专利名称：扬水站自动监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动化控制领域，具体是一种扬水站自动监控系统。
背景技术：
信息技术是当今世界创新速度最快、通用性最广、渗透性最强的高技术之一。水利 是一个信息密集型行业，加快水利信息化建设是顺应全球信息化发展潮流、武装和改造传 统水利、发展民生水利、提高水利管理能力和水平、推动水利部门职能转变的迫切要求，是 实现传统水利向现代水利转变的重要举措。工程自动化监控是水利工程信息系统的重要组 成部分，是实时数据获取的唯一手段，是全面实现水利信息化的基础。 扬水站控制技术得到了越来越多研究机构的重视，对该技术的研究如火如荼。例 如位山灌区设计灌溉面积540万亩，是全国六个特大型灌区之一，也是山东省和黄河中下 游最大的引黄灌区。在1998年国家开始实施灌区续建配套与节水改造项目之前，主要由地 方投资、投劳建成，受地方财力所限，灌区工程建设初期建设水平较低、管理粗放、运行效率 不高，大大制约了灌区效益的发挥。在灌区工程建设资金投入紧张的前提下，结合灌区骨干 工程运行管理现状，利用较少的资金对现有控制性工程进行自动化改造，可显著提升工程 管理水平，提高工程运行效率和灌区效益，投资少、见效快，符合水利部对灌区改造的总体 要求，对全国同类灌区具有较好的借鉴价值和广阔的推广前景。 然而，现有的扬水站自动化设备的费用太高不适合小型扬水站的要求，相对也不 够灵活，所以现在扬水站基本以手动式电机驱动为主，要专门人员在电机房内看守机电机 和记录运行情况。这样既浪费人力物力又使在突发情况时容易遭成报警和纠正的不及时， 形成事故。
实用新型内容为了克服上述现有技术存在的缺点，本实用新型的目的在于提供一种可以对扬水 站各种信息进行自动采集分析，并且在出现情况时经行报警的扬水站自动监控系统。 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是利用PC机和PLC芯片相结合， 来弥补PLC芯片的不足，用PC机去控制PLC芯片，这样可以利用PC机的高级处理能力实现 一些复杂的逻辑操作，同时可以对PLC芯片各种信息做记录、汇总，然后通过PC机进行信息 管理。而且为了保证设备的安全运转，可以对设备进行视频的监控，用PC机去显示现场的 视频。 扬水站自动监控系统使用以PC机为主体的PC监控终端为主控装置，分为控制室 部分和现场部分，控制室部分包括PC监控终端、电流表、PLC芯片及其扩展模块；现场部分 包括浮球液位检测装置、视频监控装置。所述PC监控终端连接PLC芯片和视频监控装置， 接收并分析PLC芯片和视频监控装置传递的数据信息。PLC芯片与浮球液位检测装置电路 连接，接收并处理浮球液位检测装置传递的液位信号；所述PLC芯片还通过一自耦变压器 与扬水站电机开关控制电路连接。根据浮球液位检测装置传递的液位信号通过自耦变压器决定扬水站电机的开关。 在PLC芯片的主模块的扩展接口上用平行数据线连接一将电流模拟量转变为数 字量的电流变送器，并通过其电路连接一模拟量扩展模块，实现对电流模拟量采集；所述模 拟量扩展模块电路连接一电流互感器。电流互感器与扬水站电机主电路连接，电流互感器 还连接一显示电流量的电流表，用于直观的显示通过电流互感器的电流量。 当电流互感器采集到扬水站电机电流量后，可采集扬水站电机电流量，并将大电 流变成PLC芯片能接受的小电流，并传送给模拟量扩展模块；模拟量扩展模块处理所获信 息，然后通过电流变送器的数模转换功能转换成PLC芯片所能识别的数字量信息；PLC芯片 处理所获信息后传送给PC监控终端。 所述浮球液位检测装置采用电磁触头式浮球，利用重力与浮力的原理设计而成， 浮球有干簧管结构，在外面有一个可以活动的浮球，球内有磁铁。当磁铁受浮力靠近干簧管 的时候，干簧管内的触头就接通或者断开。干簧管的原理是同磁极相排斥，异磁极相吸。液 位开关内干簧管的开关控制相应的操作机构。当浮球受到液体浮力作用而随液位上升或下 降，通过设置在体内的驱动机构驱动大容量微动开关输出开(通)或关(断)的信号。浮 球液位检测装置设置有正常水位状态开启的常开点，以及过低水位状态开启的常闭点；所 述常开点、常闭点电路连接到PLC芯片的输入端；所述常开点和常闭点设置均为多个液位 检测联动设置，只要任意一液位低于要求，都能打开/切断电路使电机开启/停止转动。 当扬水站电机进行启动时，电机的电流会从零增加到一个高电流，高电流大约能 达到正常值的1. 5倍，所以在对电机电流监视时要把这个过程屏蔽掉，电机启动后大约5秒 内电流就是个正常值，5秒后再对电流监视，所以就在电机启动后5秒再发送读取命令。电 机电流正常值应在100-150A之间，出现低电流主要是因为电机没有负载或负载过小所造 成的，出现高电流主要是因为电机缺相或负载过大等原因造成的，电流值有时可能达到电 流正常值的3倍。这两种情况对电机来说损坏十分大，所以在电机运行过程中一定要避免 这两种情况发生；另外在扬水过程中，可能会出现水位过低的现象，如果不及时发现，使扬 水站电机空转，会使其损坏。这样就需要在PC监控终端内设置液位高低的警戒值和电机电 流的大小的警戒值，并连接一报警模块，报警模块可在PC监控终端判断所获液位值低于液 位警戒值或者电机电流值超过电机电流警戒值时进行报警。所述报警模块内设置有报警所 需使用的MP3文件，当需要报警时该模块运行MP3文件进行报警。 所述视频监控装置包括摄像头、云台、解码器、采集卡，所述采集卡中设置有所述 云台的通信协议。视频监控装置接受PC监控终端所发送的指令，通过控制云台转动和摄像 头采集的视频数据进行编辑后回馈给PC监控终端。 在PLC芯片的输入端接入控制多台电机的启动和停止的多对按钮，在PLC芯片的 输入端和输出端设置有指示灯，在有输入的情况下，会在PLC的输入端有相应的指示灯亮， 如果有输出也会在输出端有相应的指示灯亮。 所述PC监控终端设置有数据储存装置、国际标准化接口 ，可以连接打印机等多种 外接设备。由于监控系统的24小时不间断运行的要求，使得系统应具备容灾能力，这种容 灾能力需要从机器设备、传输设备和不可预料三个方面来保证。所以在PC监控终端还连接 了数据备份和恢复模块和自动断电保护模块。 本实用新型的有益效果是安全性能提高。可以对设备运行情况进行严密监视，发现异常，立即报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而保障运行的可靠性；提高了经 济性，实施泵站监控后，可以根据泵的流量和扬程等历史参数，分析水情，合理分配供水时 间，从而提高泵站运行的经济性；改善工作环境，实施监控后，值班人员可以随时了解整个 系统的运行情况，从以往的人工操作、实地观察中解脱出来；提高管理水平，由于监控系统 对扬水泵站全年的运行情况都做了历史记录，管理人员可随时分析，采取措施改善管理。扬 水站自动控制与监控系统专为水利系统的扬水站而设计，应用工业控制技术和PC监控终 端技术相结合实现，系统相比传统的人工控制系统，提高了控制的智能程度，并且可以通过 网络实现远程监视和控制的功能。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明
图1为本实用新型的结构示意图； 图2为模拟量扩展模块的连线方式图。
具体实施方式如图1所示，扬水站自动监控系统以PC监控终端为主控装置，分为控制室部分和 现场部分，控制室部分包括PC监控终端、电流表、PLC芯片及其扩展模块。PLC芯片由于输 入要13个点(4个启动、4个停止、4个浮球和l个总停)，输出要4个点，所以选用西门子 PLC-200 224XP足可以满足基本控制要求，由于系统要采集电压电流模拟信号，所以增加一 个模拟量模块EM235。 现场部分包括球液位检测装置、视频监控装置。所述PC监控终端连接PLC芯片 和视频监控装置，接收并分析PLC芯片和视频监控装置传递的数据信息。所述PLC芯片与 浮球液位检测装置电路连接，PLC芯片接收并处理浮球液位检测装置传递的液位信号。扬 水站系统不经常启动，且启动转矩较大，这样把自耦变压器得输出端做成固定抽头，在K = 80%、65%、50%三种选择中选65%变比适中，启动电流也能满足系统要求。所以PLC芯片 通过一 自耦变压器还与扬水站电机开关控制电路连接，采用自耦变压器启动/关闭扬水站 电机。根据浮球液位检测装置传递的液位信号通过自耦变压器决定扬水站电机的开关。 模拟量扩展模块的连线方式如图2所示。由于线比较多，在接模拟量连线时要注 意取值不同连线也不同，测电流需要把A+和RA短接，不用的端子也要短接。测电压要分别 接RA和A+。如果出现扰动现象，可以使用本身所带的模拟量输入口验证。 模拟量扩展模块的输入端采集来自扬水站电机的电流，这个电流是模拟量，要想 传入PLC必须把其转换成数字量，这就需要把电流变成PLC能够识别的数字量，转换设备用 电流变送器实现电量之间的转换。所以我们在PLC芯片的主模块的扩展接口上用平行数据 线连接一将电流模拟量转变为数字量的电流变送器。 但是，模拟量扩展模块只接受4 20ma的电流，而我们检测的电流最大能达到300A 远远超过模拟量扩展模块范围值，我们用电流互感器来实现这个转变(此实施例中电流互 感器选用初级电流300A/次级电流5A的电流互感器)。模拟量扩展模块电路连接一 电流互 感器，电流互感器与扬水站电机主电路连接。电流互感器还连接一电流表，用于直观的显示 通过电流互感器的电流量。通过电流互感器把大电流变成PLC芯片能接受的小电流，根据设备和技术指标选择300A/5A。也就是初级电流是300A时，次级电流是5A，这样就能满足 设计要求，使电流能通过模拟量扩展模块传送给电流变送器。此时电流变送器就把0 5A的 模拟电流变成4 20ma的数字电流传给PLC。 PLC芯片处理所获信息后传送给PC监控终端。 所述浮球液位检测装置采用电磁触头式的浮球，利用重力与浮力的原理设计而 成，浮球是干簧管结构，在外面有一个可以活动的浮球，球内有磁铁。当磁铁受浮力靠近干 簧管的时候，干簧管内的触头就接通或者断开。干簧管的原理是同磁极相排斥，异磁极相 吸。液位开关内干簧管的开关控制相应的操作机构。当浮球受到液体浮力作用而随液位上 升或下降，通过设置在体内的驱动机构驱动大容量微动开关输出开(通)或关(断)的信 号。浮球液位检测装置设置有正常水位状态开启的常开点，以及过低水位状态开启的常闭 点；所述常开点、常闭点电路连接到PLC芯片的输入端；所述常开点、常闭点设置为多个液 位检测联动设置，只要任意一液位低于要求，都能打开/切断电路使电机开启/停止转动。 当扬水站电机进行启动时，电机的电流会从零增加到一个高电流，高电流大约能 达到正常值的1. 5倍，所以在对电机电流监视时要把这个过程屏蔽掉，电机启动后大约5秒 内电流就是个正常值，5秒后再对电流监视，所以就在电机启动后5秒再发送读取命令。电 机电流正常值应在100-150A之间，出现低电流主要是因为电机没有负载或负载过小所造 成的，出现高电流主要是因为电机缺相或负载过大等原因造成的，电流值有时可能达到电 流正常值的3倍。这两种情况对电机来说损坏十分大，所以在电机运行过程中一定要避免 这两种情况发生；另外在扬水过程中，可能会出现水位过低的现象，如果不及时发现，使扬 水站电机空转，会使扬水站电机损坏。这样就需要在PC监控终端内设置液位高低的警戒值 和电机电流的大小的警戒值，并连接一报警模块，报警模块可在PC监控终端判断所获液位 值低于液位警戒值或者电机电流值超过电机电流警戒值时进行报警。所述报警模块内设置 有报警所需使用的MP3文件，当需要报警时该模块运行MP3文件进行报警。 所述视频监控装置包括摄像头、云台、解码器、采集卡，所述采集卡中设置有所述 云台的通信协议。摄像头标准为内置镜头4，6，8，12mm同步系统、Internal/External、 Composite Video Output (1Vp-p 75 Q Terminated)、电源DC 12V(/_10%)。视频监控装置 接受PC监控终端所发送的指令，通过控制云台转动和摄像头采集的视频数据进行编辑后 回馈给PC监控终端。 PC监控终端设置有数据储存装置、国际标准化接口 ，可以连接打印机等多种外接 设备。根据监控系统的24小时不间断运行的要求，使得系统应具备容灾能力，这种容灾能 力需要从机器设备、传输设备和不可预料三个方面来保证。所以在PC监控终端还连接了数 据备份和恢复模块和自动断电保护模块。 另外当PC监控终端得到一些数据后，就可以根据数据做一些统计与分析。根据 PLC芯片的状态变化记录数据，如何时打开电机、何时关闭电机、操作人员是谁等等数据。使 用ADO. NET可以把所得到的数据放入ACCESS中，也可以从ACCESS中取到所要的数据。扬 水站要得到的数据有记录查询与流量统计，记录查询可根据人员、时间查询，这样可以方便 的得知所有的操作及工作记录，以前这些操作都是用手工去记录的，这样就完成了记录查 询的信息化提高了工作效率。 另一个非常重要的数据就是扬水量，也就是说扬水站所做的工作量。每一台电机 一秒的出水量为1.2立方米，有了电机的运转时间就可以计算出扬水量，可从数据库中得知电机的打开时间及关闭时间，那么这两个时间的差就是扬水站电机在这次开关中的运行 时间，把每次的时间进行累加就可以得到扬水站电机的总时间。在Cft中去实现使用Time Span存放时间差，在所有扬水站电机记录中进行循环统计打开与关闭的时间差，最后，根据 扬水量=1.2立方米X电机运行秒数算出扬水量。 以上所述配置如下 1、1、PC监控终端配置 必须是国内外知名品牌机。最低配置如下 处理器:AMD Athl0I164X23600+AM2、 Intel赛扬D 331 2. 66G 处理器接口 socket AM2 (940针) 二级缓存2X521KB 主板内存总线频率1000MHz 内存类型DDR2 内存容量512M 存储设备硬盘类型SATA硬盘 硬盘参数7200转 硬盘容量80G 显示器17英寸液晶显示器 网卡板载10-100M网卡 2、PLC芯片 西门子12数字输入，10个输出，6个模拟输入。 数据线西门子原装 3、摄像头内置镜头4，6，8，12mm同步系统， Internal/External视频信号， Composite Video Output (lVp-p 75QTerminated) 电源，DC 12V(/_10% ) 4、电流变送器10A输出5V电源电压24V ; 5、电流互感器初级电流300A/次级电流5A 其中软件环境为 ①操作系统Windows XP ②其它软件 NET Frame Work 2. 0 A0P DVR监控系统 EXCEL ; Access数据库。
权利要求扬水站自动监控系统，其特征在于其包括PC监控终端、PLC芯片、浮球液位检测装置、视频监控装置；所述PC监控终端连接PLC芯片和视频监控装置；所述PLC芯片与浮球液位检测装置电路连接；所述PLC芯片通过一自耦变压器与扬水站电机开关控制电路连接。
2. 根据权利要求1所述的扬水站自动监控系统，其特征是在PLC芯片主模块的扩展 接口上用平行数据线连接一将电流模拟量转变为数字量的电流变送器，并通过其电路连接 一实现对电流模拟量采集的模拟量扩展模块；所述模拟量扩展模块电路连接一可采集扬水 站电机电流量，并将大电流变成PLC芯片能接受的小电流的电流互感器；所述电流互感器 与扬水站电机电路连接，电流互感器还连接一显示电流量的电流表。
3. 根据权利要求1或2所述的扬水站自动监控系统，其特征是所述浮球液位检测装 置设置有正常水位状态开启的常开点，以及过低水位状态开启的常闭点；所述常开点、常闭 点均电路连接到PLC芯片的输入端；所述常开点、常闭点设置成多个液位检测时只要任意 一液位低于要求，都能打开/切断电路、电机开启/停止转动的联动设置。
4. 根据权利要求3所述的扬水站自动监控系统，其特征是所述PC监控终端内设置有 液位高低的警戒值和电机电流大小的警戒值，并连接一可在PC监控终 端判断所获液位值 低于液位警戒值，或电机电流值超过电机电流警戒值后，进行报警输出的报警模块；所述报 警模块内设置有报警所需使用的MP3文件。
5. 根据权利要求4所述的扬水站自动监控系统，其特征是所述视频监控装置包括摄 像头、云台、解码器、采集卡，所述采集卡中设置有所述云台的通信协议。
6. 根据权利要求5所述的扬水站自动监控系统，其特征是在PLC芯片的输入端接入 控制多台电机的启动和停止的多对按钮，在PLC芯片的输入端设置有在有输入的情况下亮 起的指示灯；在PLC芯片的输出端设置有在有输出的情况下亮起的指示灯。
7. 根据权利要求6所述的扬水站自动监控系统，其特征是所述PC监控终端设置有数 据储存装置、国际标准化接口 ，并连接有自动断电保护模块以及数据备份和恢复模块。
专利摘要一种扬水站自动监控系统，解决现有扬水站自动监控设备自动化程度低，费用高，反馈信息不及时不利于管理的问题。扬水站自动监控系统以PC监控终端为主控装置，分为控制室部分和现场部分，控制室部分包括PC监控终端、PLC芯片及其扩展模块；现场部分包括球液位检测装置、音视频监控装置。所述PC监控终端连接PLC芯片和视频监控装置，接收并分析PLC芯片和视频监控装置传递的数据信息。PLC芯片与浮球液位检测装置电路连接，接收并处理浮球液位检测装置传递的液位信号；所述PLC芯片还通过一自耦变压器还与扬水站电机开关控制电路连接。根据浮球液位检测装置传递的液位信号通过自耦变压器决定扬水站电机的开关。
文档编号G05B19/05GK201540471SQ20092028010
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者冯润根, 吴跃飞, 徐洪祥, 杨清虎, 陈怀军 申请人:徐洪祥