水源井群自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

(沈陽市給排水勘察設(shè)計研究院有限公司，沈陽110023)

0 引 言

為了建立水源井群與水廠控制室之間的無線遙控、遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠控制室對水源井群水泵機(jī)組遠(yuǎn)程自動控制與運(yùn)行參數(shù)自動采集、傳輸、處理、存儲和顯示等功能，同時將數(shù)據(jù)信息接入供水公司調(diào)度室的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)供水公司調(diào)度室對水源井群運(yùn)行參數(shù)的自動監(jiān)測，達(dá)到供水公司對水源井群管理的優(yōu)化運(yùn)行，提高水源井群的運(yùn)行效率，提高供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)水源井群分布的地域特點與無線通訊技術(shù)發(fā)展的水平，水源井群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用以上位計算機(jī)作為控制監(jiān)測主機(jī)、無線數(shù)傳設(shè)備GPRS通訊單元作為數(shù)據(jù)交換通道、遠(yuǎn)程測控終端RTU作為現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遙控、遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠控制室對水源井群的控制與監(jiān)測[1-2]。隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，對供水質(zhì)量的要求也不斷的提高。水源井群供水系統(tǒng)實現(xiàn)運(yùn)行、控制和管理的綜合自動化已經(jīng)勢在必行[3]。

1 控制系統(tǒng)功能

1.1 具有故障診斷與報警處理功能

水源井群自動化控制系統(tǒng)中的設(shè)備故障檢測和處理是任何控制系統(tǒng)都會面臨的問題，這個問題如果不解決勢必會導(dǎo)致生產(chǎn)過程不能正常進(jìn)行，或更為嚴(yán)重的導(dǎo)致事故和不必要的各種損失。本系統(tǒng)的故障診斷與報警處理通過在上位計算機(jī)上用WINCC 6.0開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，集成在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。在運(yùn)行中給操作人員提示，指導(dǎo)用戶進(jìn)行操作，了解設(shè)備狀態(tài)，判斷故障發(fā)生原因，并可給出相應(yīng)的維修建議。用戶也可以對故障診斷進(jìn)行指導(dǎo)和修正。

1.2 顯示界面功能

顯示界面按功能分為主控平臺，水源井群檢測，報警查詢，報表瀏覽，系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行時，首先進(jìn)入主控平臺界面，該界面可以顯示整個水源井群所有設(shè)備的信息，點擊每個設(shè)備可以查看設(shè)備的詳細(xì)信息，水源井群檢測界面可以顯示系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)圖，報警查詢和報表瀏覽界面可以查看報警情況和歷史數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)的瀏覽曲線圖。

1.3 開放性

水源井群自動化系統(tǒng)發(fā)展到今天，已從單機(jī)自動化向系統(tǒng)自動化、集團(tuán)自動化的方向轉(zhuǎn)變，業(yè)界廣泛倡導(dǎo)的是標(biāo)準(zhǔn)化、開放式結(jié)構(gòu)，在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將引入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，在產(chǎn)品上集成工業(yè)以太網(wǎng)接口，從而實現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性。工業(yè)以太網(wǎng)是業(yè)界廣泛接受的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 查詢、報表功能

查詢、報表系統(tǒng)要具有日報、月報、季報、年報和按時間間隔查詢的自由報表功能。在上位計算機(jī)上用WINCC 6.0本身自帶的歷史數(shù)據(jù)查詢控件，通過編程實現(xiàn)查詢、報表功能。

1.5 安全性與可靠性

水源井群自動化系統(tǒng)中的硬件電子設(shè)備全部采用大規(guī)模集成電路以及其他高質(zhì)量元件，因而為提高硬件部分的平均故障間隔時間提供了良好的可靠性。對于關(guān)鍵的部分，往往采用冗余化后備，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

1.6 可擴(kuò)展性

水源井群自動化系統(tǒng)采用具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議廣泛的硬件設(shè)備，考慮到控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，為以后控制系統(tǒng)的擴(kuò)展預(yù)留空間。

1.7 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

通過無線GPRS和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，水廠操作人員可以在水廠控制室遠(yuǎn)程監(jiān)測所轄水源井群的工作情況，可以遠(yuǎn)程控制水源井群水泵的起停、監(jiān)測水源井群設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)及工作參數(shù)。供水公司調(diào)度室工作人員及公司主管領(lǐng)導(dǎo)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測水源井群的工作情況及水廠操作人員的操作情況。

1.8 易維護(hù)性

采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，可以進(jìn)行系統(tǒng)或模塊的維護(hù)，便于系統(tǒng)長期的升級和維護(hù)，延長系統(tǒng)的壽命，通過更新部件，能讓系統(tǒng)一直升級和維護(hù)下去。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)水源井工藝及平面分布圖，本次設(shè)計選用基于RTU遠(yuǎn)程測控終端供水調(diào)度控制系統(tǒng)，包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、水源井現(xiàn)場控制站和通訊網(wǎng)絡(luò)。中央監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場控制站采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

2.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)

由2臺分別用于生產(chǎn)管理與監(jiān)控的SIMATIC工作站、2臺Epson彩色打印機(jī)、1臺CTRLINK 100 M交換機(jī)以及UPS電源和閉路監(jiān)視系統(tǒng)組成。計算機(jī)采用Windows操作系統(tǒng)，均配備有遵循TCP/IP協(xié)議的SIMATIC CP1612通訊網(wǎng)卡，實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成Ethernet 工控網(wǎng)。其中監(jiān)控工作站采用德國SIEMENS公司的WINCC6.0可視化監(jiān)控軟件，可顯示動態(tài)模擬畫面，可對系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制，并具備顯示工藝布置圖、實時動態(tài)參數(shù)、設(shè)備的工作狀態(tài)及實時/歷史報警信號、在線儀表的實時/歷史趨勢曲線、設(shè)備運(yùn)行時間等功能，同時可進(jìn)行離線/在線編程及設(shè)定參數(shù)的修改，編制和打印生產(chǎn)與管理報表。在水廠廠長辦公室設(shè)有一臺DELL商用機(jī)，和中控室聯(lián)網(wǎng)可實時監(jiān)測水源井群運(yùn)行情況，記錄歷史數(shù)據(jù)為水廠廠長制定生產(chǎn)計劃提供決策分析。所用監(jiān)控軟件為WINCC 6.0，該軟件人機(jī)界面好，功能強(qiáng)大，能根據(jù)需要進(jìn)行動畫鏈接，比較直觀。

2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

GPRS是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS 是一種分組交換系統(tǒng)，因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS的優(yōu)勢在于：

(1)永久在線：只要激活GPRS應(yīng)用后，將永遠(yuǎn)保持在線，不存在掉線問題；類似于一種無線專線網(wǎng)絡(luò)。

(2)按量計費(fèi)：雖然可以保持永遠(yuǎn)在線，但不必?fù)?dān)心費(fèi)用問題；因為只有產(chǎn)生通信流量時才計費(fèi)。

(3)快速登錄：全新的分組服務(wù)，無需以往長時間的撥號建立連接過程。

(4)高速傳輸：GPRS最高理論傳輸速度為171.2 kbps，使用GPRS可以支持40 Kbps左右的傳輸速率。

2.3 水源井現(xiàn)場控制站

水源井現(xiàn)場控制站分別設(shè)在各個水源井就地控制柜內(nèi)，由一套RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器為主控制器。用于檢測潛水泵的工況、水井液位、出口流量及壓力等參數(shù)，并將檢測數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至中央監(jiān)控系統(tǒng)，同時接收中央監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令，實現(xiàn)對水源井的遙控及遙測。

水源井現(xiàn)場控制站主要功能:

(1)監(jiān)測參數(shù)：水井液位、出口流量及壓力、電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等。

(2)設(shè)備控制：主要控制潛水泵機(jī)組的起動、停止過程。監(jiān)測和控制其設(shè)備的手自動狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)。

(3)過程控制方式：水源井的工作方式分為就地控制和遠(yuǎn)程控制，方式轉(zhuǎn)換由設(shè)置在就地控制柜上的手動、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)完成。當(dāng)處于就地控制方式時，現(xiàn)場控制站僅監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行工況。當(dāng)處于遠(yuǎn)程控制方式時，現(xiàn)場控制站可根據(jù)程序進(jìn)行自動控制；同時也可通過工作站計算機(jī)人為鼠標(biāo)點動控制單臺設(shè)備。

(4)安全保護(hù)：對預(yù)設(shè)的極限值及運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)處理和報警處理(機(jī)組電流過大、電壓過高、機(jī)組缺相等)使水源井運(yùn)行穩(wěn)定可靠安全。

3 控制系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)和安裝

RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器在系統(tǒng)運(yùn)行中是非?？煽康?，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)故障的97%發(fā)生在RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器外部，3%發(fā)生在RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器內(nèi)部。而在RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器內(nèi)部故障中，有96%發(fā)生在I/O模板中。因此在維護(hù)和安裝中，應(yīng)重點注意外圍電路。包括電源、繼電器、一次儀表、以及信號連接設(shè)備。

3.1 避雷保護(hù)措施

所有電子設(shè)備供電電源和出入戶信號線應(yīng)裝設(shè)電浪涌保護(hù)裝置。

3.2 控制系統(tǒng)接地的要求

儀表及自控系統(tǒng)接地應(yīng)與電氣設(shè)備接地組成聯(lián)合接地系統(tǒng)，接地電阻應(yīng)小于1歐姆，所有電子設(shè)備供電電源和出入戶信號線應(yīng)裝設(shè)電涌保護(hù)裝置。

3.3 現(xiàn)場控制設(shè)備機(jī)柜

由于RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器工作的環(huán)境惡劣，要求柜體密封，做好防雨水措施，柜體防護(hù)等級IP54。所有進(jìn)出線均為下出線口，焊螺紋絲口連接。柜體冬季具有保溫、夏季具有散熱功能。柜內(nèi)所有設(shè)備均應(yīng)有安全接地保護(hù)。

3.4 抗干擾措施

在自控系統(tǒng)施工過程中，選材、隔離、屏蔽、接地等措施在抑制干擾中起到了至關(guān)重要的作用，是抗干擾措施的關(guān)鍵。

3.5 電 源

供電系統(tǒng)中存在的干擾諧波，將對控制系統(tǒng)各種高精設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成重大威脅。所以穩(wěn)定的電源是整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此RTU遠(yuǎn)程測控終端控制器系統(tǒng)電源應(yīng)采用UPS電源與隔離變壓器等。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)投入運(yùn)行已近2 a，整個自控系統(tǒng)運(yùn)行良好，實現(xiàn)水源井群工藝自動化，水源井群現(xiàn)場管理無人值守，保證了優(yōu)質(zhì)、低耗、安全供水。此外由于自控系統(tǒng)的安裝調(diào)試是在自動化公司工程師指導(dǎo)下，由水廠的工程技術(shù)人員自行完成，通過該工程建設(shè)，為水廠培養(yǎng)與鍛煉了一大批技術(shù)與管理人員，為水廠投產(chǎn)后的運(yùn)行、維護(hù)與管理積累了經(jīng)驗，對水廠的安全運(yùn)行，提高供水質(zhì)量，節(jié)能降耗，優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。

[1] 袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：210.

[2] 吳洪濤.溫室環(huán)境調(diào)控自動化系統(tǒng)設(shè)計[J].森林工程，2006，22(2)：19-22.

[3] 張傳祥.電氣自動控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：131.