合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統設計

李 晶

（西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司，陜西 西安 710016）

1 現狀及功能需求

1.1 現狀

自動化系統是合陽縣申都供水更新改造工程新建配套項目，此方案是在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站以及紅旗水庫的建筑物和硬件設施基礎上，針對合陽縣申都供水更新改造工程高效運行管理需求所做出的自動化系統設計。

1.2 功能需求

按照合陽縣申都供水更新改造工程的分布及管理要求，可將本系統功能分為遠程功能和現地功能，具體功能如下：

1）新城水廠管理中心上位機系統能夠遠程監視各管理站智能儀表、機組等設備數據采集、運行工況等信息，同時還能根據實際需要通過專網進行遠程控制。

2）各管理站上位機系統能夠遠程監視站內智能儀表、機組等設備數據采集、運行工況等信息，具有上位機系統遠程和LCU現地控制功能。

3）站內機組設備能夠根據實際工況按照預置工藝流程自動運行。

4）各管理站可通過現地直接對LCU系統操作來完成對相應設備的控制。

5）管理中心能夠遠程監看各管理站視頻采集信息，可根據需要調取單路或多路視頻監視畫面，并可根據監看需要遠程對前端攝像機進行變焦、旋轉等操作。

6）各管理站能夠監看站內安防測點視頻畫面，并可對站內前端攝像機進行控制操作。

7）管理中心能夠監看各管理站的安防測點視頻畫面，并可通過專網對前端攝像機進行遠程控制操作。

2 系統總體設計

2.1 設計思路

為滿足業務應用、管理需要、系統準確性及系統可行性，合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統的主要設計思想是：為用先進的現代化科學技術來管理整個合陽縣申都的供水、安全等工作，將合陽縣申都供水更新改造工程建設成為管理體制和機制現代化、管理技術現代化、管理人才現代化的數字化工程，對自動化系統進行子系統劃分，確定出結構合理，技術易于實現、滿足實際應用及性能優良的自動化管理系統，從而達到“少人值守”的工作方式，提高運行管理效率。

2.2 總體結構拓撲

合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統總體結構拓撲見圖1。

圖1 自動化系統總體結構拓撲示意圖

3 通信網絡系統

通信網絡系統處于合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統總體結構的最底層，是合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統建設的重要基礎設施，可為各站間的圖像、數據等信息的傳輸交換提供基礎性服務平臺。

3.1 帶寬容量計算

通信網絡系統主要承載視頻監控圖像和測控數據的傳輸，視頻監控圖像每路所需帶寬至少為2 M；由于測控數據較小，按每站共計1 M考慮。各站所需公網接入帶寬容量如下所示：

二級站、三級站攝像機4鏡，LCU屏1套，所需帶寬：4×2M+1M=9M；

一級站攝像機5鏡（含零級站1鏡），LCU屏1套，所需帶寬：5×2M+1M=11M；

紅旗水庫暫以10 M考慮；

新城水廠管理中心需與4個管理站聯通，所需帶寬：2×9M+11M+10M=39M。

而光纖通信非常適合于要求帶寬高、噪音低、抗電磁干擾和靜電干擾以及數據傳輸速率高的環境下使用，為保障通信鏈路可靠穩定性，自建光纖采用環形組網方式。

3.2 組網策略

針對項目中各站場地理位置分布情況，將在新城水廠～一級加壓站、新城水廠～紅旗水庫全線敷設6芯單模光纜，并分別在新城水廠管理中心及各管理站配置工業以太網交換機，通過組建自愈型環網，實現數據可靠、穩定的傳輸交換。

3.3 輔助工程

（1）中控機房裝修

為保證計算機系統穩定可靠運行、能夠充分發揮其功能和延長機器壽命、確保工作人員的身心健康，中控機房裝修必須滿足系統設備以及工作人員對溫度、濕度、潔凈度、風速度、電磁場強度、電源質量、噪音、照明、振動、防火、防盜、防雷、屏蔽和接地等要求。

（2）大屏顯示

在新城水廠管理中心中控室配備55寸壁掛液晶顯示器用于視頻監控及上位監測畫面直觀顯示。

4 視頻監控系統

視頻監控系統主要為各泵站提供安全運行監視保障服務，為保障合陽縣申都供水更新改造工程關鍵設備、重點建筑物以及管理機構的運行安全，對站內機組運行狀態、重點建筑物安全、工作區域警衛等實時監視。

4.1 建設內容

1）在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站和三級加壓泵站的重點區域布設視頻監視點。

2）在一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站分別搭建現地管理平臺，實現各站本地監控管理；零級站距離一級加壓站很近，前端攝像機由一級站現地管理平臺統一管理。

3）在新城水廠搭建監控管理中心平臺，能夠對一級、二級和三級加壓泵站以及新城水廠站內的所有前端攝像機進行集中監控管理。

4.2 測點布設

擬在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站重點區域進行監控點布設，測點共計17鏡，其中室內4鏡，室外13鏡。見表1。

表1 視頻監控系統前端監控點布設統計表

4.3 監控管理級

視頻監控系統分為管理中心和現地兩個監控管理級。

新城水廠為中心管理級，可監看所有站點的前端攝像機監測畫面且可對所有前端攝像機進行操控。

一級、二級、三級加壓泵站為現地管理級，僅可監看本站內的前端攝像機監測畫面及僅可對站內前端攝像機進行操控。零級站距一級站很近，前端攝像機接入一級加壓站硬盤錄像機進行管理。

4.4 系統方案及結構拓撲

本方案擬采用網絡攝像機(IPC)+嵌入式網絡硬盤錄像機(NVR)的IP數字監控架構，數據的傳輸交換基于TCP/IP網絡協議。各站前端IPC對重點區域圖像信息進行采集，通過轉換、編碼后以IP包形式通過網絡傳輸。管理站內采用NVR系統實現現地監控，NVR作為各管理站本地管理的核心，具備前端IPC的視頻管理、云臺控制、視頻存儲、錄像回放，以及與新城水廠管理中心狀態通訊數據交互、視頻上傳等功能。新城水廠管理中心能夠對一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站和新城水廠站內的NVR監控設備進行網絡化，集成化的高效管理，實現對各站的前端IPC進行集中監控、統一管理。

視頻監控系統結構拓撲見圖2。

圖2 視頻監控系統結構拓撲圖

4.5 監控軟件功能

視頻監控系統管理軟件需具有的功能有：單路、多路圖像接收處理；多種畫面顯示類型；攝像機轉動、聚變焦控制；用戶管理；攝像機分組；圖像錄像、檢索、回放；設定預置位等。

4.6 輔助工程

（1）監控立桿

攝像機的安裝根據實地環境可利用建筑物墻體或選用立桿安裝的方式進行安裝，立桿外型美觀且應與周圍環境相協調。

（2）防雷接地

前端設備安裝于室外時，易遭受雷電打擊影響而產生高壓和浪涌電流。為了保證前端設備可靠、長久的運行，避免因雷電打擊而導致設備損壞，監控立桿必須采取接地的防雷、避雷措施，每個監控立桿均需制作一套獨立的接地系統，接地電阻≤10Ω。

室內與室外安裝的前端設備均應采用電源防雷措施，配置專業浪涌保護器，對前端設備進行全方位的保護。

5 泵站自動化系統

自動化控制系統采用“少人值守”的原則，采用計算機系統、PLC控制器、智能儀表、數據通信等技術，構成可靠、高效、靈活的控制系統。實現水資源的合理輸送和計量，提高運行質量。

5.1 系統組建方案

本項目控制系統采用兩層網絡的控制系統結構。第一層為加壓站內的控制系統。它主要由各個現場電氣設備（如軟啟動器、儀表等）與控制單元(PLC系統)、上位機系統組成。第二層為各級加壓站點的上位機系統與管理中心（新城水廠）之間的網絡互連系統。它包含有整個光纖網絡、操作系統、上位機組態應用軟件、數據庫等。各站點上位機系統作為兩層網絡的鏈接節點。

加壓站安裝有獨立控制單元(PLC系統)對站內的現場采集的信號進行處理，對各個電氣設備進行邏輯控制。各個現場電器設備與控制單元(PLC系統)、上位機系統之間也是采用現場總線網絡進行數據交換。采用現場總線式網絡EtherCAT總線進行通訊，現地電氣設備、控制單元均掛在EtherCAT總線上，可實現電氣設備安裝簡便、運行可靠、調試快捷、維護方便的特點。

零級站、一級站距離較近安裝一套上位機系統，其它各級站點均安裝有一套獨立的上位機系統。上位機單元主要由工控機、打印機以及相關的軟件系統組成，遠程操作、參數設置、工藝流程顯示、數據記錄、報警記錄、歷史數據查詢、操作記錄等功能由其完成。

管理中心（新城水廠）的上位機單元增加通訊板卡為連接其它廠家的控制系統做通訊接口預留。

各級加壓站點的上位機單元與管理中心（新城水廠）的上位機之間通過標準工業以太網進行數據交換。其通訊協議采用完全開放的TCP/IP協議。

通過各站與管理中心（新城水廠）進行通信，完成對站的遙控、遙調、遙測等所有遠動功能。

5.2 系統結構拓撲

合陽縣申都供水更新改造工程自動化控制系統擬采用開放式分層分布系統。由管理中心上位機系統（遠程集中監視）、各管理站上位機系統（站內遠程監控）和各管理站現地級LCU系統（現地控制）三層結構組成。系統結構拓撲見圖3。

圖3 自動化控制系統結構拓撲示意圖

5.3 系統功能

控制系統應具備如下功能：數據采集與邏輯處理；運行監視和事故報警；控制與調節；數據通訊等。

1)數據采集與邏輯處理

將現場設備的各種運行參數和設備運行狀態通過I/O通道或EtherCAT現場總線采集到PLC，經過必要的數據處理后形成各類實時數據。這里主要強調的數據采集與處理主要包括如下類型：現場數字量（模擬量）的采集與量化處理；現場開關量的采集與處理；現場脈沖量的累計與量化處理；設定工藝參數的更改與存儲；網絡數據的讀取和效驗。

PLC控制單元將根據采集的數據、設定工藝參數進行相應的邏輯運算，用于控制現場設備自動運行。

2)運行監視和事故報警

在上位機系統上，根據各級泵站做出相應的工藝界面，用于操作人員實時監視各個設備的運行狀態，各智能儀表的采集數據；各種故障報警的提示和記錄，發生故障時，系統發出語音報警，并能準確、清晰的向操作人員提供故障點、故障原因和解決方案；操作事件和故障報警的順序記錄；系統針對歷史故障狀態的查詢、顯示；系統針對操作事件的查詢、顯示；打印輸出各種報警故障、操作記錄。

3)控制與調節

控制對象：泵機組、閥門、軟啟動器、低壓電氣設備等。

①泵機組順序控制：

當泵組開、停機指令確認并下發后，計算機監控系統能自動推出相應機組的開、停機操作過程監視畫面。畫面上反映操作全過程中所有重要步驟的實時狀態、執行時間及執行情況，當操作受阻時及時提示受阻部位及受阻原因。機組的開停機操作允許開環單步運行和閉環自動運行。計算機監控系統能自動識別在不同方式下的開停機操作要求并作出響應。

泵機組設備在本地具有手動控制及啟、停和開、閉遠程操作的功能。

②閥門順序控制

當閥門啟、閉指令確認并下發后，計算機監控系統能自動推出相應閥門啟、閉操作過程監視畫面。畫面上反映操作全過程中所有重要步驟的實時狀態、執行時間及執行情況，當操作受阻時及時提示受阻部位及受阻原因。閥門啟、閉操作按給定流量自動完成開閘、關閘操作；按給定開度自動完成開閘、關閘操作；閥門運行過程中遇到意外情況時在監控主機以及現地進行急停操作；系統允許開環運行和閉環自動運行。計算機監控系統能自動識別在不同方式下的啟、閉操作要求并作出不同的響應。

閥門設備在本地具有手動控制及啟、停和開、閉遠程操作的功能。

③其它設備

根據實際工藝進行相應邏輯控制。

4)數據存儲與報表

系統可對所采集數據做長久存儲，存儲數據在5年以上。

對采集的數據在線顯示實時，并根據工藝需要作出相應的曲線顯示、棒圖顯示、表格顯示等。對所顯示的曲線、表格等可進行打印輸出。

系統可根據設定時間或其他輸出調節自動打印輸出各種運行日志和報表。

5)網絡通訊

系統根據設定完成上位機與PLC控制單元的通訊和數據交換，上位機與上位機之間的通訊和數據交換。

5.4 站內通訊

采用EtherCAT總線和物理接入（4 mA～20 mA、1 V～5 V等）結合的方式。

采用EtherCAT總線可以連接各種現場總線的設備，實現系統的兼容性。EtherCAT總線通訊速度最大為100 M,完全滿足各類設備操作的實時性。

6 結論

合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統按照“少人值守”的方式設計，通過集成通信、監控、視頻、計算機網絡和軟件開發等技術，建立一個以信息采集系統為基礎、以高速安全可靠的通信和計算機網絡為手段的自動化系統，實現信息采集存儲自動化、數據傳輸處理網絡化、決策支持數字化、調度指揮現代化。系統建成后將提高供配水運行管理效率，為安全和高效的運行提供保障。