0 引言

        东营市赫邦化工有限公司（以下简称赫邦）成立于2010年，占地1500亩，生产装置包括3×10 5 t/年离子膜烧碱、6×10 4 t/年环氧氯丙烷、4×10 4 t/年三氯乙烯、公用工程、污水处理等装置，其中污水处理装置距离中心控制室4km，有线传输施工难度大，投入成本高，后续维护费用高, 水泵的运行、管理以及水位的观察普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低，不适应现代化工厂的管理，影响了生产的安全性和高效性。

 

        随着无线控制技术的迅速发展，以智能化为核心的无线控制器已经逐步取代了有线自动化控制，而且应用于各行各业的自动化控制领域。通过远程监控实现的污水泵站的无人值守，具有广泛的功能和特点，能满足水泵机组起停、故障自诊断和数据处理上的完全自动化，能够长时间稳定地工作，不需要人工干预，达到节约能源和人力资源的功能，提高污水泵站的经济效益和管理水平 [1] 。

为保障水池泵站安全、稳定地运行，科学、准确地进行排水调度，实现排水体系的自动化管理，提高管理质量和管理效率，经过多方考察和论证，建立污水处理站无人值守自动化监控系统势在必行，可以实现污水池泵站的自动化控制和远程监控管理，提高工作效率，并可实现无人值守。

 

1 无线智能控制系统的设计目标

        1）监控中心可以对污水池水位、污水外排流量、变频水泵运行电流、频率及状态进行监测，监控中心可远程控制5台水泵启停、5台变频器调速。

        2）传输网络采用无线传输，实现泵站无线自动化无人值守运行。

        3）无线自动化监控系统编程工作全部嵌入系统，现场安装调试采用无 xu编程傻瓜式硬连接设计，仪表人员即可安装调试维护，彻底杜绝由于专业编程人员离职而导致系统无人编程、维护、瘫痪的弊端。

 

2 污水池泵站无线远程自动化监控系统设计技术方案

1）污水泵站无线远程自动化监控系统主要由无线通信平台、水池泵站远程测控终端、测量仪表设备组成。

2）中心控制室可以查看到整个水池每个泵站的所有监控数据：水池水位、污水外排流量、水泵运行电流、水泵变频器运行、COD分析仪等信号，可远程控制5台水泵启停、5台变频器调速。

3）无线远程自动化监控系统采集数据由智能模块完成，模块检测传感器状态，并将数据通过无线通讯模块传送至控制计算机进行监控显示，控制系统监测信号为多路4~20mA电流信号。

4）DCS显示控制系统通过无线远程自动化监控系统，控制5台水泵启停，其信号为10路无源开关量信号。

5）DCS显示控制系统通过无线远程自动化监控系统，控制5台水泵变频器调速，其信号为5路4mA~20mA电流信号。

6）3台液位计、1台流量计进入无线远程自动化监控系统，进行数据处理显示，其信号为4路4mA~20mA电流信号。

7）通讯平台：分为有线通讯和无线通讯两种，3台液位计、1台流量计与无线远程自动化监控系统信号线接线端子连接；污水池水位、污水外排流量、水泵运行电流、水泵变频器运行信号电流监测，5台水泵远程控制启停、5台变频器远程控制调速与监控中心无线连接。

 

8）自动化控制和本地手动控制：5台水泵采用无线自动化启停控制和本地手动启停控制。

9）泵站远程测控终端：安装在排水泵站现场仪表控制柜里，直接监测现场的数据并发送到监控中心。

10）计量测量：此部分包含现场现有的水位测量液位计、流量计等数据的处理和采集。

 

3 污水处理无线远程监控系统工艺设计流程

        3台7.5KW污水提升泵（1用2备），两台55KW污水外送泵改为变频启动（1用1备）、运行方式，1个污水池设两台液位计，1个沉降池设1台液位计，实现液位的自动测量，污水外排设置电磁流量计1台，用于流量测量显示。

 

4 无线远程监控系统方案实施

4.1 无线控制系统所用设备

        可编程控制器：两套SIEMENS S7-200 Smart。无线传输设备：两套宏电H7922双卡4G工业级VPN路由器。

操作终端：两套MCGS 10寸触摸屏。

        服务器：阿里云服务器，配置：双核2.5G，4G内存，100G存储，带宽10Mbps。在排水泵站现场及厂内监控中心各安装1套无线控制系统，每套控制系统包括1套PLC，1套4G工业机VPN路由器和1套操作终端（10寸触摸屏）。DCS控制系统通过2套无线控制系统的之间的数据传输来完成对排水泵站的监控，构建安全、稳定的无线传输网络。

 

4.2 无线传输设备的选择及网络搭建

        施工现场的移动、联通4G网络已覆盖，为了保证4G网络的传输稳定性，选用宏电H7922双卡4G工业级VPN路由器，手机卡选用联通及移动的4G流量卡，数据传输按每秒更新1次，每次传输100个字节计算，每张卡每个月的流量在256M，套餐可选用300M流量。

 

        可以组建2种不同的4G传输网络，一种是采用4G运营商内网通讯方式，一种是采用公网方式。本方案中所选用的宏电H7922双卡4G工业级VPN路由器，支持VPN功能，为了确保数据传输的安全性，采用VPN进行数据传输。VPN，即虚拟专用网络，其功能是在公用网络上建立专用网络，进行加密通讯。云服务器安装有Windows server2008 R2，在Server系统中构建VPN服务器，并设置VPN内网IP地址段。

 

现场无线数据采集设备选用了PLC，可在PLC中编写排水泵站的自动控制程序，参数设定可以通过现场及调度中心的触摸屏进行设定。监控中心的PLC只完成云服务器与DCS的数据转发，没有其他程序。

 

4.3 无线控制系统的控制模式

4.3.1 控制模式间切换

        控制系统有3个模式切换按钮，分别是“->现场屏控”“-现场自动”和“->DCS模式”，可以根据需要的控制模式点击对应模式的切换按钮，点击模式切换按钮后，对应的指示灯会由灰色变为绿色，表示新切换到的模式生效，同时屏幕上方的模式状态显示也会更新。当系统切换DCS模式时,“DCS手动”和“DCS自动”这两种控制模式的切换使用权，将由监控中心的DCS端来选择使用。

 

        该系统在远程监控中心端为防止DCS系统出现故障，增加监控中心端触摸屏控制模式备用，监控中心这两种操作终端，不能同时使用，同一时间只能选择一种方式使用，切换开关设在监控中心触摸屏“模式设定界面”。

 

4.3.2 现场屏控模式

1）现场屏控模式就是在触摸屏上手动启停设备，手动设置设备（污水泵）的给定频率。

2）泵设备满足屏控手动启停控制的条件

        ①,泵状态：中控指示灯变为绿色说明该设备受PLC系统控制。

        ② 泵状态：故障指示灯为灰色说明没有故障。

        比如“1号泵”满足屏控手动启停的条件，点击其对应下方的“手动启动”按钮，此时水泵状态中输出指示灯会由灰色变为绿色，表示系统已经输出动作，当该水泵状态中运行指示灯变为绿色时，表示系统已收到“1号泵”的运行反馈信号，启动成功。

 

        3）设置给定频率：点击对应泵设备“手调频率”输入框，在弹出的输入键盘中输入要给定的频率值后，点击确定，从而完成给定频率的设定。手调频率设定反馈为：35.0≤ X ≤50.0。

        4）手动停止：在此控制模式下运行中的设备如需要停止运行时，请点击对应设备下的“手动停止”按钮，即可实现设备的手动停止。

        5）模式切换停止运行：在此控制模式下运行中的设备，没有手动停止设备的运行，直接切换到其他控制模式（如现场自动或者DCS模式），此时设备会自动停止工作，相应的手动点也会复位，等下一次控制模式切换回来时，还需要手动开设备。

        6）液位保护：在此控制模式下运行中的设备，当该污水泵设备所在污水池液位低于设定的液位低限（泵锁停）时，系统复位手动启动点，设备停止运行，当液位高于泵解锁设定液位时，污水泵才能被允许手动再次开启。

 

4.3.3 现场自动控制模式

1）现场自动控制模式

        就是系统根据污水池实时液位和液位设定值，来循环开启使用具备自动控制条件的污水泵，达到恒定污水池液位和均衡水泵使用寿命的目的，实现污水站无人值守的能力。

2）污水泵设备满足自动控制的条件

        ①,泵状态：中控指示灯变为绿色说明该设备受PLC系统控制。

        ②,泵状态：故障指示灯为灰色说明没有故障。

        ③,开启泵使能位（泵使能位是对应的泵投入自动控制的开关位）。

 

3）自动控制运行中的液位设定

以污水池为例，对相应的参数设定进行解读

        ①“很好台泵启动液位”当前泵运行数量为0台时，如果液位值＞4.0m时，则开启1台水泵，共1台水泵运行。

        ②“第二台泵启动液位”当前泵运行数量为1台时，如果液位值＞4.5m时，则再开启1台水泵，共两台水泵运行。

        ③“第二台泵停止液位”当前泵运行数量为2台时，如果液位值≦4.0m时，则关闭1台水泵，1台水泵运行。

        ④“很好台泵停止液位”当前泵运行数量为1台时，如果液位值≦3.5m时，则关闭1台水泵，没有水泵运行。

 

4）污水泵队列运行，均衡使用寿命

        ①,,现场自动模式启动时，系统把符合自动控制的泵设备按照累积运行时间的大小排序到备用队列，把相对累积时间少的泵放在备用队列的前面，根据需要**先启动。

        ②,,运行队列里的污水泵停止运行后，经过再启动等待时间，会被放在备用队列的**后面。

        ③,,出现以下情况泵设备会从队列里剔除：

        ◆ 中控信号消失。

        ◆ 泵使能关闭。

        ◆ 泵故障。

        ◆ 单次启动运行累积大于设定值。

        ◆ 启动超时。

 

5）自动模式下设备变频运行

        在自动模式下，PLC控制变频器输出范围在35Hz~50Hz之间。

        当污水池液位值在启泵液位设定值和停泵设定值之间时，系统会根据污水池液位与启泵液位和停泵液位之间的比例系数，在输出范围内以相同比例系数计算出相应的输出频率值，计算公式如下：

        输出频率 = 35.0 + (实时液位值 - 停泵液位) / (启泵液位- 停泵液位) ×15.0

 

4.3.4 DCS自动控制模式

        DCS自动控制模式和现场自动控制模式控制原理相同，都是由PLC执行自动控制，区别在于DCS自动控制模式是监控中心DCS端通过无线4G数据传输来实现模式切换使用，而现场自动控制模式是在现场（污水站）来切换使用。因此，DCS自动控制模式的原理、规则参照现场自动控制模式所述。

 

4.3.5 DCS手动控制模式

        在该模式下通过DCS系统手动开启停止污水泵设备，并设定输出频率。

        液位保护：在此控制模式下运行中的设备，当该污水泵设备所在污水池液位低于设定的液位低限（泵锁停）时，强制污水泵设备停止运行，当液位高于泵解锁设定液位时，污水泵才能被允许启动。

 

4.3.6 监控中心触摸屏手动控制模式

        该模式下操作方式和现场屏控模式类似，操作方法请参照现场屏控控制模式所述。

 

4.3.7 监控中心触摸屏自动控制模式

        监控中心触摸屏自动控制模式和现场自动控制模式控制原理相同，都是由PLC执行自动控制，区别在于监控中心触摸屏自动控制模式是监控中心触摸屏端通过无线4G数据传输来实现模式切换使用，而现场自动控制模式是在现场（污水站）来切换使用。因此，监控中心触摸屏自动控制模式的原理、规则参照现场自动控制模式所述。设定的参数具有断电保存功能，系统更换测量仪表后点击对应通道名称重新设定量程值。

 

5 无线监控系统通讯组成与系统故障分析

1） 通讯网络组成和状态

        ①,,PLC-View：触摸屏和PLC之间的通讯状态。

        ②,,云连接：PLC和云服务器之间的通讯状态。

        ③,,现场-DCS：现场PLC和监控中心PLC之间的通讯状态，如果该连接中断表示现场监控中心通讯中断，监控中心读取现场的数据以及发送到现场的命令将停止刷新，保持显示通讯中断前的数据。

 

2）系统故障分析

        ①,,启动超时：系统启动1台污水泵设备经过10s后，还没有收到该设备的启动信号，系统认为该泵启动超时故障，基于无人值守，该软故障1min后自动清除。

        ②,,变频故障：该故障为变频器故障属于硬故障，出现该故障对应的水泵不能启动，需要专业人员去污水站现场查看故障原因，检查处理引起变频器故障的问题，并复位该故障。

 

6 要点总结

        1）数据传输：现场PLC+4G工业级VPN路由器<------>云服务器<------>监控中心PLC+4G工业级VPN路由器<------>监控中心DCS系统。为保证数据传输的安全性，利用宏电H7922双卡4G工业级VPN路由器及云服务器组建

VPN网络，数据通过VPN网络进行传输。

 

        2）PLC选用SIEMENS S7-200 Smart系列，该系列PLC本身集成一个以太网通信接口，**新的固件已支持ModbusTCP通讯规约，无线数据传输协议采用的便是该通讯规约。

 

        3）水泵的控制方式分为：现场PLC手动控制、现场PLC自动控制、监控中心DCS手动控制以及监控中心DCS自动控制，控制方式的优先级从高到低。

        4）网络中断保护措施：当网络传输中断超过一定时间后，监控中心PLC发出网络中断声光报警信号，此时如果水泵的控制方式为监控中心DCS自动控制，为保证排水泵站的正常运行，水泵的控制方式将无扰切换到现场PLC自动控制。网络恢复后控制方式不会自动切换，需要人为切换。

 

7 效益分析

1）安全可靠性

        拥有多种操作模式。拥有包括远程控制、自动控制和手动控制3种模式，根据情况可以进行切换操作。

对污水泵站水位的变化进行实时监控，根据水量的变化可对透水事故进行早期预警。可按照累计运行时间进行循环启动，每次启动累计运行时间**短的水泵，实现水泵均匀磨损，避免某台水泵经常使用造成设备疲劳或长时间不用造成锈蚀。

 

2）经济性

        避峰填谷，使水泵耗能处于**佳经济运行状态。无人值守泵房以水仓水位作为水泵启停的基本条件，在此条件满足的前提下，再根据均匀磨损的原则、避峰填谷的原则实现水泵启停。

 

        节约人力资源。本设计实现后污水泵站将无人值守，节约抽水工4人，按每人每月4800元计算，每月可节约19200元，年可节约230400元。

 

3）适用性和先进性

        采用无线远程通讯，使数据传输更加快捷准确；地面控制中心实时监测污水水量动态，方便统筹调度管理，实现高效、经济运行；通讯接口规范，可以与全厂的中央控制室监控系统实现信息共享；系统的开放性和可扩展性强。