基于5G无人值守泵站系统的研究

基于5G无人值守泵站系统的研究

谢树欣

身份证号：440902199412303636

摘要：泵站系统是村镇发展过程中的重要生产设备，为迎合村镇发展过程中带来的用水需求量的急剧上升，充分考虑村镇的现状与需求，改变泵站现有的生产方式和运营模式，采用无人值守的方式，实现泵站的5G数据传输、VPN技术通信、自动控制、恒压供水、远程操控、集中监控等功能，有效节约人工成本投入，提高泵站的效率和安全生产系数。

关键词：5G；VPN；自动控制；无人值守；远程监控

1 引言

近年来随着社会的进步，经济和科技的发展，村镇居民生活水平不断提高，对工作和工业的生产水平都有了更高的要求，这导致村镇居民对生活用水和工业用水的需求量增加。相比于城市供水工程，村镇供水工程具有规模小、用户分散等特点，同时建设条件、管理条件、供水方式和用水条件、用水习惯等方面与城市供水系统都有较大的差异，村镇供水工程需要新的系统进行控制。就传统的泵站而言，其采用的是工作人员定时去查看，这种方式不仅投入的人工成本高，且有因人员疏忽造成泵站工作异常的风险存在，安全系数低、效率低等问题需要解决。为了改变村镇的传统供水模式，设计基于5G技术实现无人值守监控泵站系统，实现自动控制恒压供水，有效节约人工成本，提高泵站的效率和安全生产系数。

2 系统关键技术架构

基于5G无人值守泵站系统在实现减少人工成本投入和提高设备运行效率的同时，还要实现泵站固有的多种功能如：水泵和各种控制阀等设备数据采集、自动化控制、远程数据传输、泵站安防管理、视频监控实时监测等。该系统的技术架构为通讯系统、自动控制系统和安防管理系统三个部分。其系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

3 通讯系统：基于5G的VPN技术

3.1 5G无线网络

3.1.1 5G无线网络简介

移动通信网络从1G发展到现在的5G，现在的网络是一种多种网络共存，包含多种无线制式的复杂网络。其中目前处于新兴的5G网络架构具有更加灵活的网络拓扑，以及更加智能高效的资源协同能力，5G广泛应用于各种无线接入技术。

5G移动通信系统需要在移动性、时延性、接入速率等方面较3G/4G网络有显著的提升。其次，在流量密度、连接数密度、能源效率等指标方面，也提出来新的要求。

3.1.2 5G无线网络应用分析

目前5G网络解决的不再单单是人与人之间的通信问题，而是包含人与机器、机器与机器之间生态信息系统。其典型覆盖场景包括室外广域覆盖、室内热点覆盖、低功耗数据采集、低时延物联网控制。

在无人值守泵站系统该种应用场景下，需要接入的设备终端数量众多、分布范围广泛，但对数据的传输速率要求不高，主要是小数据包发送，发射功率也较低，对其他终端的干扰较小，采用5G网络技术能更好地发挥其低功耗数据采集的特点。在无人值守的泵站内安防管理主要通过视频监控以及红外监控设备进行安防管理，在该场景下业务应用对时延和可靠性要求很高，4G建网标准上行1Mbps（小区边缘），难以支撑高清视频监控等业务的规模传输要求，而5G具有高速传输的特性，相比4G速率高8-10倍，所以使用5G无线网络能确保监控实时在线，保证安全监控。

3.2 VPN技术

3.2.1 VPN技术简介

虚拟专用网络（VPN）可以实现不同网络的组件和资源之间的互相连接。虚拟专用网络对用户端透明，用户就像在用一条专用的线路在客户计算机和企业服务器之间建立点对点连接，进行数据的传输。

VPN能提供高性能、低价位的因特网接入。VPN的典型应用如下图2所示。

图2 VPN的典型应用

3.2.2 VPN技术应用分析

泵站与上位机监控、调度中心形成良好的网络通讯是建立无人值守泵房系统的基础。端到端数据通路中存在一定的安全风险，例如拨入段数、因特网上、安全网关中、内部网中等数据泄漏的风险。

在端对端的数据通路中随处都可能发生数据的泄漏，而我们需要考虑的是无人值守泵站系统传输的数据都是与生产安全息息相关的数据，不能容许被外部随意监听或者篡改数据，需要避免其遭受攻击，所以必须采用一定的方法或协议保证数据安全。

在该内部网络中，需要考虑网络中传输的都是与生产安全息息相关的重要数据，为了确保这些数据的安全性，传统的方式只能是把泵站、上位机监控、调度中心同整个企业网络断开形成孤立的小网络。但是采用VPN方案，通过使用一台VPN服务器就能实现泵站与整个企业网络的连接，可以保证各部门的通讯连接，同时VPN技术还可以对所有的数据进行加密，有效减少数据在网络中的泄漏风险，大大保证了重要数据的安全性。

4 自动控制系统：恒压控制技术

4.1 自动恒压供水控制系统分析

无人值守泵站的自动控制系统由1个PLC控制柜、3台水泵、3个电动阀和5个压力表等设备组成，如图3所示，其中每台水泵的频率都由1台变频器控制。其中主要采用了PLC（可编程控制器）作为本自动控制系统的控制器，通过RS485通讯读取系统设备信号数据，并采用自动控制技术来进行PID控制，压力表的读数作为反馈量，通过控制水泵的启停和水泵启动的频率，从而控制泵站的出水压力，实现恒压供水，变频调速恒压供水有节能、安全、高品质的供水质量等优点。同时PLC还可以传输生产相关的数据，连接虚拟专用网络，实现远程监控。

在其工作过程中，水泵的最高运行频率为50Hz，当1台泵供水不足时，该泵降频到45Hz运行，变频柜启动第2台泵达到25Hz以上时再打开2号泵的电动阀门，当两台水泵的频率都达到45Hz，若流量还不够，则两台水泵一起上升到50Hz。若流量还不够，则1号泵和2号泵都降为45Hz时，再启动第3台泵，当3号泵达到25Hz以上时再打开3号泵的电动阀门。若用水量减少，按启泵顺序依次先关阀再停止泵，直到最后1台泵变频恒压达到一定时才可以停止工作，这就是水泵的协同降压启动。水泵的协同降频启动更加保证了管网中水压的恒定，能有效避免水泵的频繁启停产生水锤效应，出水压力实现无级调节，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。

充分利用自动控制技术、PID控制技术以及使用PLC技术以达到恒压供水，降低成本，保证供水质量和泵站的远程监控等方面有着非常重要的意义。

图3 泵站设备示意图

4.1.1自动控制技术

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（控制量）自动地按照预定的规律运行。它涉及利用反馈原理对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的数值。在现代科学技术的众多领域中，随着自动化技术的不断发展，采用自动控制技术来进行工业控制其效益会得到明显的提高。

无人值守泵站系统就是一个以恒压供水为目的的自动控制系统。在该系统中，自动控制装置为测量元件压力表，PLC作为控制器把压力表送来的信号与工艺上设定需要保持的参数规定值进行对比，得出偏差，并且根据这个偏差的大小对进行计算，输出相应的控制信号，即变频器的输出频率和出水阀门的开关信号等，从而调节水泵的频率，得出以达到出水压力接近设定值目标的反馈控制系统模型。

5 安防管理系统：视频监控系统

安防系统管理对无人值守泵站有重要的意义，利用摄像机对各个设备以及多个生产场所进行监控，将拍摄到的画面传到硬盘录像机中，硬盘录像机通过5G连接虚拟专用网络，将数据实时传回到公司内部网络中的安防视频监控系统管理平台，统一管理视频监控系统。不仅能减少人工成本投入，避免人员在现场值守，而且能有效提高生产系统的安全性，确保系统的安全。

6 结论

随着村镇建设的发展，其用水需求量日益上升，对泵站的供水能力要求越来越高，基于5G的无人值守泵站系统建立有着重要的发展意义。充分考虑村镇的现状与需求，改变泵站现有的生产方式和运营模式，采用无人值守的方式，有效节约人工成本投入，降低了人的劳动强度，并且能有效增强设备的安全性和可靠性，创造了节约成本、节能降耗的经济效益。无人值守的泵站系统主要利用5G移动通信技术实现生产相关的信息通过虚拟专用网络传输到公司内部网中的监控平台，利用PLC采集设备数据自动控制生产设备实现恒压供水，利用视频监控实现设备与生产场所的安防管理等关键技术。在系统后期建设和运行的过程中，不断进行系统功能的完善与优化，摸索自动控制系统的运行与管理经验，最终实现泵站的无人值守。

参考文献：

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