1引言

排水泵站的主要組成部分是泵房和集水池，泵房中設(shè)置由水泵和動(dòng)力設(shè)備組成的機(jī)組。動(dòng)力設(shè)備通常是電動(dòng)機(jī)（如圖1所示），設(shè)有配電盤(pán)。泵房頂部設(shè)起重設(shè)備，供安裝和檢修時(shí)起吊機(jī)組之用。集水池中設(shè)置機(jī)械或人工清除垃圾的格柵，攔擋粗大的和容易截住的懸浮物，以防水泵阻塞。集水池有一定的儲(chǔ)水容積以利水泵的啟動(dòng)。泵房和集水池通常建在一起；當(dāng)集水池深度較大、地質(zhì)條件又差、只宜采用豎井式構(gòu)造時(shí)，也有分建的。為了便于檢修及運(yùn)轉(zhuǎn)，大多數(shù)泵站設(shè)有檢修閘門(mén)及岔道閘門(mén)。大型泵站常附設(shè)變電間和值班室。

圖1排水泵站示意圖

按照廢水的性質(zhì)，排水泵站有污水泵站、雨水泵站和合流泵站之分。污水泵站常采用離心式污水泵。雨水泵站常采用軸流泵。合流泵站配泵時(shí)要顧及雨天流量和晴天流量的巨大變化，可采用不同類(lèi)型及不同流量的泵組組合以利運(yùn)轉(zhuǎn)，但泵組的品種宜少些。當(dāng)?shù)孛孑^寬暢時(shí)，也可采用螺旋泵。螺旋泵效率較高、能耗較少、不易阻塞、易于維修，宜用于揚(yáng)水量較大、揚(yáng)程較小的場(chǎng)合。小流量的泵房一般采用自動(dòng)操作，大流量泵房則采用自動(dòng)或兼用人工操作。

排水泵站必須及時(shí)把水送走。應(yīng)有備用電源和備用機(jī)組。雨水泵站不經(jīng)常啟用，一般可以不設(shè)備用泵。但平坦而易積水地區(qū)的雨水泵房中的水泵配置，其總?cè)萘靠奢^設(shè)計(jì)頻率流量大20～30％，以利地區(qū)積水時(shí)，加快積水的排出。污水泵站需設(shè)事故排出口時(shí)，應(yīng)取得當(dāng)?shù)匦l(wèi)生主管部門(mén)的同意。

2SCADA系統(tǒng)架構(gòu)

SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA組要用于解決包括工業(yè)廠區(qū)與城市以及城際地理分布的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。

2.1遠(yuǎn)程通訊需求

實(shí)現(xiàn)排水、井群、擋潮、排澇、引水等項(xiàng)目，泵站設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控，集中調(diào)度管理，實(shí)時(shí)采集各種水情、工情數(shù)據(jù)是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。

目前，我國(guó)正在運(yùn)行的泵站多為20世紀(jì)六、七十年代建設(shè)，因受當(dāng)時(shí)技術(shù)、資金、設(shè)備條件的限制，大部分泵站設(shè)備還是采用傳統(tǒng)人工完成的管理和操作方式，長(zhǎng)年老化失修，加上維護(hù)工程師人員短缺，整體素質(zhì)偏低，致使泵站設(shè)備能耗逐年升高，排灌效益銳減，無(wú)法保障構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。這些問(wèn)題已經(jīng)引起中央和地方各級(jí)政府的高度重視，泵站的建設(shè)和大規(guī)模的更新改造已經(jīng)進(jìn)入新的歷史時(shí)期。

為進(jìn)一步提升泵站設(shè)備自動(dòng)化設(shè)施水平，在泵站的建設(shè)和改造中，廣泛的使用了可編程控制器PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC、人機(jī)界面HMI和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品。但在泵站設(shè)備的組網(wǎng)過(guò)程中，通訊線(xiàn)路的建設(shè)還停留在鋪設(shè)專(zhuān)用通訊線(xiàn)纜或采用GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的水平。

鋪設(shè)專(zhuān)用通訊線(xiàn)纜的缺點(diǎn)在于建造成本高、耗能高、耗時(shí)長(zhǎng)，且在很多特殊環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行通訊線(xiàn)纜的建設(shè)，這些制約著泵站建設(shè)和自動(dòng)化的水平。GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量也小、響應(yīng)遲鈍，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制，視頻監(jiān)控，在線(xiàn)進(jìn)行程序上下載和診斷等需求。

2.2排水泵站信息化困境

(1)目前應(yīng)用系統(tǒng)多為信息查詢(xún)服務(wù)，而且數(shù)據(jù)不全面，缺乏針對(duì)城市排水、河道水流的可視化管理和調(diào)度的專(zhuān)業(yè)信息系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)危機(jī)系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)運(yùn)行情況，記錄系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析判斷設(shè)備故障時(shí)，控制器自動(dòng)運(yùn)行保護(hù)程序，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并生成報(bào)表，并通過(guò)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)傳輸至遠(yuǎn)方中控系統(tǒng)。當(dāng)技術(shù)人員排除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障后，控制器根據(jù)操作人員操作信號(hào)，自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。目前先進(jìn)的控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)故障級(jí)別和分類(lèi)，將故障信息分類(lèi)發(fā)送到各個(gè)部門(mén)。

預(yù)警的重大作用在于遠(yuǎn)程中控這邊的不斷完善的智能分析系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的港機(jī)設(shè)備的重要參數(shù)進(jìn)行采集之后，可以通過(guò)智能算法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的安全隱患等進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)修復(fù)，避免安全隱患成為嚴(yán)重的安全事故；

(2)監(jiān)測(cè)站、點(diǎn)數(shù)量不足，且布設(shè)不能滿(mǎn)足日常及防汛調(diào)度實(shí)際需求，對(duì)于容易發(fā)生及曾經(jīng)發(fā)生汛期積水事件的河道、排水泵站、管網(wǎng)等設(shè)施尚無(wú)及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控手段，同時(shí)缺少應(yīng)急便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)包含了上位機(jī)、PLC、工程型變頻器，發(fā)生故障的時(shí)候，核心的不僅僅是中小型設(shè)備上的PLC，診斷需要綜合性的進(jìn)行，包括上位機(jī)、PLC、工程型變頻器，而這些系統(tǒng)所采用的上位機(jī)工具軟件都是不同的，帶上工具到了現(xiàn)場(chǎng)，可以進(jìn)行診斷，但發(fā)生故障時(shí)，如果要等遠(yuǎn)方的維護(hù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)間越久，將可能帶來(lái)物品安全和人身安全事故的可能性越大，所以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)的需求性特別緊迫。而遠(yuǎn)程診斷，一定要和到現(xiàn)場(chǎng)的工程師所能做的一樣，如深入到PLC程序在線(xiàn)，變頻器參數(shù)顯示和控制，上位機(jī)的實(shí)時(shí)組態(tài)和診斷。

(3)雖然部分排水泵站管理單位已實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)，但由于有些系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)分散、技術(shù)水平及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)共享，不能為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供有力的服務(wù)支撐。

3排水泵站運(yùn)行保障中心硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)，針對(duì)排水泵站現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，為了達(dá)到工程師在遠(yuǎn)程運(yùn)行保障中心即可實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)的程序?qū)崟r(shí)在線(xiàn)診斷、實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作的需求，系統(tǒng)SCADA拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2系統(tǒng)SCADA拓?fù)?/p>

排水泵站現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備，可以通過(guò)有線(xiàn)或者站點(diǎn)的WIFI覆蓋系統(tǒng)上到Internet公網(wǎng)，也可以是單獨(dú)上3G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)的方式，連接到運(yùn)行保障中心。

中大型的運(yùn)行保障中心工程的裝備配置舉例如表1所示：

表1裝備配置舉例表

現(xiàn)場(chǎng)端如果是通過(guò)3G上網(wǎng)，連接的是具有Profinet工業(yè)總線(xiàn)的西門(mén)子S7-300PLC系列大型PLC工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)，則需要如下配置如表2所示：

表2所需配置表

不同的配置，對(duì)于排水泵站，可以同時(shí)連接不同數(shù)量的站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)診斷、預(yù)警、維護(hù)、升級(jí)等工作，關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器的程序級(jí)訪(fǎng)問(wèn)，上下載程序、在線(xiàn)診斷都不再是困擾難題，最大化的節(jié)省每一次故障或者調(diào)試需要團(tuán)隊(duì)去現(xiàn)場(chǎng)的大量成本，實(shí)現(xiàn)當(dāng)下的信息化，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由遠(yuǎn)端中央服務(wù)器執(zhí)行的云計(jì)算化，將傳統(tǒng)的工控和IT互聯(lián)網(wǎng)真正的工業(yè)化和信息化的融合。

4排水泵站運(yùn)行保障中心軟件設(shè)計(jì)

4.1原理設(shè)計(jì)

在該安全通訊系統(tǒng)中，軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)協(xié)議進(jìn)行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過(guò)公網(wǎng)傳輸?shù)臅r(shí)候，采用的S-Link協(xié)議，是專(zhuān)用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個(gè)穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運(yùn)行保障中心，通過(guò)SY-RSCM進(jìn)行核對(duì)和驗(yàn)證，再進(jìn)行準(zhǔn)確的安全的解包，傳遞給目標(biāo)對(duì)象。

4.2安全設(shè)計(jì)

通過(guò)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的是針對(duì)排水泵站設(shè)備的全應(yīng)用周期的遠(yuǎn)程管理：安裝、預(yù)警、調(diào)試、故障診斷、升級(jí)，并且注重信息通訊過(guò)程中的安全性，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)遠(yuǎn)程安全通訊模塊的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)向廣域網(wǎng)的擴(kuò)充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對(duì)每一層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容過(guò)濾，入侵偵測(cè)，入侵保護(hù)等功能。并可對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行S-link協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

(2)遠(yuǎn)程安全通訊模塊還帶有身份認(rèn)證技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備認(rèn)證和使用者認(rèn)證，使得工業(yè)數(shù)據(jù)只能在經(jīng)過(guò)了認(rèn)證的模塊直接傳輸，以及有認(rèn)證許可的操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取等。

(3)工業(yè)數(shù)據(jù)在Internet中傳輸過(guò)程中，采用S-Link協(xié)議。這種協(xié)議是專(zhuān)針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸所開(kāi)發(fā)的。它是基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的不通用性，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的特殊要求，以協(xié)議轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確和安全性為首要目標(biāo)的一種非公開(kāi)密鑰方式的專(zhuān)用協(xié)議，采用了RSA算法，密鑰最高為1536位加密非對(duì)稱(chēng)密鑰，公鑰和私鑰結(jié)合使用的方式進(jìn)行加密。S-link協(xié)議的應(yīng)用確保了工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸?shù)臋C(jī)密性，真實(shí)性和完整性。

(4)整個(gè)系統(tǒng)采用了虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)，各個(gè)設(shè)備在邏輯上劃分到了一個(gè)局域網(wǎng)中，滿(mǎn)足了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。同時(shí)，限制了工業(yè)數(shù)據(jù)只能在同一VLAN中傳輸，防止了數(shù)據(jù)在Internet上的廣播，提高了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

5基于賽遠(yuǎn)安全通訊體系的SCADA泵站

5.1賽遠(yuǎn)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)

賽遠(yuǎn)工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊，完全是自主創(chuàng)新的通訊系統(tǒng)，不同于市面上的MODEM撥號(hào)、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場(chǎng)需要電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面的方式，不同于固定IP查找對(duì)方的方式，具有如下顯著的特點(diǎn)：

(1)工程師實(shí)時(shí)分鐘級(jí)的響應(yīng)，實(shí)時(shí)運(yùn)行保障。

(2)全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式。

(3)支持各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUSTCP。

(4)現(xiàn)場(chǎng)視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸。

(5)PLC程序級(jí)控制，數(shù)據(jù)OPC采集。

(6)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雙向傳輸。

(7)架設(shè)和配置簡(jiǎn)單，高效。

(8)最新的賽遠(yuǎn)專(zhuān)利安全通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定。

(9)兩端均不需要固定IP，數(shù)據(jù)直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，無(wú)需經(jīng)過(guò)第三方服務(wù)器。

(10)一次性投入，無(wú)后續(xù)產(chǎn)品服務(wù)費(fèi)用。

(11)支持?jǐn)?shù)據(jù)雙通道軟硬件冗余。

(12)數(shù)據(jù)安全加密最高1536位S-Link加密。

(13)通信安全認(rèn)證方式：支持指紋認(rèn)證、短信認(rèn)證、USBKEY認(rèn)證、U-KEY認(rèn)證；CA認(rèn)證、國(guó)密辦認(rèn)證體系、動(dòng)態(tài)令牌認(rèn)證、X.509數(shù)字證書(shū)認(rèn)證。

(14)密碼保護(hù)措施：采用密碼強(qiáng)度檢測(cè)、周期性更換密碼要求、防暴力破解策略、賬號(hào)鎖定解鎖功能、管理員密碼權(quán)限設(shè)置、軟鍵盤(pán)、圖形驗(yàn)證碼等輸入驗(yàn)證方式。

支持Pad、智能手機(jī)、筆記本、上網(wǎng)本等等設(shè)備遠(yuǎn)程查看、修改等操作。

5.2賽遠(yuǎn)運(yùn)行保障中心功能

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：各泵站每臺(tái)排水泵啟停狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)、電流、電壓等，凡是能集中到可編程控制器中的信息，均可監(jiān)測(cè)。

(2)遠(yuǎn)程控制功能：控制各泵站每臺(tái)排水泵、格柵機(jī)的啟停工作，遠(yuǎn)程切換各泵站每臺(tái)排水泵的控制模式等，凡是接在可編程控制器外圍的設(shè)備，均可遠(yuǎn)程啟?？刂?。

(3)報(bào)警功能：在服務(wù)器中，定時(shí)存儲(chǔ)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、事件報(bào)警信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通訊回到運(yùn)行中心，則可以建立各項(xiàng)參數(shù)預(yù)警保障機(jī)制，如對(duì)污水池液位超過(guò)警戒水位告警、有害氣體超標(biāo)告警等。同時(shí)支持各類(lèi)信息查詢(xún)，可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)生成報(bào)表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。

(4)視頻監(jiān)視：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)將視頻傳輸至信息中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，回放。并可遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)視野，更加人性化。

監(jiān)控界面：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監(jiān)測(cè)多個(gè)泵站視頻和數(shù)據(jù)，也可以切換成單個(gè)泵站的視頻和數(shù)據(jù)顯示。

(5)權(quán)限管理：對(duì)不同的操作使用者授予不同的使用權(quán)限。

(6)開(kāi)放：可以任意增加、減少所監(jiān)控的泵站數(shù)量。預(yù)留與其他系統(tǒng)的通訊接口。

6結(jié)束語(yǔ)

基于PLC、上位機(jī)、變頻器等設(shè)備組成的排水泵站控制和傳動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很好的滿(mǎn)足了排水泵站的整體監(jiān)控和智能化的需求。賽遠(yuǎn)的具有最新專(zhuān)利工業(yè)安全通訊技術(shù)的工業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排水泵站的遠(yuǎn)程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了調(diào)控、維護(hù)、預(yù)警成本，并通過(guò)該系統(tǒng)建立了排水泵站的全生命周期管理系統(tǒng)，在21世紀(jì)，從過(guò)去的排水泵站信息孤島，轉(zhuǎn)型為信息聯(lián)網(wǎng)和集控，是一個(gè)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算化帶來(lái)的巨大轉(zhuǎn)變，目前該系統(tǒng)隨著城市排水泵站的配套，在國(guó)內(nèi)外均運(yùn)行效果良好。

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