安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對我國城市泵站設(shè)備普遍偏舊，自動化、信息化管理水平不高，有待實現(xiàn)泵站遠(yuǎn)程集中監(jiān)控等問題，提出城市系站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)參考模型，闡述了城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控親統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、開發(fā)思路、泵站現(xiàn)場拉制時象及設(shè)計、監(jiān)控中心設(shè)計、監(jiān)控中心和各泵站通信、開發(fā)工具及監(jiān)控軟件設(shè)計等技術(shù)及要求。并扼要分析建立泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的效益。
關(guān)鍵詞:城市泵站 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 參考模型 計算機(jī)技術(shù)
1.城市泵站現(xiàn)狀
目前我國各大中城市的給水調(diào)水泵站、雨水泵站、排污泵站主要分散于城市城區(qū)，進(jìn)郊區(qū)及遠(yuǎn)郊區(qū)。生產(chǎn)運行主要采用現(xiàn)場人員值守。些泵站建成及運行時間較長，設(shè)備老化；近年來建設(shè)的泵站，大多數(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)場自動控制；也有少數(shù)地區(qū)實現(xiàn)了幾個泵站、*多幾十個泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控.采用的技術(shù)和設(shè)備參差不齊，效率、效果也不盡相同，例如有的泵站沒有自動化監(jiān)控系統(tǒng)；有的選用的技術(shù)及設(shè)備陳舊，穩(wěn)定性差；有的泵站信息不能上傳，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等。這些都有待于采用更先進(jìn)的，成熟的技術(shù)和設(shè)備加以改造完善，實現(xiàn)所有泵站的自動監(jiān)控。本文提出建立泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的參考模型，供商榷。
2.參考模型
參考模型示意如圖1所示。泵站監(jiān)控中心負(fù)責(zé)泵站生產(chǎn)運行的監(jiān)測監(jiān)控，并通過有線和無線的方式實現(xiàn)監(jiān)控中心和各個泵站信息的交換傳輸。具體介紹如下。
2.1泵站生產(chǎn)流程及控制監(jiān)測點
泵站工藝流程如圖2所示，泵站自動控制流程如圖3所示。從圖2、圖3可知，自動控制系統(tǒng)設(shè)計模型考慮了泵站生產(chǎn)控制的可能環(huán)節(jié)。包括入水流量和出水流量；集水池液位；集水池格柵前后液位差；集水池格柵前后液位差報警；泵站的設(shè)備運行狀態(tài)，包括：每個泵的電機(jī)運轉(zhuǎn)情況，啟/停狀態(tài)、電機(jī)溫度、電機(jī)工作電流和電壓；軟啟動器的工作狀態(tài)；變頻器的工作狀態(tài)；流量計、液位計、液位差計、浮球液位開關(guān)、溫度計、電流表和電壓表等的維護(hù)狀態(tài)；直接下達(dá)實時控制指令，控制泵站的運行。
2.2泵站監(jiān)控中心
泵站監(jiān)控中心的作用主要是監(jiān)視和控制遠(yuǎn)方各個現(xiàn)場泵站的生產(chǎn)運行，同時將各個泵站運行狀況信息上傳有關(guān)管理部門，同時考慮未來工作的可擴(kuò)展性，應(yīng)選用以下設(shè)備：工業(yè)控制計算機(jī)、高清晰度彩色顯示器、針式打印機(jī)、不間斷電源、管理計算機(jī)、激光打印機(jī)、工作臺、文件柜、轉(zhuǎn)椅，消耗品、大屏幕投影屏、工業(yè)鍵盤等。同時建成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖4所示。
2.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信
泵站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為以太網(wǎng)，可達(dá)14/100Mh/,速率，主要由3個子系統(tǒng)構(gòu)成；監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如圖4所示),泵站現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如圖3所示)及各泵站和監(jiān)控中心通信系統(tǒng)。前兩者分別為100Mb/s以及網(wǎng)及10Mb/s以太網(wǎng).各泵站和監(jiān)控中心通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信方式很多，可只據(jù)監(jiān)控泵站的數(shù)量、系統(tǒng)所在地的通信條件等諸多因素來確定，主要有兩種類型：①有線：包括光纖.公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PSDN、ISDN、電話撥號等；②無我：包括電臺、微波、擴(kuò)頻微波及衛(wèi)星。考慮到泵站點多而且分散的特點，采用無線通信方式為佳，如圖5是種典型的無線微波通信方式，采用此無線通信方式，連接到各個泵站的速率可達(dá)到2Mb/s以上，*新，“品可達(dá)11Mb/s.完全可以滿足泵站網(wǎng)絡(luò)通信的要求。
2.4泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件
泵站監(jiān)控系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)兩個主要功能：一是對下屬各泵站(可擴(kuò)展)的運行情況進(jìn)行監(jiān)視、控制；二是對下屬各泵站(可擴(kuò)展)的日常生產(chǎn)活動進(jìn)行管理。
(1)計算機(jī)監(jiān)控管理程序。實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)置；完成對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組態(tài)：監(jiān)控生產(chǎn)作業(yè)過程，包括：顯示控制過程畫面和實時數(shù)據(jù)；顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢圖；顯示重要設(shè)備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和存儲；輔助管理日常生產(chǎn)業(yè)務(wù)，提供決策參考。
(2)事故報警。生產(chǎn)過程中的檢測量超標(biāo)時，系統(tǒng)自動報警顯示，并通過報警打印機(jī)打印輸出，形成記錄文件；生產(chǎn)過程中的自動狀態(tài)下的控制設(shè)備發(fā)出故障信號或失去控制時，系統(tǒng)自動報警顯示，并通過報警打印機(jī)輸出，形成記錄文件；報警數(shù)據(jù)自動存儲以備事后分析。
(3)數(shù)據(jù)存檔和生產(chǎn)報表。系統(tǒng)自動生成日報表、月報表和統(tǒng)計報表，通過報表打印機(jī)打印輸出，形成生產(chǎn)記錄文件，并且文檔可由EXCEL進(jìn)行自定義處理，或用其它工具軟件進(jìn)行處理；具有時間和事件控制存檔；可與其他Windows程序進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交換。
(4)人機(jī)操作界面設(shè)計。人機(jī)操作界面是整個系統(tǒng)與用戶之間交流的窗口，它提供一種直觀的圖形化的功能實現(xiàn)，整個操作界面為層次漸進(jìn)風(fēng)格：*一層為城市所有泵站的分布圖，主要顯示信息說明：總進(jìn)水量、總出水量及各泵站總體狀況(正常、超載或關(guān)閉)等。*二層為各個泵站的工藝流程畫面，主要顯示信息說明：該泵站的總進(jìn)水量、出水量及其各個設(shè)備的總體狀態(tài)(正常、超載或故障)等，控制窗口提供對該泵站啟動/關(guān)閉等控制。*三層為泵站中各個具體設(shè)備的工作狀態(tài)、歷史記錄顯示，主要顯示信息說明：集水池：液位、液位報警；粗格柵系統(tǒng)：粗格柵前后液位差、液位差報警；細(xì)格柵系統(tǒng)：細(xì)格柵前后液位差、液位差報警；泵：所用泵的編號，電機(jī)的溫度、電流和電壓，啟或停，正?；蚬收?，電機(jī)報警；軟啟動器：正?；蚬收?，啟/停，報警?？刂拼翱谔峁υ撛O(shè)備啟動/關(guān)閉及維護(hù)等控制。
3.社會及經(jīng)濟(jì)效益
通過建立泵站監(jiān)控中心，實現(xiàn)泵站生產(chǎn)運行的遠(yuǎn)程監(jiān)控，預(yù)計可產(chǎn)生如下效益：建立泵站監(jiān)控中心，可以實現(xiàn)復(fù)雜的泵站工藝流程的安全運轉(zhuǎn)，減少人為因素帶來的可能事故和隱患，減輕勞動強度，提高工作效率和效益；節(jié)約能耗，實現(xiàn)增效；泵站監(jiān)控中心和主管職能部門，能及時方便地了解掌握泵站的生產(chǎn)和運行情況。
4.泵站管理系統(tǒng)
泵站管理平臺由本地保護(hù)測控裝置、測量采集儀表、PLC自控裝置、視頻安防、本地控制系統(tǒng)以及區(qū)域泵站管理平臺組成。通過泵站管理平臺可以實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)泵站的數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)測、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、事故預(yù)告報警、事件記錄、運維管理等功能，實現(xiàn)泵站無人值守、集中運維管理，提高泵站的運行可靠性。
圖4泵站管理平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
4.1泵站管理系統(tǒng)(就地部署)
Acrel-2000M泵站管理系統(tǒng)部署在泵站內(nèi)部，實現(xiàn)對泵站的多方面監(jiān)視、控制和運行記錄，在異常時可及時發(fā)出報警信號，保障泵站運行安全。
泵閘全景圖可以幫助用戶進(jìn)行多方面的監(jiān)測泵閘多方面的運行狀態(tài)，比如內(nèi)外河水位、節(jié)制閘東西方向的開度、內(nèi)外側(cè)閘門的開度、水泵運行的狀態(tài)以及電流。
查看泵站配電回路的分布和連接情況以及主要的電參量。主要數(shù)據(jù)包括：三相電流，三相電壓，功率、電能、功率因數(shù)、回路名稱。
監(jiān)測節(jié)制閘運行狀態(tài)，比如閘門開度，是否鎖定解鎖等狀態(tài)，同時具備監(jiān)測內(nèi)外河水位的趨勢、油泵的運行情況。另外在該功能模塊可以實現(xiàn)對節(jié)制閘、油泵的遠(yuǎn)程控制功能，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)方/就地控制的切換。
監(jiān)測水泵運行狀態(tài)，比如運行、停止、保護(hù)裝置故障等狀態(tài)，實現(xiàn)對水泵遠(yuǎn)程控制、排水引水聯(lián)動控制，在實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能之前將水泵、工作閘門PLC控制柜選擇遠(yuǎn)方。排水引水聯(lián)動時，系統(tǒng)將下發(fā)進(jìn)水閘門打開命令，直至進(jìn)水閘門全開狀態(tài)。
監(jiān)測工作門、油泵運行狀態(tài)，比如運行、停止等狀態(tài)，在該功能模塊可以實現(xiàn)對工作門、油泵遠(yuǎn)程控制。
可以監(jiān)測電機(jī)運行負(fù)荷曲線、內(nèi)外水位曲線等等，幫助用戶分析和記錄運行趨勢。
此外，系統(tǒng)還具備異常報警、報表制表等功能，使管理人員及時了解電站運行情況。
4.2區(qū)域泵站管理平臺
AcrelEMS泵站管理平臺設(shè)置在云服務(wù)器或者*定的區(qū)域指揮中心，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)不同類型泵站的統(tǒng)一監(jiān)控，提高管理效率。平臺具備泵站地理位置顯示、泵站3D展示、電力監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、視頻監(jiān)控、報警管理、設(shè)備管理、運維管理等功能。數(shù)據(jù)可通過4G無線專網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸。
可在地圖標(biāo)識泵站位置，點擊地圖上圖標(biāo)可直接進(jìn)入泵站監(jiān)視界面。
通過2.5D或3D界面實時展示泵站運行狀態(tài)，包括電氣數(shù)據(jù)、管網(wǎng)、水位、閘門狀態(tài)等。
實時監(jiān)測泵站配電系統(tǒng)運行狀況，包括電氣參數(shù)，越限/異常報警等等。
平臺可展示泵站變壓器、電機(jī)、線纜等關(guān)鍵接點溫度，另外可對泵站電機(jī)振動、環(huán)境溫濕度、水位、閘門狀態(tài)、視頻、門禁等各種參量，并可設(shè)置越限報警。
分析各泵站電能消耗數(shù)據(jù)和碳排放分析，對標(biāo)水泵能效指標(biāo)，為管理者進(jìn)行設(shè)備能效升級改造提供數(shù)據(jù)支持。
平臺可對區(qū)域內(nèi)泵站的報警進(jìn)行分級：普通、嚴(yán)重、事故三個級別，并對所有事故進(jìn)行分析，幫助管理者更好了解泵站的運行狀況，避免錯過重要的報警信息。
平臺針對泵站設(shè)備建立設(shè)備檔案庫，記錄設(shè)備生產(chǎn)廠家、性能參數(shù)、維護(hù)保養(yǎng)信息，并生成設(shè)備二維碼，支持運維巡檢、缺陷記錄、工單管理、事故搶修等運維管理流程，幫助用戶更高效的管理泵站運維。
此外平臺可接入各泵站的照明控制系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平臺進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理，提高泵站的運行安全和管理效率。
5.泵站的電氣自動化二次產(chǎn)品選型
5.1泵站電氣設(shè)備的自動控制、測量、保護(hù)、監(jiān)視、通訊
其內(nèi)容包括：泵站高壓送、變電系統(tǒng)；泵站0.4kV配電系統(tǒng)；泵站直流系統(tǒng)；電機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)。泵站的保護(hù)測控裝置配置如圖2所示。所有裝置均具備通訊接口，可通過智能網(wǎng)關(guān)接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺，智能網(wǎng)關(guān)具備邊緣計算和邏輯控制功能，可根據(jù)現(xiàn)場運行工況進(jìn)行自動控制。
圖2泵站保護(hù)測控裝置配置圖
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名稱 |
圖片 |
型號 |
功能 |
應(yīng)用 |
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微機(jī)保護(hù)裝置 |
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AM6 |
提供35kV和10kV線路、變壓器、電動機(jī)、電容器、母聯(lián)保護(hù)備自投 |
保護(hù)測控裝置 |
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多功能綜合測量儀表 |
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APM520 |
三相電流、線電壓/三相相電壓、雙方向有功/無功功率、雙方向有功/無功電能、功率因數(shù)、頻率、諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計，RS485/Modbus-RTU接口 |
高低壓回路電氣參數(shù)測量 |
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電動機(jī)測控裝置 |
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ARD3M |
適用于額定電壓至660V的低壓電動機(jī)回路，集保護(hù)、測量、控制、通訊、運維于一體。（過流、欠流）、電壓的（過壓、欠壓）及斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、漏電、三相不平衡、過熱、接地、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時、繞組老化予以報警或保護(hù)控制。 |
低壓電動機(jī)保護(hù)控制 |
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抗晃電裝置 |
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ARD-KHD |
電壓短暫失壓時防止接觸器脫扣，電壓恢復(fù)后不間斷運行，避免系統(tǒng)受到?jīng)_擊。 |
抗晃電 |
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無功補償控制器 |
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ARC |
根據(jù)目標(biāo)功率因數(shù)投切電容器實現(xiàn)無功補償 |
無功補償控制 |
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無線測溫傳感器 |
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ATE400 |
監(jiān)測35kV及以下電壓等級配電系統(tǒng)母排、線纜連接點溫度和溫升預(yù)警。 |
適用于35kV及以下電壓等級開關(guān)柜母排、斷路器、電纜接頭等接點溫度監(jiān)測 |
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無線測溫接收器 |
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ATC600 |
接收無線測溫傳感器數(shù)據(jù)并通過RS485上傳。 |
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智能網(wǎng)關(guān) |
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ANet-2E4SM |
邊緣計算網(wǎng)關(guān)，嵌入式linux系統(tǒng)，提供AES加密及MD5身份認(rèn)證等安全需求，支持?jǐn)帱c續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議，支持邏輯判斷和控制。 |
數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和邏輯判斷 |
表1泵站保護(hù)測控裝置選型
5.2泵站及重要輔機(jī)系統(tǒng)的自動控制、測量、監(jiān)視、通訊
其內(nèi)容包括：為主機(jī)配套的油系統(tǒng)的控制（例如：水泵葉片調(diào)節(jié)壓力油系統(tǒng)、快速閘門液（油）壓操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、齒輪箱冷卻油系統(tǒng)等）；為主機(jī)配套的氣系統(tǒng)的控制（為真空破壞閥（虹吸式泵站）所配的低壓氣系統(tǒng)、為水泵葉片調(diào)節(jié)配套的壓力油及其它氣動工具用的中壓儲能氣系統(tǒng)）；泵站水系統(tǒng)（為主機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)、泵站排水系統(tǒng)和消防用水系統(tǒng)等）。
5.3各種非電量的自動測量、監(jiān)視、通訊
其內(nèi)容如下：水工安全方面的位移、沉降、揚壓力、應(yīng)力等各種監(jiān)測；水文、水位、水情、水量、水質(zhì)等各種監(jiān)測；各種溫度、濕度的監(jiān)測；絕緣監(jiān)測；各閘門開度、荷重等監(jiān)測。
這些信號均為模擬量和開關(guān)量形式輸出，采集信號為4-20mA模擬量信號和開關(guān)量信號，這些信號主要PLC裝置采集并進(jìn)行相應(yīng)的告警和控制，數(shù)據(jù)可上傳泵站管理平臺。
為了提高可靠性，4-20mA或者0-5V模擬量信號需要增加信號隔離裝置來實現(xiàn)限壓、限流、隔離等措施，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。
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名稱 |
圖片 |
型號 |
功能 |
應(yīng)用 |
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隔離式安全柵 |
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BM200 |
采用了限壓、限流、隔離等措施，防止危險能量從本安端子進(jìn)入危險現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。輸入4-20mA、0-5V、PT100/0-10kΩ等信號，輸出4-20mA、0-5V等信號。 |
模擬量信號安全隔離 |
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信號隔離器 |
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BM100 |
對電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進(jìn)行快速*確測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號輸出。既可以直接與指針表、數(shù)顯表相接，也可以與自控儀表（如PLC）、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備配接。 |
信號轉(zhuǎn)換隔離 |
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遙信單元 |
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ARTU100-K8 ARTU100-K16 ARTU100-K32 |
可采集8~32路開關(guān)量，具備SOE事件順序記錄，RS485/Modbus-RTU接口。 |
開關(guān)量采集 |
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遙信遙控單元 |
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ARTU100-KJ8 |
8路開關(guān)量采集和8路繼電器輸出，RS485/Modbus-RTU接口。 |
開關(guān)量采集 繼電器輸出 |
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模擬量采集單元 |
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ARTU100-MA84 |
8路4-20mA/0-5V采集和4路4-20mA/0-5V輸出，RS485/Modbus-RTU接口。 |
模擬量采集輸出 |
表2泵站信號采集及隔離裝置選型
泵站應(yīng)設(shè)置正常工作照明和應(yīng)急照明，并滿足各場所照度要求，應(yīng)急照明持續(xù)供電時間應(yīng)不少于30min。
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工作場所 |
工作面名稱 |
規(guī)定照度被照面 |
工作照明(lx) |
應(yīng)急照明(lx) |
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泵房間、格柵間 |
設(shè)備布置和維護(hù)地區(qū) |
離地0.8m水平面 |
150 |
10 |
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高低壓配電裝置室 |
設(shè)備布置和維護(hù)地區(qū) |
離地0.8m水平面 |
200 |
15 |
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控制室 |
設(shè)備布置和維護(hù)地區(qū) |
離地0.8m水平面 |
300 |
30 |
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變壓器室 |
設(shè)備布置和維護(hù)地區(qū) |
離地0.8m水平面 |
100 |
15 |
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樓梯 |
離地0.8m水平面 |
50 |
5.0 |
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通道 |
離地0.8m水平面 |
50 |
1.0 |
表3泵站照明系統(tǒng)要求
安科瑞為泵站提供消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)解決方案。正常工作照明可以采用感應(yīng)控制、定時控制、遠(yuǎn)程控制等控制方式，滿足泵站工作照明要求。應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)提供不少于90min的應(yīng)急照明，采用集中電源供電，確保消防安全。消防應(yīng)急照明和工作照明控制均可接入泵站管理平臺實現(xiàn)集中監(jiān)測和控制。
圖3泵站消防應(yīng)急照明和工作照明系統(tǒng)
6.結(jié)束語
本文針對我國城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)，提出了城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的手段和技術(shù)方法，希望能對我國城市泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)提供有益的參考。
【參考文獻(xiàn)】
[1]李啟飛.城市泵站鹽城監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.
