基于SCADA的城市排水泵站运行保障中心
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1引言

  排水泵站的主要组成部分是泵房和集水池,泵房中设置由水泵和动力设备组成的机组。动力设备通常是电动机(如图1所示),设有配电盘。泵房顶部设起重设备,供安装和检修时起吊机组之用。集水池中设置机械或人工清除垃圾的格栅,拦挡粗大的和容易截住的悬浮物,以防水泵阻塞。集水池有一定的储水容积以利水泵的启动。泵房和集水池通常建在一起;当集水池深度较大、地质条件又差、只宜采用竖井式构造时,也有分建的。为了便于检修及运转,大多数泵站设有检修闸门及岔道闸门。大型泵站常附设变电间和值班室。

  

  图1 排水泵站示意图

  按照废水的性质,排水泵站有污水泵站、雨水泵站和合流泵站之分。污水泵站常采用离心式污水泵。雨水泵站常采用轴流泵。合流泵站配泵时要顾及雨天流量和晴天流量的巨大变化,可采用不同类型及不同流量的泵组组合以利运转,但泵组的品种宜少些。当地面较宽畅时,也可采用螺旋泵。螺旋泵效率较高、能耗较少、不易阻塞、易于维修,宜用于扬水量较大、扬程较小的场合。小流量的泵房一般采用自动操作,大流量泵房则采用自动或兼用人工操作。

  排水泵站必须及时把水送走。应有备用电源和备用机组。雨水泵站不经常启用,一般可以不设备用泵。但平坦而易积水地区的雨水泵房中的水泵配置,其总容量可较设计频率流量大20~30%,以利地区积水时,加快积水的排出。污水泵站需设事故排出口时,应取得当地卫生主管部门的同意。

2 SCADA系统架构

  SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统,是以计算机为基础的远程自动化监控系统。SCADA组要用于解决包括工业厂区与城市以及城际地理分布的远程数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

  2.1远程通讯需求

  实现排水、井群、挡潮、排涝、引水等项目,泵站设备的自动化监控,集中调度管理,实时采集各种水情、工情数据是信息化建设的基础。

  目前,我国正在运行的泵站多为20世纪六、七十年代建设,因受当时技术、资金、设备条件的限制,大部分泵站设备还是采用传统人工完成的管理和操作方式,长年老化失修,加上维护工程师人员短缺,整体素质偏低,致使泵站设备能耗逐年升高,排灌效益锐减,无法保障构建社会主义和谐社会的社会经济发展需求。这些问题已经引起中央和地方各级政府的高度重视,泵站的建设和大规模的更新改造已经进入新的历史时期。

  为进一步提升泵站设备自动化设施水平,在泵站的建设和改造中,广泛的使用了可编程控制器PLC、工业控制计算机IPC、人机界面HMI和工业现场总线等工业自动化产品。但在泵站设备的组网过程中,通讯线路的建设还停留在铺设专用通讯线缆或采用GPRS无线通讯技术的水平。

  铺设专用通讯线缆的缺点在于建造成本高、耗能高、耗时长,且在很多特殊环境下无法进行通讯线缆的建设,这些制约着泵站建设和自动化的水平。GPRS无线通讯技术数据传输量也小、响应迟钝,无法满足实时控制,视频监控,在线进行程序上下载和诊断等需求。

  2.2排水泵站信息化困境

  (1)目前应用系统多为信息查询服务,而且数据不全面,缺乏针对城市排水、河道水流的可视化管理和调度的专业信息系统,无法实现危机系统预警机制,通过对控制系统数据实时采集进行分析处理,判断系统运行情况,记录系统实时数据。当系统根据采集数据分析判断设备故障时,控制器自动运行保护程序,发出声光报警信号并生成报表,并通过远程安全通讯系统传输至远方中控系统。当技术人员排除现场设备故障后,控制器根据操作人员操作信号,自动恢复系统运行。目前先进的控制系统可以根据系统故障级别和分类,将故障信息分类发送到各个部门。

  预警的重大作用在于远程中控这边的不断完善的智能分析系统,对现场的港机设备的重要参数进行采集之后,可以通过智能算法和经验进行分析,对系统的安全隐患等进行预警,及时修复,避免安全隐患成为严重的安全事故;

  (2)监测站、点数量不足,且布设不能满足日常及防汛调度实际需求,对于容易发生及曾经发生汛期积水事件的河道、排水泵站、管网等设施尚无及时准确的监控手段,同时缺少应急便携式监测设备。控制系统包含了上位机、PLC、工程型变频器,发生故障的时候,核心的不仅仅是中小型设备上的PLC,诊断需要综合性的进行,包括上位机、PLC、工程型变频器,而这些系统所采用的上位机工具软件都是不同的,带上工具到了现场,可以进行诊断,但发生故障时,如果要等远方的维护工程师到现场,时间越久,将可能带来物品安全和人身安全事故的可能性越大,所以进行远程诊断和维护的需求性特别紧迫。而远程诊断,一定要和到现场的工程师所能做的一样,如深入到PLC程序在线,变频器参数显示和控制,上位机的实时组态和诊断。

  (3)虽然部分排水泵站管理单位已实现了对部分数据的自动采集、存储,但由于有些系统建设时间较长、数据分散、技术水平及标准不统一,各系统独立运行,数据未实现共享,不能为上层应用系统提供有力的服务支撑。

3排水泵站运行保障中心硬件设计

  远程安全通讯系统,针对排水泵站现场的设备,为了达到工程师在远程运行保障中心即可实现到现场的程序实时在线诊断、实时观察现场动作的需求,系统SCADA拓扑图如图2所示。

  

  图2 系统SCADA拓扑

  排水泵站现场的控制设备,可以通过有线或者站点的WIFI覆盖系统上到Internet公网,也可以是单独上3G网络,通过无线上网的方式,连接到运行保障中心。

  中大型的运行保障中心工程的装备配置举例如表1所示:

  

  表1 装备配置举例表

  现场端如果是通过3G上网,连接的是具有Profinet工业总线的西门子S7-300PLC系列大型PLC工业自动化平台,则需要如下配置如表2所示:

  

  表2 所需配置表

  不同的配置,对于排水泵站,可以同时连接不同数量的站点进行实时在线诊断、预警、维护、升级等工作,关键点是实现对可编程控制器的程序级访问,上下载程序、在线诊断都不再是困扰难题,最大化的节省每一次故障或者调试需要团队去现场的大量成本,实现当下的信息化,真正实现物联网的智能化、网络化,实现数据存储由远端中央服务器执行的云计算化,将传统的工控和IT互联网真正的工业化和信息化的融合。

4排水泵站运行保障中心软件设计

  4.1原理设计

  在该安全通讯系统中,软硬件设计,实现了工业协议进行解析、加密和路由、交换、防火墙等功能,通过公网传输的时候,采用的S-Link协议,是专用于传输工业数据的一个稳定、安全的私钥协议。在运行保障中心,通过SY-RSCM进行核对和验证,再进行准确的安全的解包,传递给目标对象。

  4.2安全设计

  通过该系统,实现的是针对排水泵站设备的全应用周期的远程管理:安装、预警、调试、故障诊断、升级,并且注重信息通讯过程中的安全性,体现在以下4个方面:

  (1)远程安全通讯模块的应用,不仅实现了工业数据从局域网向广域网的扩充,并且其自带硬件防火墙功能。它可对每一层的数据包进行检查和监控,实现内容过滤,入侵侦测,入侵保护等功能。并可对工业数据进行S-link协议的转换。

  (2)远程安全通讯模块还带有身份认证技术,可实现设备认证和使用者认证,使得工业数据只能在经过了认证的模块直接传输,以及有认证许可的操作人员进行数据读取等。

  (3)工业数据在Internet中传输过程中,采用S-Link协议。这种协议是专针对工业数据广域网传输所开发的。它是基于标准协议的不通用性,以及工业现场总线的特殊要求,以协议转换准确和安全性为首要目标的一种非公开密钥方式的专用协议,采用了RSA算法,密钥最高为1536位加密非对称密钥,公钥和私钥结合使用的方式进行加密。S-link协议的应用确保了工业数据广域网传输的机密性,真实性和完整性。

  (4)整个系统采用了虚拟局域网VLAN技术,各个设备在逻辑上划分到了一个局域网中,满足了工业数据传输的实时性要求。同时,限制了工业数据只能在同一VLAN中传输,防止了数据在Internet上的广播,提高了工业数据传输的安全性。

5基于赛远安全通讯体系的SCADA泵站

  5.1赛远远程安全通讯系统

  赛远工业远程安全通讯,完全是自主创新的通讯系统,不同于市面上的MODEM拨号、GPRS等低速连接系统,不同于现场需要电脑进行远程桌面的方式,不同于固定IP查找对方的方式,具有如下显著的特点:

  (1)工程师实时分钟级的响应,实时运行保障。

  (2)全球internet覆盖支持,支持ADSL,VDSL,3G等方式。

  (3)支持各种工业以太网协议,如Profinet,Ethercat,Ethernet/IP,MODBUS TCP。

  (4)现场视频和工业数据一起传输。

  (5)PLC程序级控制,数据OPC采集。

  (6)数据实时双向传输。

  (7)架设和配置简单,高效。

  (8)最新的赛远专利安全通讯技术,数据安全和稳定。

  (9)两端均不需要固定IP,数据直接点对点连接,无需经过第三方服务器。

  (10)一次性投入,无后续产品服务费用。

  (11)支持数据双通道软硬件冗余。

  (12)数据安全加密最高1536位S-Link加密。

  (13)通信安全认证方式:支持指纹认证、短信认证、USB KEY认证、U-KEY认证;CA认证、国密办认证体系、动态令牌认证、X.509数字证书认证。

  (14)密码保护措施:采用密码强度检测、周期性更换密码要求、防暴力破解策略、账号锁定解锁功能、管理员密码权限设置、软键盘、图形验证码等输入验证方式。

  支持Pad、智能手机、笔记本、上网本等等设备远程查看、修改等操作。

  5.2赛远运行保障中心功能

  (1)数据监测功能:各泵站每台排水泵启停状态、保护状态、电流、电压等,凡是能集中到可编程控制器中的信息,均可监测。

  (2)远程控制功能:控制各泵站每台排水泵、格栅机的启停工作, 远程切换各泵站每台排水泵的控制模式等,凡是接在可编程控制器外围的设备,均可远程启停控制。

  (3)报警功能:在服务器中,定时存储各种监测数据、事件报警信息、实时监测数据等数据通讯回到运行中心,则可以建立各项参数预警保障机制,如对污水池液位超过警戒水位告警、有害气体超标告警等。同时支持各类信息查询,可以将监测数据、报警数据生成报表,数据可以导出,支持打印输出。

  (4)视频监视:通过现场工业以太网将视频传输至信息中心,实现实时监视、视频数据存储,回放。并可远程控制摄像机视野,更加人性化。

  监控界面:实时监测数据与视频在同一界面上显示,可以同屏监测多个泵站视频和数据,也可以切换成单个泵站的视频和数据显示。

  (5)权限管理:对不同的操作使用者授予不同的使用权限。

  (6)开放:可以任意增加、减少所监控的泵站数量。预留与其他系统的通讯接口。

6结束语

  基于PLC、上位机、变频器等设备组成的排水泵站控制和传动工业网络系统,很好的满足了排水泵站的整体监控和智能化的需求。赛远的具有最新专利工业安全通讯技术的工业远程系统,实现了排水泵站的远程采集与集中监控功能,大大降低了调控、维护、预警成本,并通过该系统建立了排水泵站的全生命周期管理系统,在21世纪,从过去的排水泵站信息孤岛,转型为信息联网和集控,是一个信息化、智能化、网络化、云计算化带来的巨大转变,目前该系统随着城市排水泵站的配套,在国内外均运行效果良好。

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