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摘要：随着大型泵站改造的深入，越来越多的大型泵站陆续建立起信息化系统。各地在信息化改造过程中取得一定成效并积累了很多经验，但也反映出一些不足和缺陷，需在以后的改造中进一步进行完善。根据研究和实践经验，结合泵站改造，对泵站信息化改造进行描述，提出了实用、可靠、经济的监控选型原则及改造建议。
关键词：大型泵站 信息化系统 工程改造
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)009-069-02
1 概述
近几年来，电子技术、计算机技术、网络技术得到迅猛发展，微机自动化监测系统被广泛应用到了各行各业的每一个角落，计算机监控技术在大型泵站更新改造中的应用也非常突出。利用计算机对泵站运行的参数进行实时监测，不仅提高了泵站运行管理水平和设备安全运行水平，还使泵站无人值班(少人值守)得以实现，并且提高泵站设备的使用效率。
2 目标及功能
使用先进的监测监控软件，实现测量、控制、管理一体化综合自动化系统。采用先进测量、传感、保护和控制设备，可以实现站内主、辅机系统及电气设备运行状态的实时监测；实时采集、存储各类运行数据并上传至管理单位的数据库，实现系统内资源共享；在管理单位的局域网上对该站主机和相关电气设备运行状态进行监测和远程控制，使用各种方式浏览泵站的运行状况和统计数据；充分合理利用水利工程的综合效益，使泵站运行优化、合理高效的配置水资源成为可能。
3 系统功能简介
3.1 现地监控和远程监控功能
通过以太网络进行泵站现地监控和远程监控。泵站总线利用工业以太网络，监控系统与设各之间可双向高速通讯，设各标识符、设备状况及诊断信息等相关的模拟量都包括在其中。工作人员在总控微机上即可以掌握现场主要电气设备如水泵机组、微机保护、微机励磁系统的实时工作状况，也可以在线对其系统参数进行实时、准确、可靠的调整，大大提高了系统的可靠性、可控性和可维护性以及监控系统的各种性能。随着系统功能的进一步开发与完善，今后还可以对系统进行远程标定及运行诊断，而且还能够实现故障预测。
3.2 监控系统简介
3.2.1 网络结构
系统各部分的网络系统共分为以下三个部分：
前端信号采集部分。如PLC至出水阀门，温度巡检仪至温度传感器等，通过信号线缆，以模拟量或者开关量形式进行信号的传输。
信号转换。由于泵站内各类信号种类不一，通过通讯服务器，或者4-20ma／RS485等装置进行统一的信号转换。
TCP／IP网络。在系统网络的最上层，统一采用TCP／IP网络进行传输。
3.2.2 前池液位采集
采用超声波液位计，实时采集前池水位高度，采用2线或4线制的超声波液位，通过上位软件系统能够实时显示液位高度，同时能在上位进行下限、上限等声光告警。
3.2.3 电磁流量采集
电磁流量计通过带有通信协议的RS485接口与通讯服务器连接，实现了RS485／TCP的转换，由上位系统依据设备技术协议，实现对电磁流量计瞬时流量和累计流量的采集和显示，同时上位系统计算每小时的流量信息，可按日汇总报表，自动生成图片，以便结算。
3.2.4 电流、电压等采集
上位系统通过与综合保护装置的CDT协议交互，实现了对进线、出线的电压、电流、有功，无功，功率因数等信号的采集，同时上位系统自动计算某机组的运行时长。
3.2.5 电量信息采集
高压、低压室在测量屏上均配有智能电量表，通过RS485／TCP的连接进入到上位系统，上位系统可实时显示用电量，同时上位系统自动计算各小时的用电量，支持报表查询打印。
3.2.6 出水阀门开度信息采集
出水阀门配置有现地控制箱，该现地控制系统可以4-20ma的方式输出阀门的开度信息，在系统内配置一台4-20ma至RS485的转换装置，再通过通讯服务器的网络层转换，由上位系统实时采集出水阀门的开度信息，供人机界面进行显示。
3.2.7 机组温度采集
系统可采集每机组的电机三项定子绕组、两个轴承端盖、两个水泵的轴承端盖，共七个温度采集点的信号采集，温度巡检仪之间以RS485通讯的方式进行组网，通过通讯服务器，由上位进行实时显示，同时可设置温度超高告警。
3.2.8 机组启停控制，及阀门联动控制
系统可通过PLC的面板按钮进行机组的启停，通过PLC实现了机组与阀门的联动，即启动机组时，先启动电机，再启动出水阀门。停止机组时，先停止出水阀门，再停止电机。通过上位与PLC系统的连接，可通过上位计算机上进行机组启停的自动控制。
3.2.9 智能化机组起动系统
高扬程灌区供水机组普遍存在供水不稳的问题，这就给配水工作带来了许多不便。我们设计采用交流变频器，水位传感器，微电脑控制器(包括PID调节)等组成闭环调节进出水池的水位，恒水位控制系统，使水泵恒水位供水，其供水水位可根据实际情况预设。
以下县供水控制系统组成方框图
工作原理介绍：
如图1所示，我们提前给控制器给定要求的水位值，变频器根据此值输出相应频率的交流电源给水泵的拖动电机，拖动水泵稳定运行，水泵在相应的转速下工作，就会输出对应的供水流量，保证水泵与控制器的给定水位平衡。传感器时刻检测水位，并按照设定的周期反馈至控制器，控制器根据反馈水位信息与给定水位参数进行比较，根据产生的差值来控制变频器的输出频率，实现电机的速度调节，改变水泵流量，保证进出池的水位始终稳定在给定值范围内，实现了变频调速恒压供水系统的闭环调节。为有效节约投资，我们可以采用一台变频控制器托运三台的机组的做法。结合泵站的PLC可编程序控制器对机组实行自动控制。当变频器输出的频率值达到上限时，进水池水位还末达到设定值时，发出加泵信号，通过PLC程序控制器启动相应的水泵机组；当进水池水位达到设定值，且进水池水位仍有上涨趋势时，而变频器输出频率值已达到下限时，系统会自动发出减泵申请信号，通过PLC停止一台工频运行的水泵机组。泵站机组在控制器控制下，全部由变频器控制，采用软起动与软停车，这样我们可以有效避免电机起动时的冲击电流对电网的冲击和起动时的冲击扭矩对水泵的损伤
3.2.10 视频监控系统
每个泵站根据情况和监控要求，配置几台视频摄像机和一台DVR设备，分别布置在主厂房，控制室，室外。DVR设备安装在中控室的网络机柜里，DVR设备可以根据要求或存储周期配备一定存储量的硬盘用于进行录像存储，同时配置键盘和独立的液晶显示器。系统能够通过DVR输出到独立的液晶显示器进行显示监控画面，也能够通过网络系统进行视频影像的显示。视频摄像机可根据实际所需选用球机或枪机，以实用和经济为主。系统可根据需要设定用户权限。
3.3 安全防护功能 实现水利系统广域网和管理单位局域网上的远程监测功能之后，整个监控系统的安全性必须引起重视。在进行远程监测时系统首先要对操作者身份、密码进行识别，必须是监控主机的登记并受权用户才能进行远程监测，并根据其权限和控制级别对系统进行分级控制。
监控主机上设置的控制优先级别依次为：手动、现地控制、站级控制和远程监测，在紧急状况时现场人员可随时切入相应的控制系统。在下面的任一情况时，系统能可靠地转为现场控制：远程计算机放弃控制权；现场人员未对过程控制受权；通讯网络发生中断；系统发生故障报警：控制数据发生严重错误。
另外，为了增加系统安全性，防止高手入侵或非法程序破坏系统，远程监测主机必须要安装有硬件加密狗或防火墙之类的软件。在管理单位局域网路由器前安装先进防火墙，其本身具有很强的抗攻击能力，能在内外网络之间执行系统控制策略，阻止外部非法用户侵入内部监控系统，保护数据库入监控服务器。另外，根据本人的经验，一般用于控制的局域网和以太网实行物理隔离最为稳妥。
4 自动化改造建议
(1)泵站信息化工程是结合原有监测系统，保留了一部分电气设备、器件和屯缆，在调试过程中可能会发生一些电气设备烧损现象，所以在改造前应充分掌握这部分未更换设备、器件的性能状况，以免影响改造后系统正常运行；主辅机管路中的阀门要求全部使用电动阀门、电磁阀门、并建议增加泵站测振动和测噪声系统，使信息化系统更加完善。
(2)泵站需要解决的一个突出问题是电磁干扰，在系统中除了采取软硬件滤波、光电隔离等相应措施外，还要注意以下几个方面：开关量信号宜采用多芯屏蔽电缆，芯线截面积不小于0.75mm2模拟量输入宜采用对双绞线加总屏蔽电缆，屏蔽层应在计算机侧接地；弱电信号电缆应单独敷设在单独一层电缆架，包括计算机信号电缆和通讯电缆，其它电缆应排列在最下层；分散独立供电，减少电源间的相互影响：有独立的接地系统，保证接地电阻不大于4欧姆，最好小于1欧姆。
5 结束语
泵站信息化系统是水资源配置监控调度系统中的重要组成部分，对提高我国泵站工程管理自动化水平，实现“无人值班，少人值守”的运行模式，合理配置人力资源，充分发挥泵站效益，具有重要的现实意义。
关键词：大型泵站 信息化系统 工程改造
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)009-069-02
1 概述
近几年来，电子技术、计算机技术、网络技术得到迅猛发展，微机自动化监测系统被广泛应用到了各行各业的每一个角落，计算机监控技术在大型泵站更新改造中的应用也非常突出。利用计算机对泵站运行的参数进行实时监测，不仅提高了泵站运行管理水平和设备安全运行水平，还使泵站无人值班(少人值守)得以实现，并且提高泵站设备的使用效率。
2 目标及功能
使用先进的监测监控软件，实现测量、控制、管理一体化综合自动化系统。采用先进测量、传感、保护和控制设备，可以实现站内主、辅机系统及电气设备运行状态的实时监测；实时采集、存储各类运行数据并上传至管理单位的数据库，实现系统内资源共享；在管理单位的局域网上对该站主机和相关电气设备运行状态进行监测和远程控制，使用各种方式浏览泵站的运行状况和统计数据；充分合理利用水利工程的综合效益，使泵站运行优化、合理高效的配置水资源成为可能。
3 系统功能简介
3.1 现地监控和远程监控功能
通过以太网络进行泵站现地监控和远程监控。泵站总线利用工业以太网络，监控系统与设各之间可双向高速通讯，设各标识符、设备状况及诊断信息等相关的模拟量都包括在其中。工作人员在总控微机上即可以掌握现场主要电气设备如水泵机组、微机保护、微机励磁系统的实时工作状况，也可以在线对其系统参数进行实时、准确、可靠的调整，大大提高了系统的可靠性、可控性和可维护性以及监控系统的各种性能。随着系统功能的进一步开发与完善，今后还可以对系统进行远程标定及运行诊断，而且还能够实现故障预测。
3.2 监控系统简介
3.2.1 网络结构
系统各部分的网络系统共分为以下三个部分：
前端信号采集部分。如PLC至出水阀门，温度巡检仪至温度传感器等，通过信号线缆，以模拟量或者开关量形式进行信号的传输。
信号转换。由于泵站内各类信号种类不一，通过通讯服务器，或者4-20ma／RS485等装置进行统一的信号转换。
TCP／IP网络。在系统网络的最上层，统一采用TCP／IP网络进行传输。
3.2.2 前池液位采集
采用超声波液位计，实时采集前池水位高度，采用2线或4线制的超声波液位，通过上位软件系统能够实时显示液位高度，同时能在上位进行下限、上限等声光告警。
3.2.3 电磁流量采集
电磁流量计通过带有通信协议的RS485接口与通讯服务器连接，实现了RS485／TCP的转换，由上位系统依据设备技术协议，实现对电磁流量计瞬时流量和累计流量的采集和显示，同时上位系统计算每小时的流量信息，可按日汇总报表，自动生成图片，以便结算。
3.2.4 电流、电压等采集
上位系统通过与综合保护装置的CDT协议交互，实现了对进线、出线的电压、电流、有功，无功，功率因数等信号的采集，同时上位系统自动计算某机组的运行时长。
3.2.5 电量信息采集
高压、低压室在测量屏上均配有智能电量表，通过RS485／TCP的连接进入到上位系统，上位系统可实时显示用电量，同时上位系统自动计算各小时的用电量，支持报表查询打印。
3.2.6 出水阀门开度信息采集
出水阀门配置有现地控制箱，该现地控制系统可以4-20ma的方式输出阀门的开度信息，在系统内配置一台4-20ma至RS485的转换装置，再通过通讯服务器的网络层转换，由上位系统实时采集出水阀门的开度信息，供人机界面进行显示。
3.2.7 机组温度采集
系统可采集每机组的电机三项定子绕组、两个轴承端盖、两个水泵的轴承端盖，共七个温度采集点的信号采集，温度巡检仪之间以RS485通讯的方式进行组网，通过通讯服务器，由上位进行实时显示，同时可设置温度超高告警。
3.2.8 机组启停控制，及阀门联动控制
系统可通过PLC的面板按钮进行机组的启停，通过PLC实现了机组与阀门的联动，即启动机组时，先启动电机，再启动出水阀门。停止机组时，先停止出水阀门，再停止电机。通过上位与PLC系统的连接，可通过上位计算机上进行机组启停的自动控制。
3.2.9 智能化机组起动系统
高扬程灌区供水机组普遍存在供水不稳的问题，这就给配水工作带来了许多不便。我们设计采用交流变频器，水位传感器，微电脑控制器(包括PID调节)等组成闭环调节进出水池的水位，恒水位控制系统，使水泵恒水位供水，其供水水位可根据实际情况预设。
以下县供水控制系统组成方框图
工作原理介绍：
如图1所示，我们提前给控制器给定要求的水位值，变频器根据此值输出相应频率的交流电源给水泵的拖动电机，拖动水泵稳定运行，水泵在相应的转速下工作，就会输出对应的供水流量，保证水泵与控制器的给定水位平衡。传感器时刻检测水位，并按照设定的周期反馈至控制器，控制器根据反馈水位信息与给定水位参数进行比较，根据产生的差值来控制变频器的输出频率，实现电机的速度调节，改变水泵流量，保证进出池的水位始终稳定在给定值范围内，实现了变频调速恒压供水系统的闭环调节。为有效节约投资，我们可以采用一台变频控制器托运三台的机组的做法。结合泵站的PLC可编程序控制器对机组实行自动控制。当变频器输出的频率值达到上限时，进水池水位还末达到设定值时，发出加泵信号，通过PLC程序控制器启动相应的水泵机组；当进水池水位达到设定值，且进水池水位仍有上涨趋势时，而变频器输出频率值已达到下限时，系统会自动发出减泵申请信号，通过PLC停止一台工频运行的水泵机组。泵站机组在控制器控制下，全部由变频器控制，采用软起动与软停车，这样我们可以有效避免电机起动时的冲击电流对电网的冲击和起动时的冲击扭矩对水泵的损伤
3.2.10 视频监控系统
每个泵站根据情况和监控要求，配置几台视频摄像机和一台DVR设备，分别布置在主厂房，控制室，室外。DVR设备安装在中控室的网络机柜里，DVR设备可以根据要求或存储周期配备一定存储量的硬盘用于进行录像存储，同时配置键盘和独立的液晶显示器。系统能够通过DVR输出到独立的液晶显示器进行显示监控画面，也能够通过网络系统进行视频影像的显示。视频摄像机可根据实际所需选用球机或枪机，以实用和经济为主。系统可根据需要设定用户权限。
3.3 安全防护功能 实现水利系统广域网和管理单位局域网上的远程监测功能之后，整个监控系统的安全性必须引起重视。在进行远程监测时系统首先要对操作者身份、密码进行识别，必须是监控主机的登记并受权用户才能进行远程监测，并根据其权限和控制级别对系统进行分级控制。
监控主机上设置的控制优先级别依次为：手动、现地控制、站级控制和远程监测，在紧急状况时现场人员可随时切入相应的控制系统。在下面的任一情况时，系统能可靠地转为现场控制：远程计算机放弃控制权；现场人员未对过程控制受权；通讯网络发生中断；系统发生故障报警：控制数据发生严重错误。
另外，为了增加系统安全性，防止高手入侵或非法程序破坏系统，远程监测主机必须要安装有硬件加密狗或防火墙之类的软件。在管理单位局域网路由器前安装先进防火墙，其本身具有很强的抗攻击能力，能在内外网络之间执行系统控制策略，阻止外部非法用户侵入内部监控系统，保护数据库入监控服务器。另外，根据本人的经验，一般用于控制的局域网和以太网实行物理隔离最为稳妥。
4 自动化改造建议
(1)泵站信息化工程是结合原有监测系统，保留了一部分电气设备、器件和屯缆，在调试过程中可能会发生一些电气设备烧损现象，所以在改造前应充分掌握这部分未更换设备、器件的性能状况，以免影响改造后系统正常运行；主辅机管路中的阀门要求全部使用电动阀门、电磁阀门、并建议增加泵站测振动和测噪声系统，使信息化系统更加完善。
(2)泵站需要解决的一个突出问题是电磁干扰，在系统中除了采取软硬件滤波、光电隔离等相应措施外，还要注意以下几个方面：开关量信号宜采用多芯屏蔽电缆，芯线截面积不小于0.75mm2模拟量输入宜采用对双绞线加总屏蔽电缆，屏蔽层应在计算机侧接地；弱电信号电缆应单独敷设在单独一层电缆架，包括计算机信号电缆和通讯电缆，其它电缆应排列在最下层；分散独立供电，减少电源间的相互影响：有独立的接地系统，保证接地电阻不大于4欧姆，最好小于1欧姆。
5 结束语
泵站信息化系统是水资源配置监控调度系统中的重要组成部分，对提高我国泵站工程管理自动化水平，实现“无人值班，少人值守”的运行模式，合理配置人力资源，充分发挥泵站效益，具有重要的现实意义。