徐　敏，姚年春，丁　琳,2

(1.江蘇財經職業(yè)技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安　223002； 2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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公路隧道排水泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

徐敏1，姚年春1，丁琳1,2

(1.江蘇財經職業(yè)技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安223002； 2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：針對某隧道泵站自動化水平低、配套管理滯后、在汛期存在安全事故隱患的實際情況，構建以可編程自動化控制器(PAC)為核心的智能化泵站監(jiān)控系統(tǒng)，討論整個系統(tǒng)的控制方案，對相關控制策略的基本原理、軟硬件設計方法以及基于Kingview 6.55的上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)進行具體介紹。系統(tǒng)實現(xiàn)了在線監(jiān)控、均衡調度、故障保護等功能，提高了泵站的動態(tài)管理水平，優(yōu)化了水泵的運行性能，具有良好的實際應用前景。

關鍵詞：公路隧道；排水泵站；PAC；監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

下穿隧道作為公路改造工程中廣泛應用的地下空間交通基礎設施，對提高交通運載能力，解決擁堵問題有顯著的推進作用。但是，在日常運營過程中，受極端天氣下路面積水的匯入、墻體的滲透涌水等因素的影響，隧道內部往往產生較多的來水聚集。因此，為確保及時排除積水，保障隧道的通行安全，與下穿隧道建設相配套的排水泵站成為一個關鍵因素。目前，較多的公路隧道排水泵站的運行仍依賴于人工[1]。在一些隧道中也有采用水泵監(jiān)控系統(tǒng)的先例，但其監(jiān)控功能單一，難以實現(xiàn)對設備運行數(shù)據的動態(tài)采集與高效管理，現(xiàn)場數(shù)據依靠電纜進行遠程傳輸，鋪設成本高、擴展性能差且容易受到外部干擾，難于適應公路隧道環(huán)境，這些都在一定程度上提高了水泵的故障發(fā)生概率，為隧道防汛排澇工作增添了隱患[1]。同時，系統(tǒng)上位機的可視化程度較低，不具備設備運行數(shù)據的后期統(tǒng)計及趨勢分析能力，缺乏一定的預見性[2]。本設計針對某公路隧道排水泵站的工作條件與要求，提出了基于PAC的新型系統(tǒng)控制方案，對設計過程中的分布式I/O控制技術、系統(tǒng)通信機理、智能化管理程序與上位機監(jiān)測程序編寫等相關性問題進行探討。

1隧道排水系統(tǒng)分析

1.1控制對象

某公路隧道的最低點高于地下水位6 m左右，設計時忽略排除地下水。在隧道的最低處配備有半地下式排水泵站，集水池位于下部，站內采用3臺400QW1500-10-75型大流道潛水泵(2用1備)并聯(lián)排水。隧道盆地處積水通過泵站提升后流入壓力窖井，最終匯入市政雨水管道。

系統(tǒng)監(jiān)測物理量為集水池水位及水泵運行參數(shù)，泵站控制現(xiàn)場的檢測裝置包括水位計、轉速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器與智能電量變送器等。系統(tǒng)能夠利用變頻器控制水泵配套電機的轉速，以控制排水速度。

泵站抽排水的監(jiān)控過程描述如下：1)多種途徑流入隧道的積水沿排水溝流入泵站集水井[3]；2)通過主要監(jiān)測裝置測量現(xiàn)場實時數(shù)據；3)將監(jiān)測數(shù)據傳送至控制器，經軟件算法判斷，實現(xiàn)泵站各水泵的啟?？刂疲员ＷC水泵安全可靠運行，為隧道交通的安全暢通提供保障。

1.2控制策略

根據排水泵站的實際需要，站內每臺泵均采用本地手動控制與遠程半自動、自動控制相結合的運行模式。利用水位傳感器對現(xiàn)場水位信息進行采集，水位由低到高達到限定水位值時，根據各臺泵的使用頻率及時長，逐臺啟動水泵，反之，則逐臺停泵。在水泵啟動運行前，需檢測實時水位、電網參數(shù)、管網壓力等是否滿足運行條件。

控制系統(tǒng)對關鍵調節(jié)參數(shù)集水池水位采用模糊推理在線調整PID參數(shù)。根據程序比較得到預設水位值與實際測量值之間的偏差，經模糊PID運算輸出信號，對變頻器參數(shù)進行調整，以滿足不同時刻系統(tǒng)對水泵電機運行的要求，最終實現(xiàn)排水量的合理調節(jié)[4]。

因為降雨量存在著季節(jié)性差異，為使整個排水泵站獲得較高的安全系數(shù)，通常選擇的排水額定功率較實際需求要大，確保在最大的進水量和集水池最低水位2種極限情況下均能實現(xiàn)快速、高效的排水。所以，很多的排水泵站在大部分時間內都工作在偏離最佳工作點狀態(tài)[5]。為提高水泵運行效率，保證經濟效益，控制現(xiàn)場的控制器利用RS485通訊方式及ModbusRTU通訊協(xié)議實現(xiàn)與變頻器之間的串行通信。變頻器控制水泵配套電機運轉，在電機轉速提升的同時提高頻率與電壓，啟動電流比直接啟動時降低了4～5倍，能夠實現(xiàn)較佳的軟啟動效果。此外，通過變頻調速在停泵時能夠有效避免水錘現(xiàn)象，顯著提高了水泵的工作壽命。同時，水泵的狀態(tài)變化率與動態(tài)響應特性要求都較低，變頻器的節(jié)能功能使其能夠可靠地尋找到電機最佳工作點，保證其取用電流值最小，而效率與功率因素無限趨近于最優(yōu)[6]。

2隧道泵站控制系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)結構框圖

排水泵站控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制級以基于可單獨運行的可編程自動化控制器(PAC)組成的下位計算機為核心?，F(xiàn)場采集的實時數(shù)據通過所提供的I/O模塊完成與PAC之間的通信，經過下位計算機軟件算法處理后的結果，一方面利用PAC具有的PC-based技術下的網絡通訊能力傳送至控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控級計算機，以進行儲存、顯示等后續(xù)工作；另一方面再通過配置的I/O模塊返回相關指令信號至系統(tǒng)的執(zhí)行機構，以控制集水井水位的動態(tài)改變。下位計算機核心部件選用泓格wincon-8000系列PAC，通過其自身配備的I/O擴展卡槽與選用的I-8000系列分布式I/O模塊連接。隧道泵站控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　隧道泵站控制系統(tǒng)總體結構圖

Fig.1General structure of control system of pumping station of highway tunnel

2.2系統(tǒng)通信原理

隧道排水泵站控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制級核心部件PAC與分布式I/O模塊之間的數(shù)據傳輸由基于RS485總線通訊協(xié)議與DCON協(xié)議通信的MODBUS工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)。PAC作為主設備與多個現(xiàn)場采集從設備掛接在一條串行通信總線上，各設備地址具有唯一性。主設備將請求數(shù)據廣播包發(fā)送到各個從設備，RS485數(shù)據通信總線上的全部從設備打開數(shù)據包，并識別是否與自身的地址相對應，若相同就把采集到的數(shù)據傳送至總線。主設備則一直等待至從總線接收新數(shù)據包。PAC控制器利用MODBUS TCP協(xié)議達到與遠程監(jiān)控上位機連接通信的目的。

3硬件的設計與實現(xiàn)

3.1現(xiàn)場控制級

3.1.1主體模塊

考慮到排水泵站現(xiàn)場控制級的I/O點數(shù)并不是很多(約16個模擬量輸入信號，22個數(shù)字量輸入信號，22個數(shù)字量輸出信號)，所以選用了運行于windows CE.NET操作系統(tǒng)7槽的wincon-8731 PAC構建下位機系統(tǒng)。wincon-8731微內核、更快的上電啟動速度、更好的硬實時性能，使其更加適合嵌入式應用。同時，能通過配置的可控制I-8000、I-7000串口I/O模塊的SDK，利用基于PC便于開發(fā)人員的控制軟件進行應用開發(fā)[7]。

3.1.2分布式I/O模塊

實時數(shù)據采集模塊選擇I-7000系列RS485模塊(DCON協(xié)議)，模塊具有自檢功能，其內部的微處理器芯片能夠按照一定的時間間隔自動測試主體模塊PAC的通信正常與否[8]。

根據應用需求，選擇的I/O模塊包括：1)2塊16通道數(shù)字量輸入模塊I-7051，主要用于采集電動機電參量、電動閥位置、真空度等信號；2)2塊8路模擬量輸入模塊I-7017F，主要用于采集集水池水位、配套電機轉速與溫度、水泵出水口壓力等信號；3)2塊12路繼電器輸出模塊I-7061，主要用于輸出數(shù)字量信號至變頻器控制電動機轉速，以及排水泵的啟停。

3.1.3網絡連接模塊

主體模塊wincon-8731提供以太網絡RJ45連接端口/RS232、RS485通訊接口/FRnet兩線制快速通訊接口，用戶可以根據實際需求選擇適當?shù)木W絡接入方式。本設計即選用RS232 GPRS轉換器STG-8600實現(xiàn)與監(jiān)控級計算機的遠距離數(shù)據傳輸。

根據控制系統(tǒng)的工作環(huán)境，兼顧穩(wěn)定性與性價比，在現(xiàn)在固定IP地址緊缺的情況下，考慮到泵站控制系統(tǒng)的容量與數(shù)據傳輸量都不大，用戶通過申請寬帶業(yè)務與公網Internet連接，采用花生殼動態(tài)域名解析服務，實現(xiàn)泵站現(xiàn)場的GPRS-DTU通過GPRS-Internet建立與遠程監(jiān)控級計算機之間的直接連接[9]。

該方案將已注冊的花生殼子域名添加至路由器上，并在所連接的計算機上進行正確的端口映射。打開DTU配置軟件，端口號、波特率與檢驗/數(shù)據/停止位等串口參數(shù)進行定義，并對APN賬號、目標IP或域名、網絡協(xié)議與網絡端口等設備參數(shù)進行設置。服務器端創(chuàng)建虛擬端口，設置完成網絡協(xié)議、本地IP、目標端口與本地端口等參數(shù)后，將GPRS DTU與PAC相連，二者分別供電。

3.1.4觸摸屏模塊

為了便于用戶直接觀察現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據，并選用合理的操作模式以及輸入相關控制指令，本設計選擇觸摸屏作為現(xiàn)場多媒體交互設備。wincon-8731主體模塊利用自帶1倍速的USB1.1端口與DOP-BO3S201高彩觸摸屏相連。

3.1.5變頻器

由于泵站內選用功率75 kW的大流量潛水泵，所以選擇西門子MM430變頻器，其適用電動機容量為75 kW。I-7061接收wincon-8731產生的信號，再將數(shù)字量信號傳送至變頻器，后者產生相應的頻率電壓調整水泵轉速及控制水泵啟停，最終實現(xiàn)泵排水速度的控制與水泵的合理調度?，F(xiàn)場控制級框架結構如圖2所示。

圖2　現(xiàn)場控制級框架結構圖

3.2遠程監(jiān)控級

遠程監(jiān)控級采用普通PC機即可，與現(xiàn)場下位計算機的實時通信速率能夠達到10 m/s。

4軟件的設計與實現(xiàn)

4.1現(xiàn)場控制軟件設計

PAC作為控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對排水泵站現(xiàn)場設備的集中管理。根據系統(tǒng)的控制要求，程序的設計與調試利用ISaGRAF編程軟件來完成。

水泵共有手動、半自動與全自動3種控制模式。手動模式下，工作人員根據經驗判斷集水池水位高度，通過現(xiàn)場開關控制水泵的啟停；半自動模式下，工作人員通過監(jiān)控中心級計算機組態(tài)界面選擇投入運行的水泵數(shù)目、序號及其啟停控制。上述2種控制模式，常用于泵站的維修調試狀態(tài)。自動控制模式下，勿需人工干預，泵站現(xiàn)場相關數(shù)據經PAC分析、計算，綜合考慮集水池實時水位數(shù)據、無故障泵數(shù)目、水泵啟動優(yōu)先級等方面的因素，對水泵進行合理調用。

全自動運行程序設計時，將集水池水位按由低至高的順序依次設定4個水位點。當集水池水位達到水位點2時啟動單泵，若水位持續(xù)上升到水位點3時啟動雙泵，而水位點4被預設為警戒水位，當檢測到實時水位達到該點時，泵站全部水泵啟動運行，并進行報警。停泵時，水位必須回落至水位點2以下。全自動運行程序流程如圖3和圖4所示。

圖3　全自動啟泵運行程序流程圖

圖4　全自動停泵運行程序流程圖

在程序編寫的過程中，6個數(shù)據寄存器(X1—X6)與3個定時器(T1—T3)被平均分給3臺水泵，分別用于存放該臺水泵的運行時間(X1、X3、X5)與次數(shù)(X2、X4、X6)。以1#水泵為例，當其正常啟動時，其相應的接觸器觸點KM12閉合，配置的定時器T1啟動，在達到預設時間后，T1清零并將一個水泵運行信號傳送到累加器。當該臺水泵停止運行時，KM12觸點斷開，累加進程終止。利用對系統(tǒng)時間存儲器的參數(shù)設置，能夠產生1 s的脈沖信號，遵循一定的計算法則即可累加得到該臺水泵的運行時長，并將當前值存入1#水泵的運行時間寄存器(X1)。同時，運行次數(shù)自動加1并存儲(X2)，累加器復位。在1#—3#均停泵后，將比較得到的最短運行時間與最少運行次數(shù)存入相應寄存器(X7、X8)。為防止數(shù)據的溢出，分別用3臺泵的運行時間、次數(shù)減去上述2個極小值，再按照運行次數(shù)最少、時間最短的優(yōu)先順序將3臺泵的序號依次保存到數(shù)據寄存器X9—X11中[10-12]。每臺水泵都有一個電機保護繼電器，當某臺水泵出現(xiàn)故障，則對應的保護器接通，該臺水泵工作停止并保存故障泵序號、合計故障泵運行總時長與次數(shù)、復位累加器。同時，在啟動優(yōu)先級隊列中查詢故障泵的序號，將其后移至寄存器X11中，而其余無故障泵在啟動隊列中依次前移，故障泵退出輪換工作[13-14]。

4.2遠程監(jiān)控軟件設計

PAC與遠程監(jiān)控計算機之間利用無線數(shù)據終端實現(xiàn)數(shù)據傳輸。遠程監(jiān)控中心的監(jiān)控處理軟件采用組態(tài)王6.53開發(fā)，主要分為下述3個主模塊：運行界面模塊、遠程通信模塊、分析管理模塊，各主模塊下另設子模塊，可實現(xiàn)設備的運行參數(shù)預設、設備的監(jiān)視與控制、實時與歷史數(shù)據的分析查詢、超限與故障報警等功能。監(jiān)控處理軟件總體結構圖如圖5所示。

圖5　監(jiān)控處理軟件總體結構圖

在組態(tài)王軟件中，選擇相應的串口通訊參數(shù)，并利用向導對設備進行配置，在對各變量定義及動畫連接完成后，啟動運行DTU設備與組態(tài)王軟件，即可實現(xiàn)數(shù)據的雙向網絡傳輸。組態(tài)王6.53為用戶構造的數(shù)據庫支持現(xiàn)場水位數(shù)據、水泵運行參數(shù)的存儲、查看與輸出，并實現(xiàn)水泵的遠程管理。

5結論與討論

本設計針對目前隧道排水泵站運行可靠性不高、可控性低的狀況，對傳統(tǒng)泵站控制系統(tǒng)進行了硬件設計與軟件編程2方面的優(yōu)化工作，完成了基于PAC的泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了水泵排水過程中的自動啟停、合理調度與故障檢測。同時，結合組態(tài)技術與無線通信技術，完善了系統(tǒng)的遠程控制與實時監(jiān)測能力，保障了整個排水泵站穩(wěn)定、可靠地運行，且在一定程度上節(jié)省了運維支出成本，有效滿足了設計的預期效果。但考慮到隧道排水泵站環(huán)境因素復雜，在系統(tǒng)的后續(xù)研究、開發(fā)過程中可引用更多先進控制理論，使水泵運行達到最有效的狀態(tài)；同時，針對已有的運行統(tǒng)計數(shù)據進一步分析，研究其潛在規(guī)律性，從而優(yōu)化對水泵排水過程的控制，提高系統(tǒng)的控制精度。

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Design of Intelligent Monitoring System of Drainage Pumping Station of Highway Tunnels

XU Min1,YAO Nianchun1,DING Lin1,2

(1.Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering,Jiangsu Vocational College of Finance and Economics,Huaian 223002,Jiangsu,China;2.School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China)

Abstract:An intelligent monitoring system of pumping station of a highway tunnel with programmable automation controller(PAC) as core is built.The control program of above-mentioned system is discussed;the basic principle of related control strategy,design method of software/hardware and the development of long-range monitoring system software are introduced in detail based on Kingview 6.55.Good effects have been achieved by using the monitoring system.

Keywords:highway tunnel;drainage pumping station;programmable automation controller(PAC);monitoring system

收稿日期：2016-01-20;修回日期:2016-03-28

基金項目：2013年度江蘇省淮安市科技支撐計劃項目(HAS2013070)

第一作者簡介：徐敏(1979—)，女，江蘇淮安人，2013 年畢業(yè)于南京理工大學，控制理論與控制工程專業(yè)，碩士，講師、工程師，現(xiàn)從事嵌入式系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。E-mail:13915106806@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.007

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0695-06