**井下水仓泵站自动化无人值守远程控制系统方案

第一章 项目总论

1.1. 项目背景

**公司目前 600 平面井下排水目前设置了 3 台型号为 1D155-67*4 水泵，配套 200KW 电机及软启动器，水泵站与调度中心网络已有。

为进行人员优化，减排水岗位人员，满足公司人力优化改革，提升井下作业 安全性，需要对水仓进行自动排水改造，把井下排水操作移到地表集中操作控制， 达到减少人员的主要目的，同时利用自动系统智能排水减少电费支出，提升井下 排水安全远程监管水平。

1.2. 建设目标

通过水仓泵站自动化无人值守远程控制系统的实施应用，实现以下建设目标：

1)实现对井下水泵的远程集中控制，提升自动化控制水平，降低劳动强度，提高生产人员作业效率。

2)通过对井下水泵的自动调节和故障预警，提升井下排水系统的运行经济 性、可靠性和安全性。

3)通过本项目实施，大幅减少人员井下作业时间，降低生产安全风险。

1.3. 建设要求

1.3.1. 设计原则

1) 先进性原则 系统设计采用成熟先进的网络技术、数据库技术、交换技术、优化控制等应用于工业控制的先进技术，确保今后较长一段时期内系统先进可用。

2) 可行性原则

系统实现要保证技术上的可行性，适合用户的实际，满足全部功能需求。

3) 实用性原则 系统设计立足于满足工业控制与信息共享的需求，以实际工作为出发点，充分利用现有网络资源，根据实际工作需要进行规划设计。

4) 成熟性原则

硬件系统、应用软件系统、业务流程、开发工具等都相对成熟。

5) 安全性原则

既考虑信息资源的充分共享，更要注意信息的保护和隔离，因此系统应分别 针对不同的应用和不同的网络通信环境，采取不同的措施，包括系统安全机制、 数据存取的权限控制等，针对生产人生安全及设备安全重点考虑，确保操作人员 人身安全及系统设备运行安全。

6) 稳定性原则

系统有较高的稳定性，当系统出现问题后能在较短的时间内恢复，保证系统的长期稳定。

7) 可靠性原则

系统是可靠的，一般的外部异常事件不会引起系统崩溃。出现故障后也能保 证数据的完整。

8) 可扩展性原则 具有兼容性强的接口和方便的二次开发能力，便于系统扩展和完善。

9) 开放性原则

保证与其他应用系统的互通、互联，采用标准的数据交换方式，保证数据共 享。

1.3.2. 范围要求

系统建设范围包括对公司井下 600m 平面水仓泵站原有排水装置电气系统 进行改造，建设先进自动化无人值守远程集中控制排水系统，报价范围覆盖系统 的详细设计、元器件采购、系统集成、设备供货、安装调试、系统培训等。

为节约投资，本次改造中原有排水泵、软启动器、管路阀门及其它部分网络 设备尽可能利旧。

1.3.3. 功能要求 系统建设功能主要包括：

1) 实现对井下水泵的集中远程启停、水泵状态（振动、温度、电压、电流 等）监视；

2) 实现对井下排水状态，包括液位、流量、压力等数据进行远程监视；

3) 实现对井下水泵运行状态的远程视频监视；

4) 实现对水泵手自动启停和流量调节控制，根据需要远程动态调整排水量。

第二章 总体规划设计

2.1. 管路系统图

详见附件《系统管路图》。

2.2. 控制系统架构设计 本系统架构如图所示：

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2.3. 网络规划

本次网络系统需要新建，鉴于现场情况，本方案推荐使用星型网络搭建，网 络介质采用室外铠装单模光纤（利旧，需要落实规格型号），主干网千兆带宽， 实现在调度中心集中监控的功能。

第三章 系统方案设计

3.1. 电气方案

经调研，现场 3 台水泵电气拖动方式均为软起动器驱动。根据现场配置情况 看，不具备自动调节功能和远程监控功能。

为实现远程集中控制目的，本次利用原电气系统中的软启动器设备，实现水泵平稳启动和动态调节排水流量目的。

3.2. 控制系统方案

3.2.1. 总体规划

由于水泵房与控制中心之间相互距离较远，为保证控制的安全性，在水泵房

现场就近配置控制系统，确保在网络出现故障的情况下，排水系统能够正常运行， 保障井下排水安全。

3.2.2. 自控系统网络链路隔离措施

自控系统网络链路采用上下层隔离的方式，具体做法如下：

1) CPU 自带的以太网口用于与远程 I/O 子站、触摸屏、软启动器、智能仪 表等设备通信；

2) CPU 机架增加一块以太网 CP 模块，专门用于与上位机通信。 提出上述建议的原因在于：若用以太网模块与底层设备通信，则 CPU 将直接连接到上层监控网络中与上位机通信。这样一来，不仅 CPU 与底层设备的通 信实时性会降低（毕竟增加了以太网模块中转这一环节），更重要的在于：CPU 将直接暴露于上层监控网络中，整个控制系统的网络安全性将大大降低。 3.2.3. 控制器配置

本方案配置西门子 1200 系列 PLC，同时配置相应的输入输出模块，采集现

场仪表数据，并与软启动器进行接口，控制软启动器运行。电机运行电流、电压 等参数通过 RS485 方式从软启动器采集获取。

控制器参数如下：

SIMATIC S7-1200，CPU 1214C， 紧凑型 CPU，DC/DC/DC，机载 I/O：14

个 24VDC 数字输入；10 个 24VDC 数字输出；2AI 0-10VDC，电源：直流 20.4- 28.8VDC，程序/数据存储器 100KB。

3.2.4. 控制编程软件

控制编程软件采用西门子博图软件，通过控制系统硬件对现场执行层进行检测及逻辑控 制。作为一切未来软件工程组态包的基础，可对全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动 产品进行组态、编程和调试。作为所有软件工程组态包的一个集成组件，平台在所有组态界

面间提供高级共享服务，向用户提供统一的导航并确保系统操作的一致性。例如，自动化系

统中的所有设备和网络可在一个共享编辑器内进行组态。在此共享软件平台中，项目导航、 库概念、数据管理、项目存储、诊断和在线功能等作为标准配置提供给用户。统一的软件开 发环境由可编程控制器、人机界面和驱动装置组成，有利于提高整个自动化项目的效率。此 外，在控制参数、程序块、变量、消息等数据管理方面，所有数据只需输入一次，大大减少 了自动化项目的软件工程组态时间，降低了成本。控制软件的设计基于面向对象和集中数据 管理，避免了数据输入错误，实现了无缝的数据一致性。使用项目范围的交叉索引系统，用 户可在整个自动化项目内轻松查找数据和程序块，极大地缩短了软件项目的故障诊断和调试 时间。

3.2.4.1. PLC 输入信号抗干扰处理

PLC 输入信号有时易受电磁干扰，导致信号的不稳定，影响操控结果，甚至 影响生产的正常运行，导致设备跳机等事故。因此，在客观硬件条件限制的情况 下，需要这对信号处理采取一定的软件层面滤波等抗干扰措施。具体做法如下：

（1） 开关量信号处理

对于开关量信号，有可能因继电器吸合不牢靠而导致信号频繁跳动或干扰造 成信号瞬间改变等情况，可采用常规的定时延时滤波方法

（2） 模拟量信号处理

对参与控制的模拟量信号，在 PLC 程序处理时，采取信号滤波+断线自动判 断并用预先设定好的替代值参与控制的方法。具体做法为：

1) 软件滤波

滤波公式：

Out=(In-Out)*K+Out；

也即：本周期滤波值=(滤波前的值-上一周期滤波值)*滤波系数+上一周期滤 波值。

0<< span="">滤波系数<=1< span="">，为 1 时表示无滤波，滤波系数越小，滤波功能越强。 该滤波方法可屏蔽掉常见的阶跃信号，且不存在其他滤波方法（如：限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、一阶滞后滤波等）所具有的计算延迟、信号响应 慢、不能对信号连续滤波、占用存储资源等缺点。

该滤波方法简洁明了，实际使用时只需设定一个滤波系数即可。

2) 断线替代值

在自控系统所选择的模拟量输入信号模块均采用带诊断功能的模块的前提

下。当模拟量输入信号出现断线时，PLC 系统自动触发一个硬件中断，可通过该 中断结合模拟量输入信号的 A/D 转换值对信号进行替代值处理。即当断线时， PLC 程序自动采用一个预先设定好的替代值（如：压力 0.3MPa）参与过程控制， 避免信号中断造成过程控制异常而影响工艺质量或不必要的停机、减产等。

3) 仿真替代值

即，非常情况下，可由用户手工输入一个仿真值，替代有问题的信号实际计

算值，待问题处理完毕后，再退出仿真即可。

该功能可由上位机操作面板的“进入仿真/退出仿真”按钮进行切换。如下图 所示：

（3） 关键连锁信号处理

针对可能因错误带来严重控制后果的关键连锁信号，建议尽量通过硬接线方 式实现，避免因网络延迟等原因造成的信号延迟、信号中断等造成系统控制失误， 最大限度降低控制风险。

3.2.4.2. 均衡运行策略

为保证系统设备的正常寿命，本方案中软件策略中会采用均衡运行策略，在 自动启停的时候，自动根据水泵累计运行周期自动切换运行，确保设备运行时间 均衡，延长设备使用寿命。

3.2.5. 监控平台软件

本方案选择西门子 SIMATIC WinCC 作为监控系统软件平台，在该平台软件 之上自行开发适用于本项目的相关功能，确保监控平台与控制器之间的无缝集成。

本系统采用的监控软件具有强大的自动化过程控制功能，具有很高性价比。

具有高度的开放性，用户可应用此作为系统扩展的基础，通过开放接口开发自己 的应用软件，通过标准接口能很容易集成到全厂范围的应用系统中。工程师站安 装组态软件开发版，负责组态画面开发，以及系统升级和维护。操作员工作站安 装组态软件运行版，负责控制各个子系统，增加了安全性和可靠性。

监控软件系统采用全中文平台界面，直观易用，窗体层级结构，多线程技术， 能实现多任务稳定可靠地运行。

监控系统软件设置主画面，展示所有水泵运行状态、排水流量、管网压力、 水仓液位等。

监控系统主画面结构及风格如下图所示：

水泵启停控制参考画面如下图所示：

过程调控主要是传统的 PID 控制，其操作界面参考如下：

监控平台配置报警功能，记录设备故障及有关参数超限诊断和报警、网络（总 线、节点、器件）故障诊断及报警，发出声光报警和中文信息提示，报出水泵名 称、编号、位置、设备发生故障日期、时间等。

监控平台配置历史趋势查询功能，可以对运行历史数据进行查询，包括电机 振动、温度、电压、电流、液位、管网压力等进行历史查询，存储历史数据不少 于 2 年。

监控平台配置权限设置功能，可以根据授权范围分别对系统进行浏览、操作、

组态等，确保系统运行安全。

现场电气柜触摸屏上设置选择开关，切换检修/本地/远程模式。当选择“”检 修“模式时，系统禁止一切输出，保证水泵处于停止状态，保障检修人员安全；当 选择“本地”模式时，可以通过现场电气柜上的启停按钮对水泵进行控制；当选择 “远程”模式时，可以通过远程操作员站对水泵进行启停和调速控制。

3.3. 现场仪表方案

为了解现场排水状态，本方案针对每个区域配置相应的流量计、压力变送器、液位计等进行检测，便于操作人员实时了解井下排水效果，确保排水安全，同时 可以根据流量对水泵进行调速控制，实现安全、节能、可靠运行。

3.3.1. 电机状态检测仪表 对水泵电机的电压、电流、转速等参数，通过软启动器直接读取并传输至监控平台，便于操作人员及时掌握设备运行状态。 为降低巡检工作量，提高生产效率和设备安全，本方案针对每台水泵配置振动传感器、温度一体化传感器 1 台，对水泵机械运行状态进行检测，并通过振动、 温度数据对水泵进行连锁，当测量值大于设定值时，系统自动报警，提示工作人 员进行设备检查，当测量数据过大，可能造成设备损伤时，自动停止水泵，确保 设备安全。

温度振动一体化传感器参数如下：

振动量程范围：0-50mm/s，温度量程范围：-40-150℃，磁吸式安装，供电： DC24V，通信方式：RS485。

3.3.2. 压力变送器

3.3.3. 负压计

3.3.4. 流量开关

本方案拟在排气管出口配置流量开关，用于判断注水效果。流量开关参数： DN20,0-10L/h，带开关量输出。

3.3.5. 阀门

闸阀参数如下：

球阀参数如下：

3.3.6. 视频监控配置

为了对现场进行直观的了解，本方案针对 3 台水泵配置 2 台摄像头（6 米视距），对射安装，电气室配置 1 台摄像头（6 米视距），水仓配置 1 台摄像头（10米视距），便于操作人员及调度人员及时直观了解现场排水设备及水仓状态。

摄像头配置如下：

²DS-2CD2T2XDWIFD-CKL

² 200 万 1/2.7" CMOS 红外筒型网络摄像机

² 智能侦测：支持越界侦测，区域入侵侦测

² 最低照度: 彩色：0.01 Lux @（F1.2，AGC ON），0 Lux with IR

² 宽动态: 120 dB

² 焦距&视场角:

² 4 mm，水平视场角：87.6°，垂直视场角：44.4°，对角视场角：104.9°

² 6 mm，水平视场角：53.9°，垂直视场角：28.8°，对角视场角：62.8°

² 8 mm，水平视场角：40.9°，垂直视场角：22.5°，对角视场角：47.4°

² 12 mm，水平视场角：25.4°，垂直视场角：14.4°，对角视场角：29.1°

² 补光距离: 最远可达 30 m

² 防补光过曝: 支持

² 红外波长范围: 850 nm

² 补光灯类型: 红外灯

² 最大图像尺寸: 1920 × 1080

² 视频压缩标准: 主码流：H.265/H.264

²网络存储: 支持 NAS（NFS，SMB/CIFS 均支持），支持 Micro SD(即 TF 卡)/Micro SDHC/Micro SDXC 卡（最大 256 GB）

² 音频: 1 路输入（Line in），1 路输出（Line out）；1 个内置麦克风

² 报警: 1 路输入，1 路输出（报警输出最大支持 DC12 V，30 mA）

² 复位: 支持

² 网络: 1 个 RJ45 10 M/100 M 自适应以太网口

² 电源输出: DC12 V，100 mA 电源输出，用于拾音器供电

² 启动和工作温湿度: -30 ℃~60 ℃，湿度小于 95%（无凝结）

² 供电方式: DC：12 V ± 25%，支持防反接保护；PoE：802.3af，Class 3

² 电流及功耗: DC：12 V，0.50 A，最大功耗：6.0 W；PoE：802.3af，36

V~57 V，0.19 A~0.12 A，最大功耗：7.0 W

² 电源接口类型: Ø5.5 mm 圆口

² 产品尺寸: 186.6 × 92.7 × 87.6 mm

² 包装尺寸: 235 × 120 × 125 mm

² 设备重量: 675 g

² 带包装重量: 870 g

² 防护: IP66