0 引言

        東營市赫邦化工有限公司（以下簡稱赫邦）成立于2010年，占地1500畝，生產裝置包括3×10 5 t/年離子膜燒堿、6×10 4 t/年環氧氯丙烷、4×10 4 t/年三氯乙烯、公用工程、污水處理等裝置，其中污水處理裝置距離中心控制室4km，有線傳輸施工難度大，投入成本高，后續維護費用高, 水泵的運行、管理以及水位的觀察普遍采用人工操作方式，操作過程繁瑣、勞動強度大、水泵啟動時間長、自動化程度低，不適應現代化工廠的管理，影響了生產的安全性和高效性。

 

        隨著無線控制技術的迅速發展，以智能化為核心的無線控制器已經逐步取代了有線自動化控制，而且應用于各行各業的自動化控制領域。通過遠程監控實現的污水泵站的無人值守，具有廣泛的功能和特點，能滿足水泵機組起停、故障自診斷和數據處理上的完全自動化，能夠長時間穩定地工作，不需要人工干預，達到節約能源和人力資源的功能，提高污水泵站的經濟效益和管理水平 [1] 。

為保障水池泵站安全、穩定地運行，科學、準確地進行排水調度，實現排水體系的自動化管理，提高管理質量和管理效率，經過多方考察和論證，建立污水處理站無人值守自動化監控系統勢在必行，可以實現污水池泵站的自動化控制和遠程監控管理，提高工作效率，并可實現無人值守。

 

1 無線智能控制系統的設計目標

        1）監控中心可以對污水池水位、污水外排流量、變頻水泵運行電流、頻率及狀態進行監測，監控中心可遠程控制5臺水泵啟停、5臺變頻器調速。

        2）傳輸網絡采用無線傳輸，實現泵站無線自動化無人值守運行。

        3）無線自動化監控系統編程工作全部嵌入系統，現場安裝調試采用無需編程傻瓜式硬連接設計，儀表人員即可安裝調試維護，徹底杜絕由于專業編程人員離職而導致系統無人編程、維護、癱瘓的弊端。

 

2 污水池泵站無線遠程自動化監控系統設計技術方案

1）污水泵站無線遠程自動化監控系統主要由無線通信平臺、水池泵站遠程測控終端、測量儀表設備組成。

2）中心控制室可以查看到整個水池每個泵站的所有監控數據：水池水位、污水外排流量、水泵運行電流、水泵變頻器運行、COD分析儀等信號，可遠程控制5臺水泵啟停、5臺變頻器調速。

3）無線遠程自動化監控系統采集數據由智能模塊完成，模塊檢測傳感器狀態，并將數據通過無線通訊模塊傳送至控制計算機進行監控顯示，控制系統監測信號為多路4~20mA電流信號。

4）DCS顯示控制系統通過無線遠程自動化監控系統，控制5臺水泵啟停，其信號為10路無源開關量信號。

5）DCS顯示控制系統通過無線遠程自動化監控系統，控制5臺水泵變頻器調速，其信號為5路4mA~20mA電流信號。

6）3臺液位計、1臺流量計進入無線遠程自動化監控系統，進行數據處理顯示，其信號為4路4mA~20mA電流信號。

7）通訊平臺：分為有線通訊和無線通訊兩種，3臺液位計、1臺流量計與無線遠程自動化監控系統信號線接線端子連接；污水池水位、污水外排流量、水泵運行電流、水泵變頻器運行信號電流監測，5臺水泵遠程控制啟停、5臺變頻器遠程控制調速與監控中心無線連接。

 

8）自動化控制和本地手動控制：5臺水泵采用無線自動化啟停控制和本地手動啟停控制。

9）泵站遠程測控終端：安裝在排水泵站現場儀表控制柜里，直接監測現場的數據并發送到監控中心。

10）計量測量：此部分包含現場現有的水位測量液位計、流量計等數據的處理和采集。

 

3 污水處理無線遠程監控系統工藝設計流程

        3臺7.5KW污水提升泵（1用2備），兩臺55KW污水外送泵改為變頻啟動（1用1備）、運行方式，1個污水池設兩臺液位計，1個沉降池設1臺液位計，實現液位的自動測量，污水外排設置電磁流量計1臺，用于流量測量顯示。

 

4 無線遠程監控系統方案實施

4.1 無線控制系統所用設備

        可編程控制器：兩套SIEMENS S7-200 Smart。無線傳輸設備：兩套宏電H7922雙卡4G工業級VPN路由器。

操作終端：兩套MCGS 10寸觸摸屏。

        服務器：阿里云服務器，配置：雙核2.5G，4G內存，100G存儲，帶寬10Mbps。在排水泵站現場及廠內監控中心各安裝1套無線控制系統，每套控制系統包括1套PLC，1套4G工業機VPN路由器和1套操作終端（10寸觸摸屏）。DCS控制系統通過2套無線控制系統的之間的數據傳輸來完成對排水泵站的監控，構建安全、穩定的無線傳輸網絡。

 

4.2 無線傳輸設備的選擇及網絡搭建

        施工現場的移動、聯通4G網絡已覆蓋，為了保證4G網絡的傳輸穩定性，選用宏電H7922雙卡4G工業級VPN路由器，手機卡選用聯通及移動的4G流量卡，數據傳輸按每秒更新1次，每次傳輸100個字節計算，每張卡每個月的流量在256M，套餐可選用300M流量。

 

        可以組建2種不同的4G傳輸網絡，一種是采用4G運營商內網通訊方式，一種是采用公網方式。本方案中所選用的宏電H7922雙卡4G工業級VPN路由器，支持VPN功能，為了確保數據傳輸的安全性，采用VPN進行數據傳輸。VPN，即虛擬專用網絡，其功能是在公用網絡上建立專用網絡，進行加密通訊。云服務器安裝有Windows server2008 R2，在Server系統中構建VPN服務器，并設置VPN內網IP地址段。

 

現場無線數據采集設備選用了PLC，可在PLC中編寫排水泵站的自動控制程序，參數設定可以通過現場及調度中心的觸摸屏進行設定。監控中心的PLC只完成云服務器與DCS的數據轉發，沒有其他程序。

 

4.3 無線控制系統的控制模式

4.3.1 控制模式間切換

        控制系統有3個模式切換按鈕，分別是“->現場屏控”“-現場自動”和“->DCS模式”，可以根據需要的控制模式點擊對應模式的切換按鈕，點擊模式切換按鈕后，對應的指示燈會由灰色變為綠色，表示新切換到的模式生效，同時屏幕上方的模式狀態顯示也會更新。當系統切換DCS模式時,“DCS手動”和“DCS自動”這兩種控制模式的切換使用權，將由監控中心的DCS端來選擇使用。

 

        該系統在遠程監控中心端為防止DCS系統出現故障，增加監控中心端觸摸屏控制模式備用，監控中心這兩種操作終端，不能同時使用，同一時間只能選擇一種方式使用，切換開關設在監控中心觸摸屏“模式設定界面”。

 

4.3.2 現場屏控模式

1）現場屏控模式就是在觸摸屏上手動啟停設備，手動設置設備（污水泵）的給定頻率。

2）泵設備滿足屏控手動啟停控制的條件

        ①,泵狀態：中控指示燈變為綠色說明該設備受PLC系統控制。

        ② 泵狀態：故障指示燈為灰色說明沒有故障。

        比如“1號泵”滿足屏控手動啟停的條件，點擊其對應下方的“手動啟動”按鈕，此時水泵狀態中輸出指示燈會由灰色變為綠色，表示系統已經輸出動作，當該水泵狀態中運行指示燈變為綠色時，表示系統已收到“1號泵”的運行反饋信號，啟動成功。

 

        3）設置給定頻率：點擊對應泵設備“手調頻率”輸入框，在彈出的輸入鍵盤中輸入要給定的頻率值后，點擊確定，從而完成給定頻率的設定。手調頻率設定反饋為：35.0≤ X ≤50.0。

        4）手動停止：在此控制模式下運行中的設備如需要停止運行時，請點擊對應設備下的“手動停止”按鈕，即可實現設備的手動停止。

        5）模式切換停止運行：在此控制模式下運行中的設備，沒有手動停止設備的運行，直接切換到其他控制模式（如現場自動或者DCS模式），此時設備會自動停止工作，相應的手動點也會復位，等下一次控制模式切換回來時，還需要手動開設備。

        6）液位保護：在此控制模式下運行中的設備，當該污水泵設備所在污水池液位低于設定的液位低限（泵鎖停）時，系統復位手動啟動點，設備停止運行，當液位高于泵解鎖設定液位時，污水泵才能被允許手動再次開啟。

 

4.3.3 現場自動控制模式

1）現場自動控制模式

        就是系統根據污水池實時液位和液位設定值，來循環開啟使用具備自動控制條件的污水泵，達到恒定污水池液位和均衡水泵使用壽命的目的，實現污水站無人值守的能力。

2）污水泵設備滿足自動控制的條件

        ①,泵狀態：中控指示燈變為綠色說明該設備受PLC系統控制。

        ②,泵狀態：故障指示燈為灰色說明沒有故障。

        ③,開啟泵使能位（泵使能位是對應的泵投入自動控制的開關位）。

 

3）自動控制運行中的液位設定

以污水池為例，對相應的參數設定進行解讀

        ①“第一臺泵啟動液位”當前泵運行數量為0臺時，如果液位值＞4.0m時，則開啟1臺水泵，共1臺水泵運行。

        ②“第二臺泵啟動液位”當前泵運行數量為1臺時，如果液位值＞4.5m時，則再開啟1臺水泵，共兩臺水泵運行。

        ③“第二臺泵停止液位”當前泵運行數量為2臺時，如果液位值≦4.0m時，則關閉1臺水泵，1臺水泵運行。

        ④“第一臺泵停止液位”當前泵運行數量為1臺時，如果液位值≦3.5m時，則關閉1臺水泵，沒有水泵運行。

 

4）污水泵隊列運行，均衡使用壽命

        ①,,現場自動模式啟動時，系統把符合自動控制的泵設備按照累積運行時間的大小排序到備用隊列，把相對累積時間少的泵放在備用隊列的前面，根據需要最先啟動。

        ②,,運行隊列里的污水泵停止運行后，經過再啟動等待時間，會被放在備用隊列的最后面。

        ③,,出現以下情況泵設備會從隊列里剔除：

        ◆ 中控信號消失。

        ◆ 泵使能關閉。

        ◆ 泵故障。

        ◆ 單次啟動運行累積大于設定值。

        ◆ 啟動超時。

 

5）自動模式下設備變頻運行

        在自動模式下，PLC控制變頻器輸出范圍在35Hz~50Hz之間。

        當污水池液位值在啟泵液位設定值和停泵設定值之間時，系統會根據污水池液位與啟泵液位和停泵液位之間的比例系數，在輸出范圍內以相同比例系數計算出相應的輸出頻率值，計算公式如下：

        輸出頻率 = 35.0 + (實時液位值 - 停泵液位) / (啟泵液位- 停泵液位) ×15.0

 

4.3.4 DCS自動控制模式

        DCS自動控制模式和現場自動控制模式控制原理相同，都是由PLC執行自動控制，區別在于DCS自動控制模式是監控中心DCS端通過無線4G數據傳輸來實現模式切換使用，而現場自動控制模式是在現場（污水站）來切換使用。因此，DCS自動控制模式的原理、規則參照現場自動控制模式所述。

 

4.3.5 DCS手動控制模式

        在該模式下通過DCS系統手動開啟停止污水泵設備，并設定輸出頻率。

        液位保護：在此控制模式下運行中的設備，當該污水泵設備所在污水池液位低于設定的液位低限（泵鎖停）時，強制污水泵設備停止運行，當液位高于泵解鎖設定液位時，污水泵才能被允許啟動。

 

4.3.6 監控中心觸摸屏手動控制模式

        該模式下操作方式和現場屏控模式類似，操作方法請參照現場屏控控制模式所述。

 

4.3.7 監控中心觸摸屏自動控制模式

        監控中心觸摸屏自動控制模式和現場自動控制模式控制原理相同，都是由PLC執行自動控制，區別在于監控中心觸摸屏自動控制模式是監控中心觸摸屏端通過無線4G數據傳輸來實現模式切換使用，而現場自動控制模式是在現場（污水站）來切換使用。因此，監控中心觸摸屏自動控制模式的原理、規則參照現場自動控制模式所述。設定的參數具有斷電保存功能，系統更換測量儀表后點擊對應通道名稱重新設定量程值。

 

5 無線監控系統通訊組成與系統故障分析

1） 通訊網絡組成和狀態

        ①,,PLC-View：觸摸屏和PLC之間的通訊狀態。

        ②,,云連接：PLC和云服務器之間的通訊狀態。

        ③,,現場-DCS：現場PLC和監控中心PLC之間的通訊狀態，如果該連接中斷表示現場監控中心通訊中斷，監控中心讀取現場的數據以及發送到現場的命令將停止刷新，保持顯示通訊中斷前的數據。

 

2）系統故障分析

        ①,,啟動超時：系統啟動1臺污水泵設備經過10s后，還沒有收到該設備的啟動信號，系統認為該泵啟動超時故障，基于無人值守，該軟故障1min后自動清除。

        ②,,變頻故障：該故障為變頻器故障屬于硬故障，出現該故障對應的水泵不能啟動，需要專業人員去污水站現場查看故障原因，檢查處理引起變頻器故障的問題，并復位該故障。

 

6 要點總結

        1）數據傳輸：現場PLC+4G工業級VPN路由器<------>云服務器<------>監控中心PLC+4G工業級VPN路由器<------>監控中心DCS系統。為保證數據傳輸的安全性，利用宏電H7922雙卡4G工業級VPN路由器及云服務器組建

VPN網絡，數據通過VPN網絡進行傳輸。

 

        2）PLC選用SIEMENS S7-200 Smart系列，該系列PLC本身集成一個以太網通信接口，最新的固件已支持ModbusTCP通訊規約，無線數據傳輸協議采用的便是該通訊規約。

 

        3）水泵的控制方式分為：現場PLC手動控制、現場PLC自動控制、監控中心DCS手動控制以及監控中心DCS自動控制，控制方式的優先級從高到低。

        4）網絡中斷保護措施：當網絡傳輸中斷超過一定時間后，監控中心PLC發出網絡中斷聲光報警信號，此時如果水泵的控制方式為監控中心DCS自動控制，為保證排水泵站的正常運行，水泵的控制方式將無擾切換到現場PLC自動控制。網絡恢復后控制方式不會自動切換，需要人為切換。

 

7 效益分析

1）安全可靠性

        擁有多種操作模式。擁有包括遠程控制、自動控制和手動控制3種模式，根據情況可以進行切換操作。

對污水泵站水位的變化進行實時監控，根據水量的變化可對透水事故進行早期預警。可按照累計運行時間進行循環啟動，每次啟動累計運行時間最短的水泵，實現水泵均勻磨損，避免某臺水泵經常使用造成設備疲勞或長時間不用造成銹蝕。

 

2）經濟性

        避峰填谷，使水泵耗能處于最佳經濟運行狀態。無人值守泵房以水倉水位作為水泵啟停的基本條件，在此條件滿足的前提下，再根據均勻磨損的原則、避峰填谷的原則實現水泵啟停。

 

        節約人力資源。本設計實現后污水泵站將無人值守，節約抽水工4人，按每人每月4800元計算，每月可節約19200元，年可節約230400元。

 

3）適用性和先進性

        采用無線遠程通訊，使數據傳輸更加快捷準確；地面控制中心實時監測污水水量動態，方便統籌調度管理，實現高效、經濟運行；通訊接口規范，可以與全廠的中央控制室監控系統實現信息共享；系統的開放性和可擴展性強。