淺析自動化監控系統在固原東飲工程中的應用

牛 赟

(寧夏固原市原州區水務局，寧夏固原 756000)

寧夏固原東部農村飲水安全重點供水工程(簡稱東飲工程)水源是固原東山坡引水工程賀家灣水庫，主要解決固原市原州區東部和彭陽縣西北部，原州區8鄉(鎮)和彭陽縣4個鄉鎮計98個行政村、14.50萬人及78所學校、82座清真寺的人飲安全問題。工程主管線全長112.26km，支線26條，總長990.38km，總投資為1.764億元。

為提高工程管理水平，降低運行管理費用，實行科學管理，科學運營及計劃節約用水目的，對工程采取自動化監控系統進行管理，準確實現自供水管網上采集數據、處理，并傳送到原州水務局調度中心、遠程控制監視供水管網相應設備，實現對人飲工程的分段、分層遠程監控和管理。

1 自動化監控系統的組成及工作原理

自動化監控系統由通信系統及自動化系統兩大部分組成，主要是對工程各泵站機組、凈水廠設備、輸水管閥門、輸水管壓力和流量、蓄水池水位等進行安全監視、自動控制、科學調度、穩定運行和經濟運行。通信工程主要解決各泵站、管理站、凈水廠、原州水務局之間生產、調度通話及各站點控制監測數據傳輸功能;自動化系統是采用計算機監控系統，實現上述各項監測功能。

1.1 組成及主要設備

根據東飲工程建設實際，自動化監控系統采用分段分層集中控制方式，調度中心設在原州區水務局，下層分段管理設有凈水廠、第2～第5管理站，共5個管理站點，各管理站點分別管理相應分段范圍內的現場測控單元，有4種類型42個現地PLC控制單元。工程自動化監控系統由遠程調度中心監控系統、管理站點監控系統、現場測控單元系統組成，各系統通過通信網絡實現數據雙向傳輸。

a.通信系統:包括通信網絡及調度電話系統，傳輸部分采用PDH光端設備和光電轉換器，交換部分采用小型用戶級數字程控交換機。設PDH光傳輸站6對端，光電轉換器42對端，交換站1個。線路部分采用單模層絞式、松套管結構、鎧裝直埋光纜。敷設直埋光纜123.01km，光纜采用GYTA53-4/8/12/18B1型單模、18、12、8、4 芯直埋光纜。

b.自動化系統:包括調度中心和現場監控系統的裝置、單元測控裝置、現場水測儀表的裝置。自動化系統采用開放式分層分布式系統結構，由調度中心中控室控制、管理站點控制、現地測控單元3層組成，系統之間通過以太網拓撲方式聯結。現地測控單元分為泵站PLC測控單元、凈水廠PLC測控單元、管路分水口PLC測控單元及蓄水池PLC測控單元4種類型。現地測控單元現地安裝，監控計算機分別在調度中心中控室和管理站點控制室安裝。系統配置包括硬件、軟件配置。硬件主要包括現地電量和非電量測量裝置、現地PLC控制單元、調度中心中控室和管理站點微機后臺監控系統。軟件配置主要包括系統軟件及監控應用軟件，監控軟件分管理站點監控計算機組態軟件和調度中心監控計算機組態軟件。

1.2 系統工作原理

整個自動化監控系統控制方式按三級調度控制方式控制，即調度中心調度級、管理站點控制級和現場就地控制級。現地控制級權限大于管理站點控制級權限，管理站點控制級權限大于調度級權限。正常運行時，由調度控制中心計算機監控系統對全線各在線監控泵站、凈水廠、蓄水池水位、輸水管道閥門、分水口流量壓力等進行遠方監控、數據采集、自動實時控制、輸水/配水調度及運行管理;當調度控制中心計算機監控系統，由于通信通道中斷或設備故障失去功能時，控制權下放到管理站點，由分段管理人員通過管理站點監控計算機實現控制功能;當上兩級監控系統由于通信通道中斷或設備故障而失去功能時，控制權可下放到現地，管理人員通過現地PLC裝置實現控制功能。正常運行時現地PLC控制裝置、管理站點內的監控計算機只做監視不控制，只有在調度中心計算機監控系統出現故障的時候，管理人員可在管理站點內計算機上實現監控。檢修時，可采用現地PLC控制裝置就地控制方式。

系統工作原理如下圖所示。

系統工作原理流程圖

2 自動化監控系統功能

通信及自動化系統采用分層、分布、分散式結構，實現實時監測，在保證整個系統安全可靠運行的前提下，降低運行管理費用，達到“無人或少人值守”的目標。工程自動化監控系統有數據采集與監視控制(SCADA)、優化調度、經濟運行、通信、安全分析、監控顯示等功能。

2.1 調度中心監控系統功能

2.1.1 數據采集與處理

調度中心監控系統采集各管理站點上送來的模擬量、開關量及經各種計算、綜合和統計后的處理信息，存入數據庫;監視泵站、凈水廠主要設備運行狀態、調蓄水池水位、各站點電氣參數、輸水分水流量、輸水管路壓力、通信設備或通道運行狀態、泵站泵組揚程及流量等;機組事故或危急狀態處理，事故和報警報告，事故順序記錄，事故追憶和相關量記錄，趨勢分析等。

2.1.2 優化調度

調度控制中心計算機監控系統根據輸水系統全年的輸水計劃及水源水情，進行優化計算，給出全年每月抽水總量及取水口取水量，并不斷獲取工程運行狀態和來水、用水的最新信息，對調度方案進行實時校對，實現調度方案與實時信息的迅速反饋、合理調整。

2.1.3 經濟運行

在滿足輸水量，保證整個輸水系統安全穩定運行的前提下，使整個系統棄水量少、能耗量小。通過對各泵站運行方式及輸水管路分水閥門控制和取水口流量的調度，保證整個輸水系統用水和最小能耗。

2.1.4 通信功能

調度控制中心調度員，可在調度控制臺上通過鍵盤直接對各監控站點的控制對象進行遠方控制。同時控制兩座泵站所有泵組的起動和停機，輸水分水閥門的開啟和關閉。

2.1.5 安全分析

當輸水線路中任何1處(或多處)發生機組變壓器與設備本身因輸電線路出現事故而被迫停機等事故時，計算機系統應根據可能出現的故障情況制定處理措施，自動實現相應的啟、停程序，以保證水工建筑物安全。

2.1.6 監控顯示功能

畫面顯示是計算機監控系統的主要功能，采用流程圖、儀表圖、棒型圖、總貌圖等形式，實時、動態地顯示重要工藝參數的變化情況和整個工程的實時情況。模擬和數字過程變量隨時間的變化過程可以驅使畫面進行顯示并歸檔存儲。

系統能對各現地PLC控制器的參數進行設定和修改。具有良好生動的人機界面，所有控制命令均具有中文信息提示。

2.2 管理站點監控功能

工程設有5個管理站點，對工程進行分段管理。各管理站點通過工業以太網通訊鏈路下接各下層測控單元，完成對各下層監控點測控單元的數據采集和控制。同時，通過通信網向調度中心傳送監測信號，向各下層測控單元傳送控制命令，實現遙測、遙信、遙控和遙調。各管理站點都具有數據處理、運行監視、事件報警、事故分析與處理、趨勢分析、人機聯系及操作、統計和制表打印、自動流量控制、通信、系統主時鐘、系統自診斷、自恢復等功能，能確保各管理站點控制范圍內工程運行安全，并隨時反饋信息，解決各種問題。

2.3 現地PLC測控功能

工程現地測控單元分泵站、凈水廠、輸水管路出水口測控裝置和蓄水池測控裝置三類，其中泵站、凈水廠分別作為獨立集成單位，其運行控制、監視、監測等功能要求均在泵站、凈水廠設計要求中描述，以下技術要求僅為輸水管路出水口及蓄水池現地PLC測控單元功能要求。

現地PLC測控單元具有數據采集和處理、控制與操作、通信、時鐘同步、自診斷等功能。各現地PLC測控單元能夠接受遠控級指令，并進行有效性檢查、核對后執行;以“定時”或“召喚”方式向遠控級發送采集的數據。

3 應用效果

3.1 提高工作效率

固原東部農村飲水安全重點供水工程自動化系統運行管理模式，按少人值班、集中控制方式設計，采用計算機監控系統，實現工程中泵站機組、凈水廠設備、輸水分支管路閥門及各蓄水池水位、輸水管流量、輸水主管壓力等監測功能，該系統能實現管理人員配置少、提高工作效率的目的。與傳統管理模式比較，該人飲安全工程需要至少20人管理，而配備自動化系統后，僅7人即可實現全系統工程管理，節約人工65%，并在調度中心計算機監控系統出現故障時，在管理站點內計算機上實現監控，從而克服東部山區山大溝深，人飲管線長遠，管理不便等困難，使工程實現高效管理、高效運行。

3.2 適時調整調度方案

調度控制中心計算機監控系統，根據不斷獲取的工程運行狀態數據、來水與用水信息，對調度方案實時進行校對，及時調整調度方案，同時，在保證整個輸水系統安全穩定運行的情況下，通過對各泵站運行方式及輸水管路分水閥門控制和取水口流量調度，實現整個輸水系統的棄水和能耗最小，實現經濟運行。

3.3 系統操作安全可靠

系統管理工作站、監控工作站等均有身份密碼識別和權限識別，未通過識別的人無法改變系統組態，無法對系統進行任何操作(停電除外)。系統設計有操作員記名和口令詢問措施，可將其操作開始和結束時間、操作動作記錄并存檔。而系統設備同時考慮操作習慣和步驟、通信的安全性及硬件、軟件、固件設計的安全性。系統對每個功能操作提供安全檢查和校核，當發生誤操作時，系統能自動禁止誤操作輸出并報警提示，可以確保系統操作安全，并隨時提示運行人員正確操作。

4 結語

固原東部農村飲水安全重點供水工程自動化系統，擔負著全線輸水流量最優化調度、輸水流量平衡控制、輸水量控制、輸水經濟運行、運行監視、運行事故處理、輸水起動控制、停止輸水控制、供水點供水量統計和計費、接收工程觀測、運行管理等任務，具有結構緊湊合理、適應性能好和操作簡便、運行穩定等特點。通過不斷改進，可在各種大、中型人飲工程中廣泛推廣和應用。