集控式少人無人值守水廠建設(shè)方法

楊天博，宋曉亮，杜 潔

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司 自動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)對企業(yè)規(guī)模擴大、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)水廠運營管理模式粗放、運行低效等問題，對現(xiàn)有水廠進行自動化、信息化改造，使之能達到少人或無人運行的水平，并建立區(qū)域性集控中心進行集中的監(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、運營模式，達到減員增效、節(jié)能降耗的目的?？赏ㄟ^該類項目的實施促進水廠規(guī)劃建設(shè)、工藝設(shè)計、設(shè)備配置、自動控制水平的整體提高，并形成智慧化水廠設(shè)計、建設(shè)、運營管理標準，通過精益化運營管理工具的應(yīng)用，提升水廠綜合運營能力。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。全流程自動化水廠應(yīng)配備可靠、完備的控制系統(tǒng)，按照嚴密的邏輯程序自動運行，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)點將一定地理范圍內(nèi)的自動化水廠納入到同一個監(jiān)控管理系統(tǒng)，由集控中心的運營管理人員、技術(shù)人員統(tǒng)一進行監(jiān)視、控制、管理。一個區(qū)域集控中心下轄若干個自動化水廠。

2 全流程自動化水廠建設(shè)

在新的運營模式中，每個水廠只有1～2個值守人員或者不設(shè)置長期值守崗位，因此納入該系統(tǒng)的水廠應(yīng)達到很高的自動化程度，可以在沒有人為干預(yù)或極少人為干預(yù)的情況下自動、安全、可靠的運行。為實現(xiàn)這一目標我們應(yīng)對水廠的中央監(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)等進行升級改造以達到水廠全流程自動化。

2.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 少人無人值守水廠拓撲圖

全流程自動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充、備份、存儲作用，不再安排專人值守。當水廠與集控中心間的網(wǎng)絡(luò)斷開時，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)域集控中心對水廠進行監(jiān)控，同時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)先級高于水廠中心控制室，但出現(xiàn)緊急情況時，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臺監(jiān)控計算機和1臺服務(wù)器。服務(wù)器用于記錄數(shù)據(jù)、打印報表，運行視頻、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)需要在每個水廠安排值班、巡檢、維修、化驗人員。為達到少人、無人值守的目的，應(yīng)對分布式控制系統(tǒng)進行升級改造，使各分控站可獨立自動運行。選用高可靠性的PLC產(chǎn)品、帶診斷功能的IO模塊，對重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、關(guān)鍵信號的采集采用冗余設(shè)計以加強可靠性，將獨立成套運行的如加藥設(shè)備、紫外線消毒設(shè)備、污泥脫水設(shè)備納入自動控制系統(tǒng)[1]。同時對各分布式控制站的軟件進行升級，使之邏輯更加完備，能自動根據(jù)不同情況調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，能根據(jù)報警信號的來源分辨警報的嚴重程度并分級別上報或發(fā)出報警信號，使水廠能更“智能”地運行。

2.3 在線儀表

在線儀表系統(tǒng)應(yīng)及時、準確、可靠的將工藝參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳遞給自動控制系統(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充。如，可在超聲波液位計旁加裝浮球開關(guān)作為冗余保護。在線儀表應(yīng)選擇免維護或易維護設(shè)備，優(yōu)先選用具有數(shù)字傳輸及組網(wǎng)功能的儀表，重要信號應(yīng)采用總線+模擬量兩種采集方式相結(jié)合，以保證信號準確、可靠。

2.4 網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)

全流程自動化水廠的控制網(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，通過光纖組成環(huán)形或者雙星型網(wǎng)絡(luò)，保證每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都至少有兩個物理鏈接。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)應(yīng)立即發(fā)出警報。

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、維護人員可能到達的地點搭建無線局域網(wǎng)，供各類移動設(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)

全流程自動化水廠的最終建設(shè)目標是達到少人或無人值守，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、紅外對射等防入侵裝置或周界報警系統(tǒng)，當有非法入侵時向區(qū)域集控中心和中心控制室同時報警。自動化水廠將取消傳統(tǒng)的傳達室，改由區(qū)域集控中心通過可視對講門禁和電控門鎖遠程控制人員出入水廠。周界報警系統(tǒng)和門禁、電控門鎖應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)接口可實現(xiàn)遠程報警、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存儲一定時間內(nèi)的視頻信息。硬盤錄像機應(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，區(qū)域集控中心只查看不存儲。

2.6 輔助巡檢系統(tǒng)

巡查養(yǎng)護和維修是無人值守管理模式下的主要作業(yè)項目[2]。在少人無人值守水廠中只有1～2個值守人員或不設(shè)置長期值守崗位，因此巡檢工作常需要工作人員單獨完成。而水廠的生產(chǎn)區(qū)域存在一定數(shù)量危險源，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)。

智能移動終端（智能手機、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的處理能力使得我們可以借助智能移動終端實現(xiàn)某些高級應(yīng)用。

1）移動監(jiān)控

基于智能移動終端開發(fā)監(jiān)控軟件或利用web發(fā)布功能，對水廠的主要設(shè)備、重要數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，移動終端通過廠區(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隨地查看現(xiàn)場生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、歷史曲線、處理故障和報警信息。

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巡檢路線和可能到達區(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終端在無線局域網(wǎng)中的接入點和接入信號的強弱計算出巡檢人員的具體位置，并在電子地圖上顯示。定位軟件還可以對巡檢人員的行進路線實時進行檢查，如果行進路線偏離、異常或者在一區(qū)域停留時間過長則發(fā)出報警信息，提示相關(guān)人員關(guān)注這一情況，以免發(fā)生意外。定位計算機記錄每一次巡檢的時間、路線、巡檢人員的個人信息等數(shù)據(jù)以備查詢。

3）主動防護及對講

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

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終端雙向語音呼叫，實現(xiàn)對講功能。當緊急情況發(fā)生時，智能移動終端可以群發(fā)呼叫、警報。

4）下達工單

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

5）設(shè)備管理及電子臺賬

手持移動終端可通過無線網(wǎng)絡(luò)接入MIS系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備管理和電子臺賬查詢功能。在錄入電子臺賬時為設(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終端掃碼即可查詢到設(shè)備信息。也可通過手持移動終端進行故障上報，包括故障描述和現(xiàn)場照片等。同樣，在對設(shè)備進行維護、檢修時也可將維護、檢修相關(guān)信息通過移動終端錄入MIS系統(tǒng)。

6）遠程技術(shù)支持

智能移動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)驗優(yōu)勢。

3 區(qū)域中心多水廠集中監(jiān)控系統(tǒng)

在新的運營管理模式中區(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)控計算機，對所轄幾個水廠進行統(tǒng)一的實時監(jiān)視、控制。同時還配備視頻服務(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)實現(xiàn)對遠方水廠的實時監(jiān)視、運營管理、遠程修改程序等功能。因此這種運營管理模式只需要在區(qū)域集控中心配備一套運維班組和少量技術(shù)專家，由集控中心對人員進行統(tǒng)一調(diào)配，既精簡了隊伍的同時又更充分的發(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)、周界報警系統(tǒng)等應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)與集控中心相連，實現(xiàn)區(qū)域集控中心遠程管理。

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。針對少人無人值守水廠設(shè)計的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)計及工藝調(diào)整、報表系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度、工單生成與下發(fā)、能源與產(chǎn)量采集、能效分析報告功能、環(huán)?；A(chǔ)指標維護等功能可有效提高水廠的運營管理水平，實現(xiàn)精益管理、智慧運行，達到減員增效、節(jié)能降耗的目的。

針對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，有針對性的開發(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)計原則，系統(tǒng)層級、業(yè)務(wù)層級、功能模塊之間完全分離，統(tǒng)一規(guī)劃，逐步實施，降低一次性投入風(fēng)險。同時采用開放式設(shè)計，系統(tǒng)應(yīng)支持多種技術(shù)平臺，支持ERP/CRM/SRM/第三方系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通，為公司、集團級別的信息化建設(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)對各水廠進行遠程監(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的補充。

圖2 少人無人值守水廠MIS系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

6 運營管理模式

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

1）水廠運行值班模式

將運行值班、巡檢、維護、安防（門衛(wèi)）職責(zé)合并，達到日常一人值守。夜間由集控中心值班人員負責(zé)監(jiān)控，各分廠安排電話值班以應(yīng)對緊急情況。水廠基本實現(xiàn)全自動運行，值班人員以巡檢維護為主，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上報，按照區(qū)域監(jiān)控中心指令進行處置。區(qū)域監(jiān)控中心工藝工程師分析各廠的運行情況和處理效果，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?zāi)Ｊ?/p>

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

3）設(shè)備維護維修模式

以區(qū)域集控中心集中安排維護維修為主，維修隊伍按照監(jiān)控中心指令及時到現(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)、運營模式已經(jīng)成熟的今天，自動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)公司進一步發(fā)展的必由之路。