無人值守水廠集控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳曉華

摘? 要： 本文介紹了一種水廠集控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的方法，通過層級化方法在業(yè)務(wù)層面將水廠分為四個層級，分級設(shè)計逐層管理，采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。通過對跨地域的水廠進行集中監(jiān)控，大大減少了水廠人員的使用量，降低了運營成本，提高了管理效率和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了基層水廠與上級單位的實時聯(lián)系，使水廠管理向數(shù)字化、智能化方向邁進。

關(guān)鍵詞：無人值守;信息化;分層級;扁平化;區(qū)域集控中心;

中圖分類號：TH 865? ? 文獻標志碼：A

1、引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，水處理企業(yè)的規(guī)模也不斷擴大。許多大型水處理企業(yè)的水廠分布在不同的地域，甚至全球化分布。地域分散導致的信息共享困難，對企業(yè)的統(tǒng)一管理十分不利。針對水廠運營管理模式粗放、運行效率低、生產(chǎn)管控功能差等問題，通過集控信息化、監(jiān)控互聯(lián)化、管理工具精益化、形象展示具象化改造等一系列方法，使水廠達到“少人值守/無人值班”的運行模式，提高了水廠的管理智能化，降低了水廠的運營成本。

2、系統(tǒng)設(shè)計

無人值守水廠集控系統(tǒng)總體設(shè)計可分為四個部分：業(yè)務(wù)層次設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。下面具體介紹。

2.1 業(yè)務(wù)層次設(shè)計

無人值守水廠根據(jù)業(yè)務(wù)層次分為集團總部運管中心、地域中心、區(qū)控中心、基層水廠四個主要層級。其中，集團總部運管中心為集團最高運行管理機構(gòu)，重大業(yè)務(wù)方針決策層;指導并監(jiān)督下屬各級業(yè)務(wù)機構(gòu)的日常運行管理工作。地域中心直接隸屬于運管中心，通常由一至多個區(qū)控中心構(gòu)成，主要以地理位置為劃分依據(jù);在生產(chǎn)運行管理體系中承擔主要的日常管理職責。區(qū)控中心是生產(chǎn)運行的核心執(zhí)行機構(gòu)，區(qū)控中心對下屬各水廠生產(chǎn)運行情況進行遠程控制，主要工作內(nèi)容包括：運行情況監(jiān)視、遠程設(shè)備啟停、工藝參數(shù)調(diào)整、報表生成和異常情況響應(yīng)等。基層水廠是最終管理單元，也是水廠體系的真正運行單元;通過完善就地自動化控制系統(tǒng)及巡檢制度的高效落實，達到少人甚至無人值守的模式。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)在整個系統(tǒng)中有著十分重要的作用，特別是在區(qū)控中心與水廠之間的網(wǎng)絡(luò)更是區(qū)控模式運行的基礎(chǔ)，所以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時采用扁平化的設(shè)計方案。扁平化可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，更好的滿足工業(yè)控制的需要;同時也減少了可能的故障節(jié)點數(shù)，有較好的穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含兩大類節(jié)點。其中，網(wǎng)絡(luò)樞紐是連接到同一網(wǎng)絡(luò)樞紐的區(qū)域中心或水廠之間實現(xiàn)遠程控制。不同網(wǎng)絡(luò)樞紐之間互聯(lián)互通，形成信息傳遞網(wǎng)絡(luò)，但是主要以集團頂層運管云的應(yīng)用為主。主要包括區(qū)控中心的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報和集團運管中心的管理內(nèi)容下達為主。普通節(jié)點，包括水廠、區(qū)控中心、事業(yè)部乃至集團運管中心。對于連接到同一網(wǎng)絡(luò)樞紐的各普通節(jié)點，他們的網(wǎng)絡(luò)位置相等。因此某一區(qū)控功能的實現(xiàn)不必完全依賴于特點的水廠，該區(qū)域內(nèi)的任何一個水廠都可以隨時升級到區(qū)控中心，整個運管模式底層的可靠性有良好的保障。

2.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)是企業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)營，戰(zhàn)略等幾乎所有的經(jīng)營活動所依賴的，不可或缺的信息。數(shù)據(jù)就猶如企業(yè)經(jīng)營者的眼睛一樣，通過數(shù)據(jù)可以反映出經(jīng)營的問題，就猶如舵手依賴導航一樣?？梢姼咝Э煽康臄?shù)據(jù)架構(gòu)對構(gòu)建智慧水務(wù)尤為重要，數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示：

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

無人值守項目建設(shè)主要內(nèi)容包括：單廠的自控系統(tǒng)完善，達到智能化監(jiān)控要求;多廠集中監(jiān)控中心建設(shè)，達到集中監(jiān)控+管理模式創(chuàng)新（精益化管理）;設(shè)備設(shè)施執(zhí)行機構(gòu)的完善，達到無人值守智能化水廠的要求。

3、建設(shè)內(nèi)容

以更好實現(xiàn)水廠無人值守智能化運行為目標，以完善集控功能、管理措施保障水廠安全運行為目標。區(qū)控系統(tǒng)建設(shè)主要包含網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、基層水廠系統(tǒng)完善、區(qū)控中心系統(tǒng)搭建三方面工作。

3.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是區(qū)控中心的基礎(chǔ)條件。傳統(tǒng)單廠運管模式下，各廠生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)都局限于本廠內(nèi)部，無法滿足區(qū)域控制需要廠外遠程監(jiān)控和管理的需求，所以在區(qū)控建設(shè)過程中第一步進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

區(qū)控相關(guān)的通訊鏈路全部采用VPN的方式進行加密。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用于VPN組網(wǎng)的設(shè)備選用同一廠家的產(chǎn)品，以最大程度確保通訊的穩(wěn)定性和兼容性。同時也便于維護過程中備品備件的保障。

3.2 區(qū)控中心/基層水廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

在區(qū)控中心/基層水廠引入新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架之后，需要對其內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)安全性進行更進一步的管理。主要管理內(nèi)容包括：

1 確保區(qū)控相關(guān)線路與其余線路物理隔離;

2 輔助系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于較大的數(shù)據(jù)流量，需要實現(xiàn)設(shè)備與線路資源的獨立;

3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型盡量選用網(wǎng)管型設(shè)備，使用SYSLOG及SNMP等手段實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)運行情況的監(jiān)管;

4 配置工業(yè)安全網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對自動化控制設(shè)備的訪問保護。

3.3 全流程智能化水廠建設(shè)

全流程智能化水廠是通過工藝設(shè)計優(yōu)化、設(shè)備儀表配置優(yōu)化、自控系統(tǒng)完善等一系列措施，實現(xiàn)全廠各工藝單元的自動運行，進而實現(xiàn)運行、巡檢、維護、維修管理模式的轉(zhuǎn)變。

3.4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）是基層水廠最核心的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)有運管模式下，各廠都配置了以在線儀表、PLC控制系統(tǒng)及上位機組態(tài)軟件為組合的SCADA控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)無人值守水廠的信息化建設(shè)，需要對水廠進行自動化改造，使關(guān)鍵區(qū)段、關(guān)鍵設(shè)備信號由上位機監(jiān)控，減輕甚至消除人員就地控制工作量;水廠各工藝單元能夠自動運行;區(qū)分控制信號層級;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)[1～4]。

水廠中控的監(jiān)控功能與集控中心的監(jiān)控功能一致，作為集控中心對本水廠監(jiān)控的后備手段。平時不需要巡檢人員操作，但控制權(quán)限高于集控中心，用于應(yīng)急處置。同時具備數(shù)據(jù)存儲功能，當水廠與集控中心出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷時能夠存儲廠內(nèi)各類數(shù)據(jù)，待網(wǎng)路恢復后能夠?qū)⒋鎯?shù)據(jù)同步至集控中心中控，數(shù)據(jù)存儲時長不小于2年。

3.4.1 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。

3.4.2 視頻監(jiān)控及安防系統(tǒng)

區(qū)控模式下，視頻監(jiān)控系統(tǒng)是區(qū)控中心了解基層水廠情況十分重要的手段。視頻監(jiān)控的布點原則是以滿足工藝監(jiān)視和安防監(jiān)控兩方面需求為依據(jù)。主要參數(shù)詳見設(shè)備參數(shù)表。除了主要工藝區(qū)段之外，配電間、大門和控制室等區(qū)間也必須安裝攝像頭，并確保必要的光照效果。對于攝像頭設(shè)備選型推薦采用圖像清晰、易組網(wǎng)的高清網(wǎng)絡(luò)型攝像頭，并支持主、副雙碼流輸出。必須配置硬盤錄像機，并且支持網(wǎng)絡(luò)方式獲取視頻流。硬盤錄像機錄像保存時間至少達到15天。

3.4.3? 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[5～7]，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。巡檢系統(tǒng)是區(qū)控管理模式中重要配套管理機制——巡檢機制的信息化輔助手段。巡檢系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)和信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對巡檢工作的全過程進行指導、監(jiān)督和考核，并在巡檢過程中為巡檢人員與區(qū)控中心提供高效的信息傳輸手段。通過巡檢系統(tǒng)使巡檢工作更規(guī)范、高效的開展。

巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成包括信息化調(diào)度軟件與配套的各種硬件裝備和設(shè)施。信息化調(diào)度軟件功能集成在區(qū)控中心區(qū)控智能調(diào)度信息系統(tǒng)中。涉及到的硬件包括巡檢人員巡檢時的穿戴設(shè)備和攜帶設(shè)備，以及現(xiàn)場巡檢點的設(shè)施。

巡檢人員攜帶的智能移動終端可接入廠內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)與集控平臺進行信息交互。

3.5 網(wǎng)絡(luò)及通訊系統(tǒng)

無人少人值守水廠的控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)高度穩(wěn)定可靠，應(yīng)采用光纖環(huán)網(wǎng)或者雙星型網(wǎng)絡(luò)，降低鏈路故障對集控系統(tǒng)正常運行的影響。雙通訊線路同時工作，保證兩條線路的可用性，便于線路問題的及時發(fā)現(xiàn)。任何線路出現(xiàn)故障都會在水廠和集控中心進行報警。

水廠在線儀表盡量采用總線組網(wǎng)。進出水水質(zhì)在線參數(shù)上傳中控室、數(shù)采儀時應(yīng)確保數(shù)據(jù)的一致性，必要時要采用相同的通訊方式;流量、風量須采用總線+模擬量兩種結(jié)合的傳輸方式，以便采集累計量和瞬時量。

4? 結(jié)束語

本文對無人值守水廠集控系統(tǒng)在業(yè)務(wù)層次、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)四個方面進行了設(shè)計。通過對基層水廠進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、基層水廠系統(tǒng)完善、區(qū)控中心系統(tǒng)搭建的方式實現(xiàn)了無人值守水廠集控系統(tǒng)。

在國家大力推進兩化融合和智能化、數(shù)字化工廠建設(shè)的今天，信息化建設(shè)是水務(wù)公司向數(shù)字化、智能化工廠轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。本文提出的層級化集控系統(tǒng)設(shè)計方案已經(jīng)在多個水廠部署實施，取得了較好的運行效果，具備較高推廣價值。

參考文獻：

[1] 李高波. 污水處理廠實現(xiàn)"無人值守"的方案研究[J]. 工業(yè)， 2016（6）：00214-00215.

[2] 劉季飛， 馬龍華. 基于PLC實現(xiàn)污水處理廠泵站的"無人值守"自動控制[J]. 工業(yè)控制計算機， 2004， 017（002）：47-48.

[3] 趙越. 基于PLC的污水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學.

[4] 關(guān)永年. 污水處理廠無人值守運行模式探討[J]. 凈水技術(shù)， 2018， 37（12）：30-33.

[5] 楊天博， 宋曉亮， 杜潔. 集控式少人無人值守水廠建設(shè)方法[J]. 制造業(yè)自動化， 2018， 40（09）：48-50+76.

[6] 吳恩杰， 黃新華， 朱黎. 變電站巡檢系統(tǒng)的人機理論應(yīng)用可行性分析[C]// 電力系統(tǒng)自動化學術(shù)交流研討大會. 2006.

[7] 劉旭. 基于掌上電腦技術(shù)的水電廠巡檢系統(tǒng)研究[D]. 浙江大學， 2005.