給水廠無人值守電控改造設(shè)計(jì)

溫琳蘋， 孫海波， 徐 進(jìn)

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化高新技術(shù)以及智能化電氣設(shè)備的日益成熟推動(dòng)著“水廠無人值守管理模式”的發(fā)展［1～2］。由于眾多已建成給水廠的規(guī)模、形式、電控系統(tǒng)和設(shè)備先進(jìn)程度均有不同，進(jìn)行電控系統(tǒng)向無人值守模式改造的方法也不同，本文以間隔十年建設(shè)的兩期某給水廠電控系統(tǒng)整合、提升改造工程為例，介紹此類工程的無人值守電控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，提出了對(duì)2 個(gè)廠區(qū)及5 座地下水深井泵房的電控設(shè)備更新?lián)Q代、整合自動(dòng)化系統(tǒng)、完善安防功能，從而實(shí)現(xiàn)水廠可靠、高效的無人值守安全運(yùn)行，推動(dòng)“智能水廠”建設(shè)。

1 工程概況

某給水廠一、二期工程分別于2008 年和2017 年建設(shè)，兩期供水規(guī)模約12×104m3/d，廠區(qū)分布在城市道路兩側(cè)相距1 km 左右，廠外設(shè)有5 座取水深井泵房。水廠工藝簡(jiǎn)單，大部分電氣設(shè)備年代久遠(yuǎn)、自動(dòng)化水平落后，無任何工藝與電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)上傳，儀表配置僅設(shè)基本檢測(cè)，沒有過程控制器；車間及變電站等重要場(chǎng)所無視頻監(jiān)控及安防措施；廠外取水深井泵房無出口壓力檢測(cè)，泵運(yùn)行參數(shù)和電氣參數(shù)以及儀表數(shù)據(jù)均未實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)傳，現(xiàn)場(chǎng)無視頻監(jiān)控和安防措施，僅可通過無線4G 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的泵的遠(yuǎn)程啟停。

對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，完成兩個(gè)廠區(qū)和深井泵房的監(jiān)控中心的整合，整合后的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)在水廠二期廠區(qū)中央控制室，一期廠區(qū)和深井泵房均不設(shè)置固定運(yùn)維值班崗；完成相關(guān)過程檢測(cè)儀表的升級(jí)改造工作；建立可靠的安防系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)水廠無人值守和井群無線SCADA控制系統(tǒng)改造。

2 改造的重難點(diǎn)

1）無工藝運(yùn)行及電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)，無法自控操作及遠(yuǎn)控。需建立全廠的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中央控制室與各深井子站的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制自動(dòng)化。建立水廠與水源井—中央控制室(可監(jiān)可控)—集團(tuán)總調(diào)度(可監(jiān))三級(jí)監(jiān)控管理通訊的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［3］。需設(shè)置智能配電管理平臺(tái)，對(duì)配電系統(tǒng)的數(shù)字化管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控，能效管理、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維、無人值守和數(shù)字化能效管理。建立供水項(xiàng)目的無線三遙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與水源深井間的遙信、遙測(cè)、遙控。

2）現(xiàn)有電氣設(shè)備及儀表檢測(cè)設(shè)備無法滿足網(wǎng)絡(luò)通訊要求。需在盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備的情況下，升級(jí)設(shè)備的通訊功能或更換為智能型產(chǎn)品，設(shè)置數(shù)據(jù)采集器。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面上傳，是無人值守的先決條件。

3）缺乏電控設(shè)備安全運(yùn)行的保障措施、缺乏安防監(jiān)控系統(tǒng)。需設(shè)置變電站電氣設(shè)備的智能溫度監(jiān)測(cè)、設(shè)置變電站和泵房的溫度與通風(fēng)風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，完善電氣系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)的過電壓保護(hù)。設(shè)置水廠和取水深井泵房的視頻監(jiān)控和門禁、安防、巡檢打卡系統(tǒng)。

3 改造設(shè)計(jì)方案

3.1 電氣系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

綜合考慮無人值守變電站的可靠性、投資和運(yùn)營(yíng)方需求及管理水平，按現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層—通信管理層—分控層—主控層分層設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)狀變電站電氣系統(tǒng)的設(shè)置情況，于一期變電站內(nèi)增設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)（分控層）；在二期中控室內(nèi)設(shè)置監(jiān)控主機(jī)（主控層），可以同時(shí)監(jiān)控一二期兩個(gè)廠的變電站，負(fù)責(zé)兩個(gè)站設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警等。見圖1。

圖1 電氣系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)包括智能通信采集控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和操作員站；監(jiān)控主機(jī)（主控層）包括通信采集控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器和操作員站。智能通信采集控制器（通訊管理層）負(fù)責(zé)采集站內(nèi)（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，服務(wù)器進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、分析站內(nèi)數(shù)據(jù)，操作員站對(duì)設(shè)備進(jìn)行電力系統(tǒng)監(jiān)視、能耗監(jiān)控、控制操作和維護(hù)管理。

3.1.2 高低壓系統(tǒng)

1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。升級(jí)一、二期廠區(qū)高壓保護(hù)測(cè)控裝置和直流屏裝置的通訊功能；保留廠內(nèi)和深井泵房?jī)?nèi)的變壓器本體并更換為帶通訊功能的溫控器；高低壓柜內(nèi)增設(shè)帶通訊功能的電力儀表、在線測(cè)溫裝置、智能溫濕度控制裝置和電氣火災(zāi)監(jiān)控等設(shè)備；升級(jí)深井泵房?jī)?nèi)電機(jī)軟啟動(dòng)器的通訊功能，改造直啟電機(jī)控制回路，設(shè)置智能馬達(dá)保護(hù)器；根據(jù)運(yùn)維單位需求，升級(jí)或更換低壓斷路器，使其具有自動(dòng)分合閘功能，升級(jí)低壓自動(dòng)補(bǔ)償裝置的通訊功能［2,4］。

廠區(qū)和泵房手動(dòng)閥門更換為電動(dòng)閥門，閥門電裝有通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控。泵房配電間內(nèi)增設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，可與室溫信號(hào)聯(lián)動(dòng)。按運(yùn)維方需求增設(shè)感煙報(bào)警及遙信單元。

自動(dòng)化系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行離不開可靠、完善的電源系統(tǒng)，為此中控室、各現(xiàn)場(chǎng)子站的設(shè)備由智能在線式不間斷電源（UPS）提供。電源進(jìn)線端加裝過電壓保護(hù)裝置（SPD）。泵房和監(jiān)控中心的自控和儀表系統(tǒng)設(shè)防雷保護(hù)，中央控制室內(nèi)的設(shè)備，計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)子站電源進(jìn)/出線、儀表電源、模擬信號(hào)接口加裝防雷保護(hù)及浪涌吸收裝置。在網(wǎng)絡(luò)上針對(duì)不同總線配備專用的網(wǎng)絡(luò)避雷裝置。

2）通訊管理層。在一、二期變電站高低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置智能通信采集控制器，作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和控制層之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。智能通信采集控制器可選擇不同規(guī)約采集、處理并轉(zhuǎn)發(fā)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電力參數(shù)、保護(hù)信號(hào)和運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。上級(jí)控制層也可通過其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、配置、調(diào)試，提高了全廠運(yùn)維效率，節(jié)約調(diào)試維護(hù)成本。

各系統(tǒng)的智能通信采集控制器最終通過以太網(wǎng)交換機(jī)鏈路聚合至分控層或主控層。

3）控制層。在一期廠內(nèi)變電站控制室設(shè)置分控層的操作員站，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視和控制、數(shù)據(jù)管理分析、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析、電能計(jì)量、饋線保護(hù)監(jiān)控等功能。

二期廠區(qū)中控室設(shè)置有全廠主控層，全廠電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)視主機(jī)為主控層設(shè)備。最終完成一、二期及深井泵房全部數(shù)據(jù)的管理、分析，監(jiān)視和分合閘控制，故障診斷、定位，設(shè)備檢修維護(hù)管理，報(bào)表管理，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)信息管理以及用戶權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控。

3.2 自控系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由水廠監(jiān)控管理平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、RTU 井群SACDA無線控制系統(tǒng)、各設(shè)備就地控制箱組成。采用分布式集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)一、二期水廠的全部工藝過程進(jìn)行分散控制、集中管理。RTU井群SACDA無線控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)深井取水的控制，再由通訊系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)組成的中央控制系統(tǒng)——中央控制室，對(duì)全廠實(shí)行集中管理。RTU井群采用4G無線與中央控制室進(jìn)行通訊。見圖2。

圖2 全廠控制系統(tǒng)

1）中央控制室。中央控制室（簡(jiǎn)稱中控室）設(shè)置在二期控制室。按照區(qū)域劃分負(fù)責(zé)一期、二期、廠外5 座深井泵房的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控管理，并與總調(diào)監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，采用集散型監(jiān)控管理系統(tǒng)。監(jiān)控管理平臺(tái)包括2 套生產(chǎn)過程監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、1套工程師站，2 套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、通訊服務(wù)器、視頻服務(wù)器及操作終端、通訊裝置、便攜式編程站、故障報(bào)警打印機(jī)、圖形硬拷貝機(jī)、動(dòng)態(tài)大屏幕投影顯示等。系統(tǒng)軟件采用WINDOWS 環(huán)境的工業(yè)控制組態(tài)軟件。

中控室內(nèi)設(shè)置2 臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器互為熱備，負(fù)責(zé)完成各類工藝、自控儀表、電氣等數(shù)據(jù)的采集、歸類、儲(chǔ)存處理及分析，建立全廠的各類數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)1臺(tái)通訊服務(wù)器，負(fù)責(zé)完成對(duì)深井泵房各類數(shù)據(jù)的無線采集及與總調(diào)系統(tǒng)的通訊，視頻服務(wù)器完成視頻數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和管理。設(shè)置2 臺(tái)冗余的監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，正常時(shí)分擔(dān)不同的功能，故障時(shí)互為備用；當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)立即投入運(yùn)行，負(fù)責(zé)全部監(jiān)控任務(wù)。設(shè)置一臺(tái)工程師站，配有多種工具軟件，能對(duì)PLC 和上位機(jī)應(yīng)用軟件在線編輯、調(diào)試；同時(shí)可以在網(wǎng)上對(duì)PLC 進(jìn)行在線診斷；要求能同時(shí)打開網(wǎng)絡(luò)中所有系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)組件并對(duì)其進(jìn)行編輯、組態(tài)。監(jiān)測(cè)管理計(jì)算機(jī)面向操作人員，通過PLC 采集整個(gè)水廠的工藝參數(shù)，電氣參數(shù)及主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，據(jù)此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、貯存、建立建全各類數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各工藝參數(shù)做出趨勢(shì)曲線并能在線診斷各種故障、報(bào)警、記錄；顯示器可顯示全廠的動(dòng)態(tài)工藝流程圖、動(dòng)態(tài)參數(shù)表、記錄趨勢(shì)曲線、自動(dòng)生成各類報(bào)表并通過打印機(jī)定時(shí)打印出來，使生產(chǎn)管理人員清晰地了解到全廠的生產(chǎn)運(yùn)行情況。操作人員可通過人機(jī)對(duì)話方式，隨時(shí)根據(jù)運(yùn)行情況修正某些參數(shù)設(shè)定值，使系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)。

中控室內(nèi)設(shè)有LCD 大型液晶屏幕，將工藝流程圖動(dòng)態(tài)的投影于屏幕上。使管理人員及時(shí)了解全廠工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、主要工藝參數(shù)實(shí)時(shí)值和各工段的工作情況。

中控室監(jiān)控平臺(tái)主要功能包括：監(jiān)視并顯示兩期水廠及各深井泵的設(shè)備工作運(yùn)行狀態(tài)及儀表的測(cè)量參數(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控啟停及聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)；報(bào)警并能根據(jù)報(bào)警信息完成故障點(diǎn)、原因的分析及判斷并打印成表格；動(dòng)態(tài)顯示工藝流程、各種工藝參數(shù)變化以及水廠和各深井泵的運(yùn)行狀態(tài)，通過投影儀動(dòng)態(tài)顯示全廠工藝流程和各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及儀表檢測(cè)參數(shù)；觀察電氣總覽，了解各設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和用電量；生成生產(chǎn)過程參數(shù)的趨勢(shì)圖曲線，查閱歷史、瞬時(shí)各參數(shù)的變化數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖和變化狀態(tài)；打印日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表等，流程圖、趨勢(shì)圖的硬拷貝；安全登錄及密碼保護(hù)功能，計(jì)算機(jī)的自診斷功能；動(dòng)態(tài)工藝流程等內(nèi)容的大屏幕顯示；離線狀態(tài)下的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備診斷測(cè)試功能；設(shè)不間斷電源，保證在停電故障時(shí)系統(tǒng)仍能安全可靠地運(yùn)行；監(jiān)控系統(tǒng)的信息安全，完成信息的通訊上傳及下達(dá)。

2）水廠子站及RTU 井群SCADA 無線控制系統(tǒng)。一、二期泵房控制室內(nèi)各設(shè)1 套PLC 子站，負(fù)責(zé)各自用電設(shè)備和儀表、電氣系統(tǒng)及安防監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至中控室。見圖3。

圖3 水廠PLC子站拓?fù)?/p>

每個(gè)深井泵房均設(shè)置1套SCADA 無線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能包括：深井潛水泵設(shè)備的自動(dòng)控制及故障檢測(cè)；深井液位、出口壓力、出水流量?jī)x表信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)潛水泵的電流、電壓、功率信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸；每眼深井泵房的視頻、安防報(bào)警信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)傳輸。見圖4。

圖4 深井泵房拓?fù)?/p>

3.2.2 通訊

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，制定通訊方式，采用4G 無線+敷設(shè)單模光纖的多種混合方式，一、二期水廠間敷設(shè)單模鎧裝光纜，信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街锌厥业耐ㄓ崣C(jī)并由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采集整理儲(chǔ)存；與調(diào)度中心的通訊采用ISDN 專線方式，信號(hào)傳輸同樣由通訊機(jī)完成；深井泵房采用無線4G 的通訊方式，深井設(shè)備和電氣及儀表的狀態(tài)信號(hào)及控制信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸；視頻信號(hào)和安防門禁等其他信號(hào)用分時(shí)傳送，但報(bào)警狀態(tài)下實(shí)時(shí)傳送，以滿足有情況和報(bào)警的時(shí)候的監(jiān)控和安全防范。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表及安防系統(tǒng)

針對(duì)給水廠的重要供水設(shè)備水泵，增加測(cè)溫保護(hù)和采集，前后增加壓力變送器，每臺(tái)水泵增加現(xiàn)場(chǎng)IO單元，負(fù)責(zé)采集每臺(tái)水泵的現(xiàn)場(chǎng)各種參數(shù)和實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)控。在中控室增加1 臺(tái)PLC 帶現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏，通過通訊總線采集各臺(tái)水泵參數(shù)、各電動(dòng)閥狀態(tài)、各分析儀表參數(shù)及過程儀表數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)與設(shè)置在二期的中控室監(jiān)控管理中心平臺(tái)通訊。

針對(duì)水廠關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)加氯工藝，增加儲(chǔ)罐液位檢測(cè)，增加儲(chǔ)罐之間的電動(dòng)球閥，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐之間的聯(lián)通及故障切斷。加氯機(jī)具有通訊接口，信號(hào)通過總線與PLC通訊并上傳中央控制室。

泵房和變電站內(nèi)設(shè)置室內(nèi)溫濕度檢測(cè)，水泵變頻器柜設(shè)置溫度檢測(cè)。溫度檢測(cè)與排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。在各車間增加設(shè)置視頻攝像頭和門禁及巡更打卡點(diǎn)。在廠區(qū)圍墻設(shè)置電子圍欄裝置與攝像頭聯(lián)動(dòng)。所有信號(hào)均上傳至中央控制室。每座深井泵房設(shè)置深井液位計(jì)、出口壓力變送器、出水電磁流量計(jì)和紅外微波雙鑒探測(cè)報(bào)警器、數(shù)字高清球形攝像頭（現(xiàn)狀具備的可利舊）、門禁巡檢打卡、溫濕度檢測(cè)等設(shè)備。

4 結(jié)語

經(jīng)過改造，在線儀表連續(xù)監(jiān)測(cè)的各工藝參數(shù)，可以協(xié)調(diào)供需之間、水廠處理工藝以及各深井之間的關(guān)系，使設(shè)備得到充分利用并根據(jù)儀表監(jiān)測(cè)到的參數(shù)保證出水量、控制產(chǎn)水的質(zhì)量，具有越限報(bào)警功能，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，建立生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺(tái)，保證安全可靠供水，實(shí)現(xiàn)水廠生產(chǎn)和調(diào)度之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面上傳，電氣設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，斷路器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘；車間和變電站室溫和主要設(shè)備溫度自控調(diào)節(jié)，保證良好的運(yùn)行條件；補(bǔ)充了完整的安防系統(tǒng)，保障了水廠的生產(chǎn)安全。這些共同提升了原給水廠的自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省人力和運(yùn)行費(fèi)用。本文可為規(guī)模不大且未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的水廠提供電控改造思路。