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摘 要：應用PLC工業遠程安全通訊技術，基于工業現場總線技術、Internet網絡傳輸技術和密匙安全通訊技術，通過工業遠程安全通訊模塊，將分布在城市各個位置的排水泵站和城市泵站排水調度中心系統，連接為統一的城市排水泵站運行保障中心系統，以排水設施地理信息系統為樞紐，逐步實現對污水收集、處理、回用的系統化、現代化管理，全力確保污水處理系統的安全運行，特別是日常巡視、雨季防汛工作，并利用先進的排水管道檢查維護設備對排水管網實施現代化管理。本文通過對城市排水泵站信息化發展現狀、前景和需求分析，介紹基于工業遠程安全通訊建立的起現代化城市排水泵站運行保障中心。
關鍵詞：泵站排水 運行保障 PLC遠程通訊 工業網絡
Abstract: In this paper, the PLC industrial remote security communications technology, is based on the industrial fieldbus technology, Internet network transmission technology and key secure communications technology. By using SY Automation remote secure communication module called the SY-RSCM series, will centralize drainage pump stations built in various locations of the city's and city pumping station drainage system dispatch center, into the unified urban drainage pumping station operation center, dealing the drainage facilities geographic information systems as the hub, achieve the sewage collection, treatment, systematic reuse and modern management step by step, do the best to ensure the security operation of the sewage treatment system, especially the routine inspections and the rainy season flood prevention work. At the same time, we use the advanced drainage pipes checks implementation equipment to manage the drainage network maintenance in a modern way. Through anglicizing urban drainage pumping station information technology development status, prospects and needs, this article introduces the modern urban drainage pumping station security operation center witch is based on the SY industrial remote secure communication.
【中圖分類號】TV675 【文獻標識碼】B 文章編號1606-5123（2012）11-0000-00
1引言
排水泵站的主要組成部分是泵房和集水池，泵房中設置由水泵和動力設備組成的機組。動力設備通常是電動機（如圖1所示），設有配電盤。泵房頂部設起重設備，供安裝和檢修時起吊機組之用。集水池中設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；當集水池深度較大、地質條件又差、只宜采用豎井式構造時，也有分建的。為了便于檢修及運轉，大多數泵站設有檢修閘門及岔道閘門。大型泵站常附設變電間和值班室。
圖1 排水泵站示意圖
按照廢水的性質，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，但泵組的品種宜少些。當地面較寬暢時，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。應有備用電源和備用機組。雨水泵站不經常啟用，一般可以不設備用泵。但平坦而易積水地區的雨水泵房中的水泵配置，其總容量可較設計頻率流量大20～30％，以利地區積水時，加快積水的排出。污水泵站需設事故排出口時，應取得當地衛生主管部門的同意。
2SCADA系統架構
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統，是以計算機為基礎的遠程自動化監控系統。SCADA組要用于解決包括工業廠區與城市以及城際地理分布的遠程數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。
2.1遠程通訊需求
實現排水、井群、擋潮、排澇、引水等項目，泵站設備的自動化監控，集中調度管理，實時采集各種水情、工情數據是信息化建設的基礎。
目前，我國正在運行的泵站多為20世紀六、七十年代建設，因受當時技術、資金、設備條件的限制，大部分泵站設備還是采用傳統人工完成的管理和操作方式，長年老化失修，加上維護工程師人員短缺，整體素質偏低，致使泵站設備能耗逐年升高，排灌效益銳減，無法保障構建社會主義和諧社會的社會經濟發展需求。這些問題已經引起中央和地方各級政府的高度重視，泵站的建設和大規模的更新改造已經進入新的歷史時期。
為進一步提升泵站設備自動化設施水平，在泵站的建設和改造中，廣泛的使用了可編程控制器PLC、工業控制計算機IPC、人機界面HMI和工業現場總線等工業自動化產品。但在泵站設備的組網過程中，通訊線路的建設還停留在鋪設專用通訊線纜或采用GPRS無線通訊技術的水平。
鋪設專用通訊線纜的缺點在于建造成本高、耗能高、耗時長，且在很多特殊環境下無法進行通訊線纜的建設，這些制約著泵站建設和自動化的水平。GPRS無線通訊技術數據傳輸量也小、響應遲鈍，無法滿足實時控制，視頻監控，在線進行程序上下載和診斷等需求。
2.2排水泵站信息化困境
(1)目前應用系統多為信息查詢服務，而且數據不全面，缺乏針對城市排水、河道水流的可視化管理和調度的專業信息系統，無法實現危機系統預警機制，通過對控制系統數據實時采集進行分析處理，判斷系統運行情況，記錄系統實時數據。當系統根據采集數據分析判斷設備故障時，控制器自動運行保護程序，發出聲光報警信號并生成報表，并通過遠程安全通訊系統傳輸至遠方中控系統。當技術人員排除現場設備故障后，控制器根據操作人員操作信號，自動恢復系統運行。目前先進的控制系統可以根據系統故障級別和分類，將故障信息分類發送到各個部門。
預警的重大作用在于遠程中控這邊的不斷完善的智能分析系統，對現場的港機設備的重要參數進行采集之后，可以通過智能算法和經驗進行分析，對系統的安全隱患等進行預警，及時修復，避免安全隱患成為嚴重的安全事故；
(2)監測站、點數量不足，且布設不能滿足日常及防汛調度實際需求，對于容易發生及曾經發生汛期積水事件的河道、排水泵站、管網等設施尚無及時準確的監控手段，同時缺少應急便攜式監測設備。控制系統包含了上位機、PLC、工程型變頻器，發生故障的時候，核心的不僅僅是中小型設備上的PLC，診斷需要綜合性的進行，包括上位機、PLC、工程型變頻器，而這些系統所采用的上位機工具軟件都是不同的，帶上工具到了現場，可以進行診斷，但發生故障時，如果要等遠方的維護工程師到現場，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，所以進行遠程診斷和維護的需求性特別緊迫。而遠程診斷，一定要和到現場的工程師所能做的一樣，如深入到PLC程序在線，變頻器參數顯示和控制，上位機的實時組態和診斷。
(3)雖然部分排水泵站管理單位已實現了對部分數據的自動采集、存儲，但由于有些系統建設時間較長、數據分散、技術水平及標準不統一，各系統獨立運行，數據未實現共享，不能為上層應用系統提供有力的服務支撐。
3排水泵站運行保障中心硬件設計
遠程安全通訊系統，針對排水泵站現場的設備，為了達到工程師在遠程運行保障中心即可實現到現場的程序實時在線診斷、實時觀察現場動作的需求，系統SCADA拓撲圖如圖2所示。
圖2 系統SCADA拓撲
排水泵站現場的控制設備，可以通過有線或者站點的WIFI覆蓋系統上到Internet公網，也可以是單獨上3G網絡，通過無線上網的方式，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
現場端如果是通過3G上網，連接的是具有Profinet工業總線的西門子S7-300PLC系列大型PLC工業自動化平臺，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量的站點進行實時在線診斷、預警、維護、升級等工作，關鍵點是實現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，最大化的節省每一次故障或者調試需要團隊去現場的大量成本，實現當下的信息化，真正實現物聯網的智能化、網絡化，實現數據存儲由遠端中央服務器執行的云計算化，將傳統的工控和IT互聯網真正的工業化和信息化的融合。
4排水泵站運行保障中心軟件設計
4.1原理設計
在該安全通訊系統中，軟硬件設計，實現了工業協議進行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過公網傳輸的時候，采用的S-Link協議，是專用于傳輸工業數據的一個穩定、安全的私鑰協議。在運行保障中心，通過SY-RSCM進行核對和驗證，再進行準確的安全的解包，傳遞給目標對象。
4.2安全設計
通過該系統，實現的是針對排水泵站設備的全應用周期的遠程管理：安裝、預警、調試、故障診斷、升級，并且注重信息通訊過程中的安全性，體現在以下4個方面：
(1)遠程安全通訊模塊的應用，不僅實現了工業數據從局域網向廣域網的擴充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對每一層的數據包進行檢查和監控，實現內容過濾，入侵偵測，入侵保護等功能。并可對工業數據進行S-link協議的轉換。
(2)遠程安全通訊模塊還帶有身份認證技術，可實現設備認證和使用者認證，使得工業數據只能在經過了認證的模塊直接傳輸，以及有認證許可的操作人員進行數據讀取等。
(3)工業數據在Internet中傳輸過程中，采用S-Link協議。這種協議是專針對工業數據廣域網傳輸所開發的。它是基于標準協議的不通用性，以及工業現場總線的特殊要求，以協議轉換準確和安全性為首要目標的一種非公開密鑰方式的專用協議，采用了RSA算法，密鑰最高為1536位加密非對稱密鑰，公鑰和私鑰結合使用的方式進行加密。S-link協議的應用確保了工業數據廣域網傳輸的機密性，真實性和完整性。
(4)整個系統采用了虛擬局域網VLAN技術，各個設備在邏輯上劃分到了一個局域網中，滿足了工業數據傳輸的實時性要求。同時，限制了工業數據只能在同一VLAN中傳輸，防止了數據在Internet上的廣播，提高了工業數據傳輸的安全性。
5基于賽遠安全通訊體系的SCADA泵站
5.1賽遠遠程安全通訊系統
賽遠工業遠程安全通訊，完全是自主創新的通訊系統，不同于市面上的MODEM撥號、GPRS等低速連接系統，不同于現場需要電腦進行遠程桌面的方式，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，實時運行保障。
(2)全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式。
(3)支持各種工業以太網協議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP。
(4)現場視頻和工業數據一起傳輸。
(5)PLC程序級控制，數據OPC采集。
(6)數據實時雙向傳輸。
(7)架設和配置簡單，高效。
(8)最新的賽遠專利安全通訊技術，數據安全和穩定。
(9)兩端均不需要固定IP，數據直接點對點連接，無需經過第三方服務器。
(10)一次性投入，無后續產品服務費用。
(11)支持數據雙通道軟硬件冗余。
(12)數據安全加密最高1536位S-Link加密。
(13)通信安全認證方式：支持指紋認證、短信認證、USB KEY認證、U-KEY認證；CA認證、國密辦認證體系、動態令牌認證、X.509數字證書認證。
(14)密碼保護措施：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、管理員密碼權限設置、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、上網本等等設備遠程查看、修改等操作。
5.2賽遠運行保障中心功能
(1)數據監測功能：各泵站每臺排水泵啟停狀態、保護狀態、電流、電壓等，凡是能集中到可編程控制器中的信息，均可監測。
(2)遠程控制功能：控制各泵站每臺排水泵、格柵機的啟停工作， 遠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備，均可遠程啟停控制。
(3)報警功能：在服務器中，定時存儲各種監測數據、事件報警信息、實時監測數據等數據通訊回到運行中心，則可以建立各項參數預警保障機制，如對污水池液位超過警戒水位告警、有害氣體超標告警等。同時支持各類信息查詢，可以將監測數據、報警數據生成報表，數據可以導出，支持打印輸出。
(4)視頻監視：通過現場工業以太網將視頻傳輸至信息中心，實現實時監視、視頻數據存儲，回放。并可遠程控制攝像機視野，更加人性化。
監控界面：實時監測數據與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監測多個泵站視頻和數據，也可以切換成單個泵站的視頻和數據顯示。
(5)權限管理：對不同的操作使用者授予不同的使用權限。
(6)開放：可以任意增加、減少所監控的泵站數量。預留與其他系統的通訊接口。
6結束語
基于PLC、上位機、變頻器等設備組成的排水泵站控制和傳動工業網絡系統，很好的滿足了排水泵站的整體監控和智能化的需求。賽遠的具有最新專利工業安全通訊技術的工業遠程系統，實現了排水泵站的遠程采集與集中監控功能，大大降低了調控、維護、預警成本，并通過該系統建立了排水泵站的全生命周期管理系統，在21世紀，從過去的排水泵站信息孤島，轉型為信息聯網和集控，是一個信息化、智能化、網絡化、云計算化帶來的巨大轉變，目前該系統隨著城市排水泵站的配套，在國內外均運行效果良好。
參考文獻
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