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)置由水泵和動力設(shè)備組成的機組。動力設(shè)備通常是電動機（如圖1所示），設(shè)有配電盤。泵房頂部設(shè)起重設(shè)備，供安裝和檢修時起吊機組之用。集水池中設(shè)置機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。集水池有一定的儲水容積以利水泵的啟動。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，也有分建的。為了便于檢修及運轉(zhuǎn)，大多數(shù)泵站設(shè)有檢修閘門及岔道閘門。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。合流泵站配泵時要顧及雨天流量和晴天流量的巨大變化，可采用不同類型及不同流量的泵組組合以利運轉(zhuǎn)，但泵組的品種宜少些。當(dāng)?shù)孛孑^寬暢時，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，宜用于揚水量較大、揚程較小的場合。小流量的泵房一般采用自動操作，大流量泵房則采用自動或兼用人工操作。

排水泵站必須及時把水送走。應(yīng)有備用電源和備用機組。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)計頻率流量大20～30％，以利地區(qū)積水時，加快積水的排出。污水泵站需設(shè)事故排出口時，應(yīng)取得當(dāng)?shù)匦l(wèi)生主管部門的同意。

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)，是以計算機為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程自動化監(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)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

2.1遠(yuǎn)程通訊需求

實現(xiàn)排水、井群、擋潮、排澇、引水等項目，泵站設(shè)備的自動化監(jiān)控，集中調(diào)度管理，實時采集各種水情、工情數(shù)據(jù)是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。

目前，我國正在運行的泵站多為20世紀(jì)六、七十年代建設(shè)，因受當(dāng)時技術(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，無法保障構(gòu)建社會主義和諧社會的社會經(jīng)濟發(fā)展需求。這些問題已經(jīng)引起中央和地方各級政府的高度重視，泵站的建設(shè)和大規(guī)模的更新改造已經(jīng)進(jìn)入新的歷史時期。

為進(jìn)一步提升泵站設(shè)備自動化設(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)控制計算機IPC、人機界面HMI和工業(yè)現(xiàn)場總線等工業(yè)自動化產(chǎn)品。但在泵站設(shè)備的組網(wǎng)過程中，通訊線路的建設(shè)還停留在鋪設(shè)專用通訊線纜或采用GPRS無線通訊技術(shù)的水平。

鋪設(shè)專用通訊線纜的缺點在于建造成本高、耗能高、耗時長，且在很多特殊環(huán)境下無法進(jìn)行通訊線纜的建設(shè)，這些制約著泵站建設(shè)和自動化的水平。GPRS無線通訊技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量也小、響應(yīng)遲鈍，無法滿足實時控制，視頻監(jiān)控，在線進(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)多為信息查詢服務(wù)，而且數(shù)據(jù)不全面，缺乏針對城市排水、河道水流的可視化管理和調(diào)度的專業(yè)信息系統(tǒng)，無法實現(xiàn)危機系統(tǒng)預(yù)警機制，通過對控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)運行情況，記錄系統(tǒng)實時數(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，控制器自動運行保護(hù)程序，發(fā)出聲光報警信號并生成報表，并通過遠(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)場設(shè)備故障后，控制器根據(jù)操作人員操作信號，自動恢復(fù)系統(tǒng)運行。目前先進(jìn)的控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)故障級別和分類，將故障信息分類發(fā)送到各個部門。

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)，對現(xiàn)場的港機設(shè)備的重要參數(shù)進(jìn)行采集之后，可以通過智能算法和經(jīng)驗進(jìn)行分析，對系統(tǒng)的安全隱患等進(jìn)行預(yù)警，及時修復(fù)，避免安全隱患成為嚴(yán)重的安全事故；

(2)監(jiān)測站、點數(shù)量不足，且布設(shè)不能滿足日常及防汛調(diào)度實際需求，對于容易發(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)施尚無及時準(zhǔn)確的監(jiān)控手段，同時缺少應(yīng)急便攜式監(jiān)測設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)包含了上位機、PLC、工程型變頻器，發(fā)生故障的時候，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、PLC、工程型變頻器，而這些系統(tǒng)所采用的上位機工具軟件都是不同的，帶上工具到了現(xiàn)場，可以進(jìn)行診斷，但發(fā)生故障時，如果要等遠(yuǎn)方的維護(hù)工程師到現(xiàn)場，時間越久，將可能帶來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)場的工程師所能做的一樣，如深入到PLC程序在線，變頻器參數(shù)顯示和控制，上位機的實時組態(tài)和診斷。

(3)雖然部分排水泵站管理單位已實現(xiàn)了對部分?jǐn)?shù)據(jù)的自動采集、存儲，但由于有些系統(tǒng)建設(shè)時間較長、數(shù)據(jù)分散、技術(shù)水平及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各系統(tǒng)獨立運行，數(shù)據(jù)未實現(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排水泵站運行保障中心硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)，針對排水泵站現(xiàn)場的設(shè)備，為了達(dá)到工程師在遠(yuǎn)程運行保障中心即可實現(xiàn)到現(xiàn)場的程序?qū)崟r在線診斷、實時觀察現(xiàn)場動作的需求，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)場的控制設(shè)備，可以通過有線或者站點的WIFI覆蓋系統(tǒng)上到Internet公網(wǎng)，也可以是單獨上3G網(wǎng)絡(luò)，通過無線上網(wǎng)的方式，連接到運行保障中心。

中大型的運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)場端如果是通過3G上網(wǎng)，連接的是具有Profinet工業(yè)總線的西門子S7-300PLC系列大型PLC工業(yè)自動化平臺，則需要如下配置如表2所示：

表2所需配置表

不同的配置，對于排水泵站，可以同時連接不同數(shù)量的站點進(jìn)行實時在線診斷、預(yù)警、維護(hù)、升級等工作，關(guān)鍵點是實現(xiàn)對可編程控制器的程序級訪問，上下載程序、在線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)試需要團隊去現(xiàn)場的大量成本，實現(xiàn)當(dāng)下的信息化，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲由遠(yuǎn)端中央服務(wù)器執(zhí)行的云計算化，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排水泵站運行保障中心軟件設(shè)計

4.1原理設(shè)計

在該安全通訊系統(tǒng)中，軟硬件設(shè)計，實現(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，通過公網(wǎng)傳輸?shù)臅r候，采用的S-Link協(xié)議，是專用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運行保障中心，通過SY-RSCM進(jìn)行核對和驗證，再進(jìn)行準(zhǔn)確的安全的解包，傳遞給目標(biāo)對象。

4.2安全設(shè)計

通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)的是針對排水泵站設(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，并且注重信息通訊過程中的安全性，體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)遠(yuǎn)程安全通訊模塊的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)向廣域網(wǎng)的擴充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對每一層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查和監(jiān)控，實現(xiàn)內(nèi)容過濾，入侵偵測，入侵保護(hù)等功能。并可對工業(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中傳輸過程中，采用S-Link協(xié)議。這種協(xié)議是專針對工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸所開發(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)場總線的特殊要求，以協(xié)議轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確和安全性為首要目標(biāo)的一種非公開密鑰方式的專用協(xié)議，采用了RSA算法，密鑰最高為1536位加密非對稱密鑰，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密性，真實性和完整性。

(4)整個系統(tǒng)采用了虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)，各個設(shè)備在邏輯上劃分到了一個局域網(wǎng)中，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求。同時，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、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場需要電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面的方式，不同于固定IP查找對方的方式，具有如下顯著的特點：

(1)工程師實時分鐘級的響應(yīng)，實時運行保障。

(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)場視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸。

(5)PLC程序級控制，數(shù)據(jù)OPC采集。

(6)數(shù)據(jù)實時雙向傳輸。

(7)架設(shè)和配置簡單，高效。

(8)最新的賽遠(yuǎn)專利安全通訊技術(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)直接點對點連接，無需經(jīng)過第三方服務(wù)器。

(10)一次性投入，無后續(xù)產(chǎn)品服務(wù)費用。

(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、國密辦認(rèn)證體系、動態(tài)令牌認(rèn)證、X.509數(shù)字證書認(rèn)證。

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

支持Pad、智能手機、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)運行保障中心功能

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能：各泵站每臺排水泵啟停狀態(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。

(2)遠(yuǎn)程控制功能：控制各泵站每臺排水泵、格柵機的啟停工作，遠(yuǎn)程切換各泵站每臺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)報警功能：在服務(wù)器中，定時存儲各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、事件報警信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通訊回到運行中心，則可以建立各項參數(shù)預(yù)警保障機制，如對污水池液位超過警戒水位告警、有害氣體超標(biāo)告警等。同時支持各類信息查詢，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)生成報表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。

(4)視頻監(jiān)視：通過現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)將視頻傳輸至信息中心，實現(xiàn)實時監(jiān)視、視頻數(shù)據(jù)存儲，回放。并可遠(yuǎn)程控制攝像機視野，更加人性化。

監(jiān)控界面：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監(jiān)測多個泵站視頻和數(shù)據(jù)，也可以切換成單個泵站的視頻和數(shù)據(jù)顯示。

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

(6)開放：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

基于PLC、上位機、變頻器等設(shè)備組成的排水泵站控制和傳動工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很好的滿足了排水泵站的整體監(jiān)控和智能化的需求。賽遠(yuǎn)的具有最新專利工業(yè)安全通訊技術(shù)的工業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，實現(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，是一個信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云計算化帶來的巨大轉(zhuǎn)變，目前該系統(tǒng)隨著城市排水泵站的配套，在國內(nèi)外均運行效果良好。

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