工艺设备，负责污水提升输送。电动闸阀位于立式污水泵前，用于单台水泵检修时切断水泵进水。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 11 页 高低压变配电设备主要负责为泵站提供生产电力供应。图 3-1泵站工艺流程图 Fig.3-1 Process of Sewage Pumping station 3.2 主要自动控制要求主要自动控制要求 3.2.1 污水泵的自动控制污水泵的自动控制 1、1、污水泵电动机保护控
41、制 污水泵电动机保护控制 应根据水泵驱动电机工作电流、工作电压，实现对驱动电机的过载、堵转、相序、缺相不平衡、欠压、过压保护功能，防止驱动电动机故障损坏。2、2、污水泵联锁保护控制 污水泵联锁保护控制 除污水泵电动机保护控制外，水泵的运行尚需在相关工艺条件允许的情况下，因此应将污水泵运行控制与相关工艺条件之间进行联锁，防止误操作而造成设备损坏。主要联锁保护控制如下：基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 12 页?当泵房液位低于超低液位下限时，停止所有污水泵并禁止污水泵启动。防止水泵干运行造成水泵气蚀。?当水泵前检修闸阀关闭时，停止与该闸阀对
42、应的污水泵并禁止该污水泵启动。?为了防止水泵机组发生启停振荡，单水泵连续两次启动之间的时间间隔不应小于设定时间值。?为了防止多台水泵同时启动对供电网络造成冲击，任意两台水泵启动之间的时间间隔不应小于设定时间值。3、3、污水泵根据液位自动启停控制 污水泵根据液位自动启停控制 污水泵根据泵房集水井内的液位，自动确定开启水泵台数，水位高时多开水泵，水位低时少开或者不开泵，西部进厂泵站 5 台水泵根据水位启停的控制要求如表 3-2：表 3-2 水泵启停控制液位表 集水井水位 启动水泵程序-1.20 及以上 增加到 5 台水泵-1.70 增加或减少到 4 台水泵-2.20 增加或减少到 3 台水泵 2.
43、70 增加或减少到 2 台水泵-3.20 增加或减少到 1 台水泵-3.700 及以下 关闭所有水泵 4、4、污水泵自动轮换控制 污水泵自动轮换控制 为提高泵站可靠性，泵站设有备用泵 1 台，以便在其他水泵发生故障后投入运行，但是如果固定一台水泵作为备用泵，长期不投入使用，其发生锈蚀故障的可能性将大大增加，因此应在自动控制模式下对所有水泵实现自动轮换控制，遵循先开先停，轮回启动以及故障自动补位的原则对水泵进行自动开停8。即累计运行时间最长的水泵优先考虑停止，累计运行时间最短的水泵优先考虑开泵，当某台水泵故障时自动切换备用水泵投入运行。以便在运行一段时间后，泵坑中所有水泵都有相近的累计运行时间，
44、极大地保证泵站地可靠运行。3.2.2 格栅的自动控制格栅的自动控制 格栅除污机采用定时控制，即格栅除污机根据时间间隔参数自动定时启动，运行固定时间间隔后停止。3.2.3 主要运行参数的测量及采集主要运行参数的测量及采集 泵站自控系统需实时采集泵站主要运行参数，根据实时运行参数数进行设备自动控基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 13 页 制、触发报警事件，并对实时运行参数进行上传及存储管理。泵站内需采集与测量的主要工艺参数如下：?污水泵运行电流、电压、功率、功率因数等主要电力参数，用于水泵电机保护控制运行状况分析，为管理维护运行调度提供分析
45、数据。?闸门、格栅、提升泵的设备工作状态，主要包括:手/自动状态、运行/停止状态、故障状态，闸门开闭状态。主要用于污水泵联锁保护控制、设备控制、维护以及故障报警。?泵站集水井液位值。主要用于控制水泵启停，并触发高低液位报警。?每台污水泵的瞬时以及累计流量测量。?泵房底层硫化氢气体浓度，用于泵站有害气体浓度报警。?泵站电力设备运行状态及供电电源电流、电压、功率因数等主要电力参数。用于泵站管理维护，运行状况分析，为运行调度分析提供数据。3.3 控制特点分析控制特点分析 根据上述自动控制要求，可以看出泵站自动控制要求具有以下特点：?电动机保护为通用性保护 污水泵驱动电机采用标准电动机，因此针对电动机
46、的过载、堵转、相序、缺相不平衡、欠压等保护均为电动机通用性保护。?以逻辑控制为主 从污水泵联锁控制、液位自动启停控制以及格栅自动控制来看，污水泵的启停是根据液位及联锁状态判断决定，而且水泵电机的控制不采用调速方式，而采用定速方式运行，因此泵站自动控制系统的是以逻辑性控制为主。?模拟量输入参数少，且多位电力测量参数，开关量输入参数多 除集水泵房液位，各水泵的瞬时以及累计流量测量以及泵站有害气体浓度测量外，其他模拟量均为水泵以及高低压配电设备的运行电流、电压等电力参数，其他均为设备状态等开关量输入参数。3.4 现场总线控制系统简介现场总线控制系统简介10 3.4.1 现场总线的概念现场总线的概念
47、现场总线技术是一种数字式通信系统，它把位于现场级的智能设备或仪表与位于车间级的自动化系统或控制设备连接在一起，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 14 页 现场总线技术在每个现场设备内部安装有低成本的微处理器，使之成为“智能”设备。每个现场设备都具有一定的现场监控功能，如诊断，报警，现场切断和维护功能。3.4.2 现场总线的特点现场总线的特点?系统结构和控制功能的分散：现场总线把系统管理功能集中在一两个主站设备中，把系统的控制与监视功能分散到各个连接的从站设备。系统中的从站设备安装于设备现场，现场设备
48、的信号处理是本地的，不需要长距离的信号线。?数字化：现场总线采用数字通信方式取代设备的 4-20mA 模拟信号，以提高通信的传输能力和通信的可靠性。?双向传输：现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。?实时：现场总线技术为了满足高实时性的要求，采用周期性轮询技术传输 100ms级别控制要求的数据，一般为主从设备之间的 IO 数据。采用非周期数据的传输方式或点对点的传输方式，满足通信主从或从从设备之间的事件触发要求或紧急事件下的 10ms 级别控制要求数据传输。现场总线技术可以满足运动控制领域的同步实时性要求。?开放：现场总线技术具有多种协议和标准。在一个协议下
49、，系统中的设备具有互可操作性和互可替代性。?工作可靠：现场总线技术考虑到了在不同工业环境下的要求，现场总线技术具有较强的抗扰能力。3.4.3 现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构 现场总线控制系统的核心结构是一种串行通信系统，系统中的设备由一根可通信数字数据或电源的导线连接。具体的连接方式如图 3-2 示。在图中，现场级中的主控制器PLC 称为主站，下方的各种现场设备称为从站，标注现场总线的红色导线为总线通信电缆。现场总线被称为底层实时控制网络，因为它一般负责现场级的工作，即它的地位一般位于体系结构的底层。在现场级，现场总线主要负责现场设备的状态监测和底层功能控制，实时采集、记录和统计
50、各种数据，并通过现场总线网络，把数据传给上层管理层网络。基于 IP 城域网的污水管网泵站远程监控系统的设计与应用 上海交通大学工程硕士学位论文 第 15 页 泵站监控计算机 工业以太网 现场控制层现场控制层 PLC 现场总线 现场设备现场设备 智能电动机保护器智能电动机保护器 图 3-2 现场总线控制系统的结构 Fig.3-2 Structure of FCS control system 3.5 可编程逻辑控制器简介可编程逻辑控制器简介 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和