集控式少人無人值守水廠建設(shè)方法

楊天博，宋曉亮，杜 潔

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司 自動(dòng)控制與制造裝備技術(shù)工程研究中心，北京 100120）

0 引言

為應(yīng)對(duì)企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、水廠地理位置分散引發(fā)的信息共享、統(tǒng)一管理困難，解決傳統(tǒng)水廠運(yùn)營管理模式粗放、運(yùn)行低效等問題，對(duì)現(xiàn)有水廠進(jìn)行自動(dòng)化、信息化改造，使之能達(dá)到少人或無人運(yùn)行的水平，并建立區(qū)域性集控中心進(jìn)行集中的監(jiān)視控制，充分利用管理、技術(shù)人才資源，建立一種新的管理、運(yùn)營模式，達(dá)到減員增效、節(jié)能降耗的目的。可通過該類項(xiàng)目的實(shí)施促進(jìn)水廠規(guī)劃建設(shè)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、自動(dòng)控制水平的整體提高，并形成智慧化水廠設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營管理標(biāo)準(zhǔn)，通過精益化運(yùn)營管理工具的應(yīng)用，提升水廠綜合運(yùn)營能力。在本文中水廠指自來水廠、再生水廠、污水處理廠等類似工程。

1 介紹

無人少人值守水廠的建設(shè)分為全流程自動(dòng)化水廠的建設(shè)、區(qū)域集控中心的建設(shè)、MIS系統(tǒng)和高性能數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)等部分。全流程自動(dòng)化水廠應(yīng)配備可靠、完備的控制系統(tǒng)，按照嚴(yán)密的邏輯程序自動(dòng)運(yùn)行，并通過高性能數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域集控中心互通互聯(lián)。區(qū)域集控中心作為核心節(jié)點(diǎn)將一定地理范圍內(nèi)的自動(dòng)化水廠納入到同一個(gè)監(jiān)控管理系統(tǒng)，由集控中心的運(yùn)營管理人員、技術(shù)人員統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理。一個(gè)區(qū)域集控中心下轄若干個(gè)自動(dòng)化水廠。

2 全流程自動(dòng)化水廠建設(shè)

在新的運(yùn)營模式中，每個(gè)水廠只有1～2個(gè)值守人員或者不設(shè)置長期值守崗位，因此納入該系統(tǒng)的水廠應(yīng)達(dá)到很高的自動(dòng)化程度，可以在沒有人為干預(yù)或極少人為干預(yù)的情況下自動(dòng)、安全、可靠的運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我們應(yīng)對(duì)水廠的中央監(jiān)控系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行升級(jí)改造以達(dá)到水廠全流程自動(dòng)化。

2.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 少人無人值守水廠拓?fù)鋱D

全流程自動(dòng)化水廠仍保留中心控制室，但其功能定義與傳統(tǒng)中心控制室大為不同。在新模式中由區(qū)域集控中心完成水廠的監(jiān)視、控制任務(wù)，水廠中心控制室主要起補(bǔ)充、備份、存儲(chǔ)作用，不再安排專人值守。當(dāng)水廠與集控中心間的網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)，由水廠中心控制室接管監(jiān)控任務(wù)，并記錄數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后繼續(xù)由區(qū)域集控中心對(duì)水廠進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)水廠中心控制室將網(wǎng)絡(luò)斷開期間記錄的數(shù)據(jù)上傳，保證集控中心數(shù)據(jù)完整。通常集控中心的管理、控制優(yōu)先級(jí)高于水廠中心控制室，但出現(xiàn)緊急情況時(shí)，水廠中心控制室的處置權(quán)限應(yīng)高于集控中心。水廠中心控制室配備1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和1臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器用于記錄數(shù)據(jù)、打印報(bào)表，運(yùn)行視頻、安防、定位、MIS客戶端等軟件。

2.2 分布式控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)“分布式控制站-中心控制室”二元式的控制系統(tǒng)需要在每個(gè)水廠安排值班、巡檢、維修、化驗(yàn)人員。為達(dá)到少人、無人值守的目的，應(yīng)對(duì)分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，使各分控站可獨(dú)立自動(dòng)運(yùn)行。選用高可靠性的PLC產(chǎn)品、帶診斷功能的IO模塊，對(duì)重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、關(guān)鍵信號(hào)的采集采用冗余設(shè)計(jì)以加強(qiáng)可靠性，將獨(dú)立成套運(yùn)行的如加藥設(shè)備、紫外線消毒設(shè)備、污泥脫水設(shè)備納入自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。同時(shí)對(duì)各分布式控制站的軟件進(jìn)行升級(jí)，使之邏輯更加完備，能自動(dòng)根據(jù)不同情況調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能根據(jù)報(bào)警信號(hào)的來源分辨警報(bào)的嚴(yán)重程度并分級(jí)別上報(bào)或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使水廠能更“智能”地運(yùn)行。

2.3 在線儀表

在線儀表系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的將工藝參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳遞給自動(dòng)控制系統(tǒng)。為滿足這一要求可在常規(guī)水廠儀表配置水平的基礎(chǔ)上加裝不同類型儀表作為補(bǔ)充。如，可在超聲波液位計(jì)旁加裝浮球開關(guān)作為冗余保護(hù)。在線儀表應(yīng)選擇免維護(hù)或易維護(hù)設(shè)備，優(yōu)先選用具有數(shù)字傳輸及組網(wǎng)功能的儀表，重要信號(hào)應(yīng)采用總線+模擬量兩種采集方式相結(jié)合，以保證信號(hào)準(zhǔn)確、可靠。

2.4 網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)

全流程自動(dòng)化水廠的控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)高度穩(wěn)定可靠，應(yīng)選用工業(yè)型以太網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖組成環(huán)形或者雙星型網(wǎng)絡(luò)，保證每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都至少有兩個(gè)物理鏈接。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)應(yīng)立即發(fā)出警報(bào)。

配電室電表應(yīng)選用帶總線通信接口的智能型電表，電流、電壓、功率等信號(hào)通過現(xiàn)場總線由PLC站采集后，再經(jīng)由控制網(wǎng)絡(luò)傳輸至中控室能源管理服務(wù)器。

為滿足日常巡檢要求，在巡檢線路上及巡檢、維護(hù)人員可能到達(dá)的地點(diǎn)搭建無線局域網(wǎng)，供各類移動(dòng)設(shè)備接入生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。巡檢人員可通過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳與查詢。

2.5 視頻監(jiān)視及安防系統(tǒng)

全流程自動(dòng)化水廠的最終建設(shè)目標(biāo)是達(dá)到少人或無人值守，在這種情況下廠區(qū)的安全將更依賴安防設(shè)備。

可沿水廠圍墻布置電子圍欄、紅外對(duì)射等防入侵裝置或周界報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)有非法入侵時(shí)向區(qū)域集控中心和中心控制室同時(shí)報(bào)警。自動(dòng)化水廠將取消傳統(tǒng)的傳達(dá)室，改由區(qū)域集控中心通過可視對(duì)講門禁和電控門鎖遠(yuǎn)程控制人員出入水廠。周界報(bào)警系統(tǒng)和門禁、電控門鎖應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)接口可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警、控制。

水廠內(nèi)攝像頭應(yīng)覆蓋盡可能多的區(qū)域，由水廠中心控制室的置硬盤錄像機(jī)存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的視頻信息。硬盤錄像機(jī)應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)接口，可調(diào)看任意攝像頭的畫面和歷史畫面。區(qū)域集控中心可通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用所轄水廠的每一個(gè)攝像頭，或查看歷史畫面。由于視頻信息屬于大量寫入少量讀取類，因此只在水廠中控室存儲(chǔ)，區(qū)域集控中心只查看不存儲(chǔ)。

2.6 輔助巡檢系統(tǒng)

巡查養(yǎng)護(hù)和維修是無人值守管理模式下的主要作業(yè)項(xiàng)目[2]。在少人無人值守水廠中只有1～2個(gè)值守人員或不設(shè)置長期值守崗位，因此巡檢工作常需要工作人員單獨(dú)完成。而水廠的生產(chǎn)區(qū)域存在一定數(shù)量危險(xiǎn)源，為保證巡檢過程的安全、減輕巡檢人員工作量應(yīng)配備完備的輔助巡檢系統(tǒng)。

智能移動(dòng)終端（智能手機(jī)、平板電腦）是一種可選擇的技術(shù)手段，其系統(tǒng)的開放性和越來越強(qiáng)的處理能力使得我們可以借助智能移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)某些高級(jí)應(yīng)用。

1）移動(dòng)監(jiān)控

基于智能移動(dòng)終端開發(fā)監(jiān)控軟件或利用web發(fā)布功能，對(duì)水廠的主要設(shè)備、重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，移動(dòng)終端通過廠區(qū)無線局域網(wǎng)接入控制系統(tǒng)。值守/巡檢人員通過手持終端隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史曲線、處理故障和報(bào)警信息。

2）人員定位

通過廣泛布置在生產(chǎn)區(qū)域的無線路由器形成覆蓋整個(gè)巡檢路線和可能到達(dá)區(qū)域的無線局域網(wǎng)絡(luò)，定位軟件通過巡檢人員隨身攜帶的智能移動(dòng)終端在無線局域網(wǎng)中的接入點(diǎn)和接入信號(hào)的強(qiáng)弱計(jì)算出巡檢人員的具體位置，并在電子地圖上顯示。定位軟件還可以對(duì)巡檢人員的行進(jìn)路線實(shí)時(shí)進(jìn)行檢查，如果行進(jìn)路線偏離、異常或者在一區(qū)域停留時(shí)間過長則發(fā)出報(bào)警信息，提示相關(guān)人員關(guān)注這一情況，以免發(fā)生意外。定位計(jì)算機(jī)記錄每一次巡檢的時(shí)間、路線、巡檢人員的個(gè)人信息等數(shù)據(jù)以備查詢。

3）主動(dòng)防護(hù)及對(duì)講

在人員定位功能的基礎(chǔ)上，可根據(jù)巡檢人員的位置實(shí)時(shí)向智能移動(dòng)終端推送主動(dòng)防護(hù)信息，通過語音提示巡檢人員該區(qū)域存在的危險(xiǎn)源和注意事項(xiàng)。

區(qū)域集控中心、各水廠中控室和巡檢人員之間可通過智能移動(dòng)終端雙向語音呼叫，實(shí)現(xiàn)對(duì)講功能。當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，智能移動(dòng)終端可以群發(fā)呼叫、警報(bào)。

4）下達(dá)工單

區(qū)域集控中心每日下達(dá)巡檢任務(wù)至巡檢/值守人員的手持移動(dòng)終端。巡檢人員根據(jù)接收到的工單按時(shí)巡檢并將現(xiàn)場情況通過手持移動(dòng)終端反饋給系統(tǒng)。如水廠安排值守人員則可通過手持移動(dòng)終端查看區(qū)域集控中心下達(dá)的工藝調(diào)度單和臨時(shí)下達(dá)的任務(wù)信息并執(zhí)行和反饋。巡檢/值守人員通過手持移動(dòng)端進(jìn)行交接班登記。

5）設(shè)備管理及電子臺(tái)賬

手持移動(dòng)終端可通過無線網(wǎng)絡(luò)接入MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和電子臺(tái)賬查詢功能。在錄入電子臺(tái)賬時(shí)為設(shè)備生成二維碼并將二維碼固定在設(shè)備所在區(qū)域，巡檢人員只需用手持移動(dòng)終端掃碼即可查詢到設(shè)備信息。也可通過手持移動(dòng)終端進(jìn)行故障上報(bào)，包括故障描述和現(xiàn)場照片等。同樣，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、檢修時(shí)也可將維護(hù)、檢修相關(guān)信息通過移動(dòng)終端錄入MIS系統(tǒng)。

6）遠(yuǎn)程技術(shù)支持

智能移動(dòng)終端普遍支持視頻通話，可通過區(qū)域集控中心和水廠之間的網(wǎng)絡(luò)及水廠內(nèi)的無線局域網(wǎng)建立區(qū)域集控中心技術(shù)專家與水廠巡檢/值守人員之間的視頻通話，由技術(shù)專家直接指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，充分發(fā)揮其技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢。

3 區(qū)域中心多水廠集中監(jiān)控系統(tǒng)

在新的運(yùn)營管理模式中區(qū)域集控中心取代傳統(tǒng)水廠的中控室，起到集中監(jiān)視、控制的作用。區(qū)域集控中心內(nèi)配備高可靠性的冗余工作站作為SCADA監(jiān)控計(jì)算機(jī)，對(duì)所轄幾個(gè)水廠進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制。同時(shí)還配備視頻服務(wù)器、MIS系統(tǒng)服務(wù)器、工程師便攜電腦等設(shè)備，這樣就可以在集控中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)方水廠的實(shí)時(shí)監(jiān)視、運(yùn)營管理、遠(yuǎn)程修改程序等功能。因此這種運(yùn)營管理模式只需要在區(qū)域集控中心配備一套運(yùn)維班組和少量技術(shù)專家，由集控中心對(duì)人員進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，既精簡了隊(duì)伍的同時(shí)又更充分的發(fā)揮了技術(shù)專家的優(yōu)勢。

區(qū)域集控中心一般設(shè)置在所轄水廠中規(guī)模較大的水廠中，或取地理位置居中的水廠布置，這樣可以減少一次投資和運(yùn)營成本。

除SCADA系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等需要布置在區(qū)域集控中心外，布置在各水廠的視頻系統(tǒng)、可視門禁系統(tǒng)、周界報(bào)警系統(tǒng)等應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)與集控中心相連，實(shí)現(xiàn)區(qū)域集控中心遠(yuǎn)程管理。

4 MIS系統(tǒng)

MIS系統(tǒng)（管理信息系統(tǒng)）是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，為管理和決策提供信息支持的系統(tǒng)[3]，在水廠中引入該技術(shù)可以提升其安全性、可靠性，并提高生產(chǎn)效率和人員專業(yè)性。針對(duì)少人無人值守水廠設(shè)計(jì)的MIS系統(tǒng)應(yīng)具備業(yè)務(wù)管理、設(shè)備管理、安全管理等功能，全面滿足水廠的安全性、可靠性和效率要求。MIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)及工藝調(diào)整、報(bào)表系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度、工單生成與下發(fā)、能源與產(chǎn)量采集、能效分析報(bào)告功能、環(huán)保基礎(chǔ)指標(biāo)維護(hù)等功能可有效提高水廠的運(yùn)營管理水平，實(shí)現(xiàn)精益管理、智慧運(yùn)行，達(dá)到減員增效、節(jié)能降耗的目的。

針對(duì)少人無人值守水廠可將巡檢系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等納入MIS管理平臺(tái)，有針對(duì)性的開發(fā)巡檢終端管理、巡檢軌跡管理及監(jiān)控、設(shè)備信息管理、巡檢信息交互、語音與視頻交互、告警推送等功能模塊，使少人無人值守變?yōu)榭赡堋?/p>

MIS系統(tǒng)應(yīng)遵循松耦合設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)層級(jí)、業(yè)務(wù)層級(jí)、功能模塊之間完全分離，統(tǒng)一規(guī)劃，逐步實(shí)施，降低一次性投入風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用開放式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)支持多種技術(shù)平臺(tái)，支持ERP/CRM/SRM/第三方系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通，為公司、集團(tuán)級(jí)別的信息化建設(shè)打好基礎(chǔ)。

少人無人值守水廠MIS系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖：

5 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

租用專用線路將區(qū)域集控中心和各水廠連接起來，組成一個(gè)可靠的虛擬局域網(wǎng)（VPN），區(qū)域集控中心以此網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)對(duì)各水廠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有足夠的帶寬以滿足控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及MIS等系統(tǒng)的通訊要求。為保證通訊可靠性可在各水廠配備4G通訊設(shè)備，作為在專用線路斷開時(shí)的補(bǔ)充。

圖2 少人無人值守水廠MIS系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

6 運(yùn)營管理模式

全流程自動(dòng)化水廠的建設(shè)，少人無人值守水廠運(yùn)營管理模式與傳統(tǒng)水廠有較大不同。

1）水廠運(yùn)行值班模式

將運(yùn)行值班、巡檢、維護(hù)、安防（門衛(wèi)）職責(zé)合并，達(dá)到日常一人值守。夜間由集控中心值班人員負(fù)責(zé)監(jiān)控，各分廠安排電話值班以應(yīng)對(duì)緊急情況。水廠基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，值班人員以巡檢維護(hù)為主，按照工單巡檢到位，并處理現(xiàn)場緊急情況，發(fā)現(xiàn)無法處理的問題及時(shí)上報(bào)，按照區(qū)域監(jiān)控中心指令進(jìn)行處置。區(qū)域監(jiān)控中心工藝工程師分析各廠的運(yùn)行情況和處理效果，出具工藝調(diào)整單交由現(xiàn)場值班人員操作。

2）水質(zhì)化驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

在理想情況下水質(zhì)化驗(yàn)由各水廠現(xiàn)場自動(dòng)采樣裝置定時(shí)采樣，區(qū)域集控中心化驗(yàn)室集中化驗(yàn)。若各水廠距離較遠(yuǎn)或因特殊情況需要頻繁化驗(yàn)水質(zhì)也可在水廠安排化驗(yàn)人員。水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果與在線分析儀表相互對(duì)比驗(yàn)證，以保證化驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。若在線儀表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確則減少人工化驗(yàn)頻次，改為直接讀取在線儀表數(shù)值，以減輕化驗(yàn)人員工作量。

3）設(shè)備維護(hù)維修模式

以區(qū)域集控中心集中安排維護(hù)維修為主，維修隊(duì)伍按照監(jiān)控中心指令及時(shí)到現(xiàn)場處理問題，并將設(shè)備的狀態(tài)和維修情況通過智能移動(dòng)終端上傳至MIS系統(tǒng)。

7 結(jié)束語

在傳統(tǒng)水務(wù)公司建設(shè)、運(yùn)營模式已經(jīng)成熟的今天，自動(dòng)化少人無人值守水廠模式是一種大膽的創(chuàng)新，其信息化、智能化建設(shè)的理念與國家的信息化建設(shè)、發(fā)展智能制造的大政方針相符，是水務(wù)公司進(jìn)一步發(fā)展的必由之路。