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東營市赫邦化工有限公司成立于2010年，占地1500畝，生產(chǎn)裝置包括3×10 5 t/年離子膜燒堿、6×10 4 t/年環(huán)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(xù)維護(hù)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(yīng)現(xiàn)代化工廠的管理，影響了生產(chǎn)的安全性和性。
隨著無線控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以智能化為核心的無線控制器已經(jīng)逐步取代了有線自動化控制，而且應(yīng)用于各行各業(yè)的自動化控制領(lǐng)域。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理上的*自動化，能夠長時間穩(wěn)定地工作，不需要人工干預(yù)，達(dá)到節(jié)約能源和人力資源的功能，提高污水泵站的經(jīng)濟效益和管理水平。
為保障水池泵站安全、穩(wěn)定地運行，科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行排水調(diào)度，實現(xiàn)排水體系的自動化管理，提高管理質(zhì)量和管理效率，經(jīng)過多方考察和論證，建立污水處理站無人值守自動化監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行，可以實現(xiàn)污水池泵站的自動化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，提高工作效率，并可實現(xiàn)無人值守。
1、無線智能控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)
1）監(jiān)控中心可以對污水池水位、污水流量計量、變頻水泵運行電流、頻率及狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程控制5臺水泵啟停、5臺變頻器調(diào)速。
2）傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸，實現(xiàn)泵站無線自動化無人值守運行。
3）無線自動化監(jiān)控系統(tǒng)編程工作全部嵌入系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝調(diào)試采用無需編程傻瓜式硬連接設(shè)計，儀表人員即可安裝調(diào)試維護(hù)，*杜絕由于專業(yè)編程人員離職而導(dǎo)致系統(tǒng)無人編程、維護(hù)、癱瘓的弊端。
2、污水池泵站無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方案
1）污水泵站無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線通信平臺、水池泵站遠(yuǎn)程測控終端、測量儀表設(shè)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(jiān)控數(shù)據(jù)：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(yuǎn)程控制5臺水泵啟停、5臺變頻器調(diào)速。
3）無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)由智能模塊完成，模塊檢測傳感器狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳送至控制計算機進(jìn)行監(jiān)控顯示，控制系統(tǒng)監(jiān)測信號為多路4~20mA電流信號。
4）DCS顯示控制系統(tǒng)通過無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，控制5臺水泵啟停，其信號為10路無源開關(guān)量信號。
5）DCS顯示控制系統(tǒng)通過無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，控制5臺水泵變頻器調(diào)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(jìn)入無線遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)測，5臺水泵遠(yuǎn)程控制啟停、5臺變頻器遠(yuǎn)程控制調(diào)速與監(jiān)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?？刂坪捅镜厥謩訂⑼？刂?。
9）泵站遠(yuǎn)程測控終端：安裝在排水泵站現(xiàn)場儀表控制柜里，直接監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并發(fā)送到監(jiān)控中心。
10）計量測量：此部分包含現(xiàn)場現(xiàn)有的水位測量液位計、流量計等數(shù)據(jù)的處理和采集。
3、污水處理無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工藝設(shè)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(shè)兩臺液位計，1個沉降池設(shè)1臺液位計，實現(xiàn)液位的自動測量，污水外排設(shè)置電磁流量計1臺，用于流量測量顯示。
4、無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案實施
4.1 無線控制系統(tǒng)所用設(shè)備
可編程控制器：兩套SIEMENS S7-200 Smart。
無線傳輸設(shè)備：兩套宏電H7922雙卡4G工業(yè)級VPN路由器。
操作終端：兩套MCGS 10寸觸摸屏。
服務(wù)器：阿里云服務(wù)器，配置：雙核2.5G，4G內(nèi)存，100G存儲，帶寬10Mbps。
在排水泵站現(xiàn)場及廠內(nèi)監(jiān)控中心各安裝1套無線控制系統(tǒng)，每套控制系統(tǒng)包括1套PLC，1套4G工業(yè)機VPN路由器和1套操作終端（10寸觸摸屏）。DCS控制系統(tǒng)通過2套無線控制系統(tǒng)的之間的數(shù)據(jù)傳輸來完成對排水泵站的監(jiān)控，構(gòu)建安全、穩(wěn)定的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。
4.2 無線傳輸設(shè)備的選擇及網(wǎng)絡(luò)搭建
施工現(xiàn)場的移動、聯(lián)通4G網(wǎng)絡(luò)已覆蓋，為了保證4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸穩(wěn)定性，選用宏電H7922雙卡4G工業(yè)級VPN路由器，流量卡選用聯(lián)通及移動的4G流量卡，數(shù)據(jù)傳輸按每秒更新1次，每次傳輸100個字節(jié)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(wǎng)絡(luò)，一種是采用4G運營商內(nèi)網(wǎng)通訊方式，一種是采用公網(wǎng)方式。本方案中所選用的宏電H7922雙卡4G工業(yè)級VPN路由器，支持VPN功能，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕捎肰PN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
VPN，即虛擬網(wǎng)絡(luò)，其功能是在公用網(wǎng)絡(luò)上建立網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行加密通訊。云服務(wù)器安裝有Windows server2008 R2，在Server系統(tǒng)中構(gòu)建VPN服務(wù)器，并設(shè)置VPN內(nèi)網(wǎng)IP地址段。
現(xiàn)場無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用了PLC，可在PLC中編寫排水泵站的自動控制程序，參數(shù)設(shè)定可以通過現(xiàn)場及調(diào)度中心的觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。監(jiān)控中心的PLC只完成云服務(wù)器與DCS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，沒有其他程序。
4.3 無線控制系統(tǒng)的控制模式
4.3.1 控制模式間切換
控制系統(tǒng)有3個模式切換按鈕，分別是“->現(xiàn)場屏控”“-現(xiàn)場自動”和“->DCS模式”，可以根據(jù)需要的控制模式點擊對應(yīng)模式的切換按鈕，點擊模式切換按鈕后，對應(yīng)的指示燈會由灰色變?yōu)榫G色，表示新切換到的模式生效，同時屏幕上方的模式狀態(tài)顯示也會更新。
當(dāng)系統(tǒng)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(quán)，將由監(jiān)控中心的DCS端來選擇使用。
該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端為防止DCS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，增加監(jiān)控中心端觸摸屏控制模式備用，監(jiān)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(guān)設(shè)在監(jiān)控中心觸摸屏“模式設(shè)定界面”。
4.3.2 現(xiàn)場屏控模式
1）現(xiàn)場屏控模式就是在觸摸屏上手動啟停設(shè)備，手動設(shè)置設(shè)備（污水泵）的給定頻率。
2）泵設(shè)備滿足屏控手動啟?？刂频臈l件
①,泵狀態(tài)：中控指示燈變?yōu)榫G色說明該設(shè)備受PLC系統(tǒng)控制。
② 泵狀態(tài)：故障指示燈為灰色說明*。
比如“1號泵”滿足屏控手動啟停的條件，點擊其對應(yīng)下方的“手動啟動”按鈕，此時水泵狀態(tài)中輸出指示燈會由灰色變?yōu)榫G色，表示系統(tǒng)已經(jīng)輸出動作，當(dāng)該水泵狀態(tài)中運行指示燈變?yōu)榫G色時，表示系統(tǒng)已收到“1號泵”的運行反饋信號，啟動成功。
3）設(shè)置給定頻率：點擊對應(yīng)泵設(shè)備“手調(diào)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(shè)定。手調(diào)頻率設(shè)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(shè)備如需要停止運行時，請點擊對應(yīng)設(shè)備下的“手動停止”按鈕，即可實現(xiàn)設(shè)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(shè)備，沒有手動停止設(shè)備的運行，直接切換到其他控制模式（如現(xiàn)場自動或者DCS模式），此時設(shè)備會自動停止工作，相應(yīng)的手動點也會復(fù)位，等下一次控制模式切換回來時，還需要手動開設(shè)備。
6）液位保護(hù)：在此控制模式下運行中的設(shè)備，當(dāng)該污水泵設(shè)備所在污水池液位低于設(shè)定的液位低限（泵鎖停）時，系統(tǒng)復(fù)位手動啟動點，設(shè)備停止運行，當(dāng)液位高于泵解鎖設(shè)定液位時，污水泵才能被允許手動再次開啟。
4.3.3 現(xiàn)場自動控制模式
1）現(xiàn)場自動控制模式
就是系統(tǒng)根據(jù)污水池實時液位和液位設(shè)定值，來循環(huán)開啟使用具備自動控制條件的污水泵，達(dá)到恒定污水池液位和均衡水泵使用壽命的目的，實現(xiàn)污水站無人值守的能力。
2）污水泵設(shè)備滿足自動控制的條件
①,泵狀態(tài)：中控指示燈變?yōu)榫G色說明該設(shè)備受PLC系統(tǒng)控制。
②,泵狀態(tài)：故障指示燈為灰色說明*。
③,開啟泵使能位（泵使能位是對應(yīng)的泵投入自動控制的開關(guān)位）。
3）自動控制運行中的液位設(shè)定
以污水池為例，對相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行解讀
①“*臺泵啟動液位”當(dāng)前泵運行數(shù)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(dāng)前泵運行數(shù)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(dāng)前泵運行數(shù)量為2臺時，如果液位值≦4.0m時，則關(guān)閉1臺水泵，1臺水泵運行。
④“*臺泵停止液位”當(dāng)前泵運行數(shù)量為1臺時，如果液位值≦3.5m時，則關(guān)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(xiàn)場自動模式啟動時，系統(tǒng)把符合自動控制的泵設(shè)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(jù)需要zui先啟動。
②,,運行隊列里的污水泵停止運行后，經(jīng)過再啟動等待時間，會被放在備用隊列的zui后面。
③,,出現(xiàn)以下情況泵設(shè)備會從隊列里剔除：
◆ 中控信號消失。
◆ 泵使能關(guān)閉。
◆ 泵故障。
◆ 單次啟動運行累積大于設(shè)定值。
◆ 啟動超時。
5）自動模式下設(shè)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(dāng)污水池液位值在啟泵液位設(shè)定值和停泵設(shè)定值之間時，系統(tǒng)會根據(jù)污水池液位與啟泵液位和停泵液位之間的比例系數(shù)，在輸出范圍內(nèi)以相同比例系數(shù)計算出相應(yīng)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(xiàn)場自動控制模式控制原理相同，都是由PLC執(zhí)行自動控制，區(qū)別在于DCS自動控制模式是監(jiān)控中心DCS端通過無線4G數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)模式切換使用，而現(xiàn)場自動控制模式是在現(xiàn)場（污水站）來切換使用。因此，DCS自動控制模式的原理、規(guī)則參照現(xiàn)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(tǒng)手動開啟停止污水泵設(shè)備，并設(shè)定輸出頻率。
液位保護(hù)：在此控制模式下運行中的設(shè)備，當(dāng)該污水泵設(shè)備所在污水池液位低于設(shè)定的液位低限（泵鎖停）時，強制污水泵設(shè)備停止運行，當(dāng)液位高于泵解鎖設(shè)定液位時，污水泵才能被允許啟動。
4.3.6 監(jiān)控中心觸摸屏手動控制模式
該模式下操作方式和現(xiàn)場屏控模式類似，操作方法請參照現(xiàn)場屏控控制模式所述。
4.3.7 監(jiān)控中心觸摸屏自動控制模式
監(jiān)控中心觸摸屏自動控制模式和現(xiàn)場自動控制模式控制原理相同，都是由PLC執(zhí)行自動控制，區(qū)別在于監(jiān)控中心觸摸屏自動控制模式是監(jiān)控中心觸摸屏端通過無線4G數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)模式切換使用，而現(xiàn)場自動控制模式是在現(xiàn)場（污水站）來切換使用。因此，監(jiān)控中心觸摸屏自動控制模式的原理、規(guī)則參照現(xiàn)場自動控制模式所述。
設(shè)定的參數(shù)具有斷電保存功能，系統(tǒng)更換測量儀表后點擊對應(yīng)通道名稱重新設(shè)定量程值。
5、無線監(jiān)控系統(tǒng)通訊組成與系統(tǒng)故障分析
1） 通訊網(wǎng)絡(luò)組成和狀態(tài)
①,,PLC-View：觸摸屏和PLC之間的通訊狀態(tài)。
②,,云連接：PLC和云服務(wù)器之間的通訊狀態(tài)。
③,,現(xiàn)場-DCS：現(xiàn)場PLC和監(jiān)控中心PLC之間的通訊狀態(tài)，如果該連接中斷表示現(xiàn)場監(jiān)控中心通訊中斷，監(jiān)控中心讀取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)以及發(fā)送到現(xiàn)場的命令將停止刷新，保持顯示通訊中斷前的數(shù)據(jù)。
2）系統(tǒng)故障分析
①,,啟動超時：系統(tǒng)啟動1臺污水泵設(shè)備經(jīng)過10s后，還沒有收到該設(shè)備的啟動信號，系統(tǒng)認(rèn)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(xiàn)該故障對應(yīng)的水泵不能啟動，需要專業(yè)人員去污水站現(xiàn)場查看故障原因，檢查處理引起變頻器故障的問題，并復(fù)位該故障。
6、要點總結(jié)
1）數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)場PLC+4G工業(yè)級VPN路由器<------>云服務(wù)器<------>監(jiān)控中心PLC+4G工業(yè)級VPN路由器<------>監(jiān)控中心DCS系統(tǒng)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，利用宏電H7922雙卡4G工業(yè)級VPN路由器及云服務(wù)器組建VPN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過VPN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(wǎng)通信接口，的固件已支持ModbusTCP通訊規(guī)約，無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用的便是該通訊規(guī)約。
3）水泵的控制方式分為：現(xiàn)場PLC手動控制、現(xiàn)場PLC自動控制、監(jiān)控中心DCS手動控制以及監(jiān)控中心DCS自動控制，控制方式的優(yōu)先級從高到低。
4）網(wǎng)絡(luò)中斷保護(hù)措施：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷超過一定時間后，監(jiān)控中心PLC發(fā)出網(wǎng)絡(luò)中斷聲光報警信號，此時如果水泵的控制方式為監(jiān)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(xiàn)場PLC自動控制。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)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(yuǎn)程控制、自動控制和手動控制3種模式，根據(jù)情況可以進(jìn)行切換操作。
對污水泵站水位的變化進(jìn)行實時監(jiān)控，根據(jù)水量的變化可對透水事故進(jìn)行早期預(yù)警。
可按照累計運行時間進(jìn)行循環(huán)啟動，每次啟動累計運行時間zui短的水泵，實現(xiàn)水泵均勻磨損，避免某臺水泵經(jīng)常使用造成設(shè)備疲勞或長時間不用造成銹蝕。
2）經(jīng)濟性
避峰填谷，使水泵耗能處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。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(jù)均勻磨損的原則、避峰填谷的原則實現(xiàn)水泵啟停。
節(jié)約人力資源。本設(shè)計實現(xiàn)后污水泵站將無人值守，節(jié)約抽水工4人，按每人每月4800元計算，每月可節(jié)約19200元，年可節(jié)約230400元。
3）適用性和先進(jìn)性
采用無線遠(yuǎn)程通訊，使數(shù)據(jù)傳輸更加快捷準(zhǔn)確；地面控制中心實時監(jiān)測污水水量動態(tài)，方便統(tǒng)籌調(diào)度管理，實現(xiàn)、經(jīng)濟運行；通訊接口規(guī)范，可以與全廠的中央控制室監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享；系統(tǒng)的開放性和可擴展性強。
