给水泵站群作为城市供水系统的重要组成部分,其特点是分布范围广、选址分散、泵站与泵站之间以及泵站与上级调度中心之间距离遥远。泵站群的传统管理模式采用的是有人值守定时巡检的方式,主要依靠值班人员的操作经验来保证泵站的正常运行。本文针对给水泵站群无人值守自动化系统进行研究,旨在有效地提高给水泵站群的安全可靠性,并降低供水部门的人力资源成本。

近年来国内外部分发达地区的供水部门已经展开了对给水泵站群的运行管理技术的摸索,但由于在自控系统可靠性、调度管理的科学性、网络通讯安全性以及对故障事故预测的准确性等方面仍存在一些亟待解决的技术难点,具体表现在以下几个方面:

(1)自动化功能没有充分利用。在实际应用过程中,由于受到应用场所的外部环境,包括电磁干扰、环境温湿度、机械振动等各种因素的影响,自动化系统往往仅被作为辅助手段,更多的还是靠有经验的操作人员完成日常所需的工作,自动化系统的功能难以得到更大的发挥,得不到充分的利用。

(2)人力资源消耗过大。为了保障给水泵站群的安全运行,供水企业需要在每个泵站配备相应的值班工作人员,在供水范围广、泵站数量多的区域,需要组织相当大规模的工作团队,势必是一项极大的人力资源负担。

(3)调度中心功能有限,远程调度管理水平不完善。部分发达地区的供水企业虽然已经建立了自动化程度较高的调度系统,但由于在SCADA系统以及通讯网络系统方面仍采用比较落后且可靠性不高的技术,使得泵站群之间未能有效而紧密联系到一起,仍存在调度命令下达不及时等问题,当出现紧急事故时,无法及时进行处理。

(4)故障监测及处理依赖人工,故障诊断功能范围有限。大部分给水泵站对于设备的故障监测及处理的方式是通过值班人员进行日常的巡检维护工作,依赖操作人员的经验及技术水平来解决设备故障问题,难以做到在故障发生前的提前预测,并且往往在泵站发生的故障或事故,会因为操作人员的经验水平不足等原因,使得对于故障或事故的反应及处理非常缓慢,极易影响给水泵站的正常生产。

自控系统就是以PLC为基础的集散型自动化控制系统,是完成无人值守泵站日常生产工作的核心控制设备,其可靠性直接影响着泵站所有受控设备及被监测设备的运行。

PLC控制器是面向工业现场过程控制而专门设计的,目前主流品牌的PLC系统平均无故障时间可以满足大多数控制系统对可靠性的要求。但是对于无人值守给水泵站来说,仅仅依靠生产厂家对PLC产品本身可靠性的保证,将对设备的选型提出了极高的要求,同时对设备的采购范围产生了极大的限制。采用冗余技术是提高控制系统可靠性的一种行之有效的方法。

在PLC双重冗余系统中,冗余平台上配置一对控制器1#CPU和2#CPU,先上电者为主控制器,后上电者为从控制器。当主控制器执行完相关程序之后,会将所有输出指令的结果输出给从控制器。如果在执行某个任务时,主控制器出现了故障,从控制器会立即自动接替主控制器,重新执行出现故障时的那段任务。此刻,从控制器使用的输出映像表数据来自于主控制器上一个工作周期的执行结果。由此可见,在冗余热备系统的切换过程中,不会出现数据的丢失和突变现象,实现了系统的无扰动切换。PLC双重冗余系统指标计算方法如表1所示。

从表1可以看出,双重冗余系统的平均无故障时间、故障率及可靠性等数据远远优于单系统。相对于单系统来说,双重冗余系统的可靠性可以增加几个数量级。

自控系统的管理功能的可靠性主要体现在在线检测设备上。在线检测设备设置的全面性决定着PLC控制系统对泵站运行状况掌握的范围,也影响着上级调度中心管理人员对泵站生产运行数据的监测。在线检测设备的设置应包括表2所列内容。

在线健康预诊断系统基于振动分析技术,主要应用在给水泵站中的大型设备上,如水泵等。系统具有:①现场信号采集、存储和备份;②信号加工处理(包括数字信号和图像信号处理和数据压缩编码);③处理后信号的远距离网络传输;④远程诊断中心根据运行信息进行分析和诊断;⑤诊断结果经网络传输返回至调度中心,指导进行故障排除和维护等功能。

以水泵为例,其振动监测点设置原则应如表3所示(包括,但不限于)。

水泵各振动监测点在经过频谱分析后得出的系统故障信息内容如表4所示(包括,但不限于)。

表4中各振动、电源频率、gSE由加速度探头加4倍频信号分析获得,倍频信号、转速信号和叶片通过频率由电涡流信号监测。

系统软件主要分为振动分析软件、实时监测诊断软件和通讯软件。

该软件具备以下主要功能:

(1)多维数据图形分析功能:包括趋势图、频谱图、时域波形图、瀑布图、频率趋势图等多种图形,使得设备管理人员可随时监测、分析和诊断机组的状态。

(2)多维报警功能:包括幅值报警、统计报警等多种报警方式和报警值的设定方法,使得设备管理人员能快速准确地在众多的设备中提取出设备异常或故障信息,区分出机器有无问题。

(3)多种格式报告功能:系统应提供多种标准报表格式,并允许用户自定义报表,报表应图文并茂,一目了然。

(4)频率识别功能,设备管理人员根据振动频谱特征可得出机器故障的诊断结论,如不平衡、不对中、松动、共振、轴承故障等。

(5)振动分析软件预留有离线设备故障诊断装置数据输入接口,可接受精密点检系统的数据。

(6)振动分析软件预留OPC数据输出接口,可供第三方调用故障诊断系统的数据。

该软件具备以下主要功能:

(1)具有完善的权限保护功能,对所使用的画面、命令、标签等加以不同的限制,确保所有操作人员只能在其自身权限内操作。

(2)具有丰富的显示组态功能,可以显示趋势、平均趋势、频谱、三维谱、瀑布图、时域波形等。

(3)具有强大的软件报告功能,支持交互报告、幅值超限报告、用户自定义报告、频带超限报告、频谱超限报告、诊断报告等。

(4)具有完善的软件报警功能,每一个测量不限报警设定数量,可以基于报警等级分类数据等。

在线健康预诊断系统以OPC(Object Linking and Embedding for Process Control,用于过程控制的对象连接与嵌入)方式将水泵相关诊断故障信息提供至上位机监控系统,而无需上位机监控系统对后台振动频谱数据进行分析、诊断。在线健康预诊断系统可以与泵站自动化系统进行数据通讯,将振动报警信息发送到泵站自动化系统,对于较严重的振动或磨损,泵站自动化系统甚至可以采取相应的连锁处理停止机组运行。

通过在线健康预诊断系统,可以实现对水泵等大型设备的预知维修,优化维修机制,提高设备可靠性,最大程度地避免事故突然停机与设备的二次损伤,降低泵站的运行成本。在线健康预诊断系统将传统泵站的事后维修机制转变为事前预防机制,保证泵站有充分的时间和手段来应对可能发生的故障及事故,同时为上级调度中心管理人员对于泵站的管理调度提供了预先性指导。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统。作为辅助输水调度人员及时掌握配水系统实际运行工况,并实施科学调度控制的自动化信息管理系统,其控制信息的流向决定着整个系统的可靠性及实时性。

SCADA系统的典型控制信息流向有如下2种方案(见图1、图2)。

本方案在调度中心内设置2台实时数据采集服务器作为所有操作站及应用系统的实时数据平台。系统直接从网络上与现场PLC通讯,采集下属泵站群的数据,控制现场的设备。该方案优点是数据平台统一,扩展简单,应用服务接口统一,适合大规模系统;2台实时数据采集服务器互为热备份,数据可靠性高。缺点是前期投入较大,并且当网络出现故障时,调度中心工作站无法及时采集泵站现场PLC的实时数据,会导致历史数据的缺失。

本方案中,调度中心系统同方案1,不同之处在于考虑数据的安全性,在各泵站分别增加1台现场数据服务器,用于PLC数据的实时采集及历史存储。

正常工作情况下,调度中心接受泵站现场服务器的实时数据;当网络故障时,泵站现场服务器正常工作,网络恢复时,自动将故障期的数据补发上传至调度中心;当泵站现场服务器发生故障时,调度中心数据服务器会自动将数据源指向现场PLC,以保证实时数据采集的不中断。通过以上几步措施的配合,能较全面地保证数据采集的完整性和可靠性。

综合以上各方案比较分析得出,方案2在安全性、实时性、可扩展性等多方面具有明显的优势。

为了保证网络的不间断运行,泵站应配置2台路由器作双机热备,这样其中一台路由器出现问题不会影响网络的正常使用,提高了网络的稳定性,通过两条不同运营商的线路分别连接2台路由器,这样其中一条链路出现问题也不会影响网络的正常使用。

HSRP(Hot Standby Routing Protocol,热备份路由协议)的作用是能够把一台或多台路由器用来做备份,所谓热备份是指当使用的路由器不能正常工作时,候补的路由器能够实现平滑的替换。通常,网络上主机设置一条缺省路由,指向主机所在网段内的一个路由器A,这样,主机发出的目的地址不在本网段的报文将被通过缺省路由发往路由器A,从而实现了主机与外部网络的通信。在这种情况下,当路由器A故障时,本网段内所有以路由器A为缺省路由下一跳的主机将断掉与外部的通信。HSRP实现容错备份功能,保证在路由器出现故障的情况下,继续发往该路由器的数据包不会丢失,能够自动由其他路由器发送出去,达到平滑无缝的网络切换。热备份路由系统拓扑如图3所示。

结合上海市青浦区华新大型居住社区外配套供水管网-凤溪水库泵站及服务站点工程,对上述研究成果进行了应用。

泵站自控系统为以PLC控制为基础的集散型控制系统。设备的软硬件及系统配置按双冗余系统架构标准配置。泵站自控设备的控制模式设三级控制:就地、现场PLC控制站、上级调度中心。上、下控制级之间,下级控制的优先权高于上级。现场PLC控制站及调度中心均通过软件设置“程序自动/设备点动”2种模式。一般情况下,上级调度中心负责远程监视泵站运行及必要的参数调整与设备点动,泵房各流程的设备自动控制均由现场PLC站完成。

根据无人值守管理模式水平的要求,全面配置液位、压力、温度、流量、水质过程在线检测仪表以及温湿度、火灾探测、有毒惰性气体探测等环境监测仪表。

泵站设置在线健康预诊断系统,主要包括水泵机组的振动传感器、转速传感器、振动状态监测模块、振动信号分析工控机等硬件设备以及振动监测软件、实时监测诊断软件、OPC通讯软件等软件设备。

SCADA数据信息采集流向如图4所示。

在各泵站现场分别设置1台实时数据采集服务器。正常工作情况下,调度中心接受泵站现场服务器的实时数据;当网络故障时,泵站现场服务器正常工作,网络恢复时,自动将故障期的数据补发上传至调度中心;当泵站现场服务器发生故障时,调度中心数据服务器会自动将数据源指向现场PLC,以保证实时数据采集的不中断。

调度中心内设置冗余SCADA数据采集服务器、工程师站、GPRS/3G服务器及历史数据库服务器等设备。冗余SCADA数据采集服务器通过心跳线设置成一个冗余对,作为所有工程师站及应用系统的实时数据平台。GPRS服务器在两条主干通讯网络出现故障时,可作为第3条备用通讯网络,保证数据传输不中断。

另外考虑设置一个备用中心,当调度中心出现故障时,接管调度任务,接受泵站群上传的SCADA数据,并按照控制策略和运预案对各泵站进行控制。当调度中心故障恢复时,交还调度权限。

通讯网络分为站点内部网络和站间主干通讯网络。

站点内部网络根据泵站内及调度中心内部的信息流向确定,分为泵站内部局域网和调度中心内部局域网。

泵站内部局域网基于百兆以太网交换机建立,在交换机至主干通讯网络的接入端设置泵站接入路由器,路由器可以使用虚拟子接口的方式来区分各泵站的电路并与各泵站进行通信,使系统达到高可用与线路热备的目的。

调度中心的内部局域网采用千兆以太网技术,并与SCADA系统实时监控网络集成。主干以太网交换机选型考虑电源、主线背板、接口均采用冗余配置。

站间主干通讯网络上承载的信息分为用于泵站群现场PLC控制的SCADA信息和用于泵站群安防管理信息。

由于SCADA信息对实时性的要求很高,为了防止在网络带宽有限的情况下,实时性要求相对较低的突发安防管理信息占用带宽过多,导致SCA-DA数据流无法正常通信,网络通讯结构采用2组网络,一组用于传输SCADA信息,另一组用于传输安防管理信息。同时安防管理信息的传输回路作为SCADA信息传输的备用回路。在SCADA数据通讯回路中断时,自动无缝切换至该备用回路。网络结构拓扑如图5所示。

各泵站和调度中心分别使用2台路由器和2台交换机组成基础网络,租用2M的MSTP网络用于SCADA数据的通讯,租用10 M VLAN的网络用于安防管理等其他数据的通讯。各下属泵站的SCADA数据通过2M MSTP网络传送到上级调度中心,当2 M MSTP网络出现故障时,通过设置链路状态自动侦测及时检测出链路的通断状态,并配合使用浮动静态路由将SCADA数据的通路即时切换到10 M VLAN网络,当2 M MSTP网络修复后再自动切换回来。同样的原理,从调度中心到各泵站的数据传送也可以做到双链路自动切换。备用中心通过租用的10 M VLAN电路可以与各泵站直接保持数据的交互,做到泵站数据的实时备份,调度中心与备用中心的数据可以通过互联网络定期进行一致性校验。

依托无人值守给水泵站群自动化系统,可以有效保证城市供水管网运行管理的安全性,同时可以有效降低供水部门的运营成本,并可以在供水行业的现代化管理水平和自动化水平的发展方面起到一定的助推作用,具有十分重要的现实意义。