尾水導(dǎo)流工程信息化設(shè)計與實施方案

章熙柏

(南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210008)

根據(jù)江蘇省南水北調(diào)尾水導(dǎo)流工程建設(shè)及運行管理的調(diào)研結(jié)果，該工程存在水質(zhì)不能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、工程存在環(huán)境風(fēng)險等問題[1]。為保障南水北調(diào)東線工程輸水水質(zhì)安全，江蘇省宿遷市實施了南水北調(diào)宿遷市尾水導(dǎo)流工程。通過本工程建設(shè)，市域內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠未被利用的尾水不再直接排放至南水北調(diào)輸水河道，而是通過管道方式輸送至新沂河北偏泓，最終匯入大海。根據(jù)前期研究，尾水導(dǎo)流總規(guī)模為28.6萬m3/d。

目前該市已建成的污水處理廠分布在市域范圍且相對分散，現(xiàn)狀尾水排放通道為市域內(nèi)各主要河道，大部分河道與南水北調(diào)東線輸水河道相連通，直接或間接影響南水北調(diào)東線輸水水質(zhì)安全，實施尾水導(dǎo)流工程有其必然性和緊迫性。同時本工程具有戰(zhàn)線長、工期長、投資大、建設(shè)管理體制復(fù)雜、管理環(huán)節(jié)多、參建單位多等特點[2]，這也給本工程的實施帶來了很大的困難。

為提高項目運行管理的信息化水平，工程中設(shè)計了儀表和自控系統(tǒng)，并在自動化基礎(chǔ)上實施了智慧化管控平臺。平臺可基于地理信息系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集與傳輸、實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報于一體，對工程現(xiàn)場的各種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)和工況信息進(jìn)行采集、分析和展示應(yīng)用[3]。

1 自控系統(tǒng)

自控系統(tǒng)是項目信息化的基礎(chǔ)。尾水導(dǎo)流工程在每座泵站和壓力釋放井均設(shè)置1套PLC控制系統(tǒng)。整個自控系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的模式。中控室設(shè)在其中1座泵站(1號尾水調(diào)度泵站)，在中控室內(nèi)設(shè)置3臺服務(wù)器、2臺監(jiān)控計算機和1臺工程師站，配液晶顯示器和2臺打印機。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲數(shù)據(jù)庫，為應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用服務(wù)器用于布置應(yīng)用支撐服務(wù)、版本控制與升級服務(wù)，客戶端通過應(yīng)用支撐服務(wù)獲取所需功能，定制管理信息軟件，系統(tǒng)軟件可提供數(shù)據(jù)錄入、處理、分析、輔助決策等服務(wù)功能；接收控制服務(wù)器用于接收監(jiān)測站發(fā)送的實時監(jiān)測信息，并按照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和要求上報實時監(jiān)測信息；兩臺監(jiān)控計算機都安裝有監(jiān)控軟件，同時工作，互為備用；工程師站計算機用以編程和維護(hù)PLC控制系統(tǒng)；中控室計算機上安裝有監(jiān)控軟件，可監(jiān)控各泵站運行的全過程，并可計算、統(tǒng)計、貯存各泵站的運行數(shù)據(jù)信息，繪制各種圖幅曲線、打印報表、事故報警等。

中控室計算機之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，各泵站的PLC站與中控室之間均通過單模光纖進(jìn)行通訊。

1.1 信號傳輸方案比選

工程設(shè)計過程中對于采用什么樣的信號傳輸方案是這個工程信息化的重點和難點。由于各個泵站的位置在市域范圍內(nèi)分布較為分散，串接起各個泵站的尾水管道上也設(shè)置了較多的壓力變送器，無線傳輸方案似乎較為合適。但各泵站尾水是通過管道連接與混合，若在管道敷設(shè)時同步進(jìn)行光纖的敷設(shè)，可大大降低有線傳輸方案的成本。因此本工程對有線和無線傳輸方案進(jìn)行了比選。

(1)主要工作原理：光纖有線傳輸方案采用單模光纖傳輸信號，信號衰減低，色散低，適合遠(yuǎn)距離傳輸。無線傳輸一般采用4G或5G等移動網(wǎng)絡(luò)傳輸信號，數(shù)據(jù)實時，較穩(wěn)定，便于后期智慧管網(wǎng)系統(tǒng)擴展。

(2)測控系統(tǒng)供電：光纖有線傳輸和無線傳輸都可采用微功耗電源管理模式，使用鋰電池供電，太陽能電板不間斷充電。

(3)系統(tǒng)安裝施工：采用光纖有線傳輸需單模光纖長度約67 km ，光纖套管采用PE管DN60，其中溝埋61 km、牽引管6 km，需手孔井約560座，太陽能電板35個。采用無線傳輸需傳輸設(shè)備35套，太陽能電板35個。

(4)運行費用：光纖有線傳輸無信號傳輸費用。無線傳輸方案中若每個泵站按每分鐘上傳1張視頻圖片計，采用10M帶寬，600元/月，0.72萬元/年，則10座泵站總計流量費 7.2萬元/年(暫估價)；若壓力變送器按每個點500M/月，30元/月，360元/年，則35個點總計流量費1.26萬元/年(暫估價)。

(5)可靠性：光纖有線傳輸方式信號傳輸穩(wěn)定，是傳統(tǒng)的傳輸方式。無線傳輸方式信號傳輸較穩(wěn)定，是智慧管網(wǎng)低成本建設(shè)主要采用的信號傳輸方式。

(6)系統(tǒng)后期維護(hù)運行：光纖有線傳輸信號線路較繁雜，維護(hù)難度較大，但運行更穩(wěn)定。無線傳輸移動通訊網(wǎng)絡(luò)較穩(wěn)定，系統(tǒng)有斷點保護(hù)，后期維護(hù)較方便，運行也較穩(wěn)定。

經(jīng)過比選，并結(jié)合本工程實際情況，最終確定在有尾水管道敷設(shè)的各泵站之間采用有線傳輸方式。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)合各泵站及壓力監(jiān)測點平面位置，以1號尾水調(diào)度泵站為中心，通過“樹形-總線型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)串接起各泵站及沿線管道壓力監(jiān)測點，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖詳見圖1。

圖1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.3 自控系統(tǒng)主要設(shè)備材料

根據(jù)工程自控系統(tǒng)的設(shè)計，配置主要設(shè)備包括但不限于表1所列設(shè)備。

表1 自控系統(tǒng)主要設(shè)備材料

2 儀表系統(tǒng)

尾水導(dǎo)流工程將污水處理廠的出水通過尾水提升泵站引至排放口，為確保污水處理廠尾水達(dá)標(biāo)排放，在污水處理廠尾水提升泵站及調(diào)度泵站設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測儀表。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)規(guī)定及污染物排放總量控制要求，結(jié)合本工程環(huán)境影響報告書及江蘇省環(huán)保廳對環(huán)境影響報告書的批復(fù)要求，本工程尾水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

儀表是控制系統(tǒng)的眼睛和神經(jīng)系統(tǒng)。為配合計算機控制系統(tǒng)，各儀表采用4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號或通訊接口送至各現(xiàn)場PLC，再轉(zhuǎn)送至監(jiān)控中心上位計算機。

根據(jù)工藝要求，本工程設(shè)置的儀表包括：

(2)管線：每隔3 km或壓力匯入點前后設(shè)置壓力變送器，由一體化太陽能電源供電，信號通過光纖傳輸至1號尾水調(diào)度泵站中控室，統(tǒng)一管理。

表2 主要儀表清單

3 智慧應(yīng)用

智慧化管控平臺是工程的大腦。本項目通過在智慧化管控平臺基礎(chǔ)上開發(fā)部署各類業(yè)務(wù)應(yīng)用滿足在調(diào)度中心即可實現(xiàn)全工程的統(tǒng)一調(diào)度控制和運維管理。

智慧應(yīng)用涵蓋了系統(tǒng)的全景監(jiān)控、調(diào)度決策、工程管理、信息服務(wù)等各個方面。

(1)根據(jù)泵站主機組的工況、開機需求等，智能分析開機模式及開機步驟，實現(xiàn)主設(shè)備的一鍵啟停?？杉羞h(yuǎn)控變配電設(shè)備、水泵機組、閘門等關(guān)鍵設(shè)備，監(jiān)視工藝流程。使用常用控制策略，包括PID控制、模糊控制、模型預(yù)測控制等，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動閉環(huán)調(diào)節(jié)。

(2)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘，利用數(shù)據(jù)建模，使用成熟完善的數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型，對實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、報警和存儲，解放現(xiàn)場運行值班工作。

利用大數(shù)據(jù)分析軟件和策略，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實現(xiàn)運行維護(hù)工作所需生產(chǎn)報表自動生成，設(shè)備運行趨勢自動分析，設(shè)備運行智能預(yù)警和預(yù)判，并采用電話、短信方式通知運行維護(hù)人員。

(3)對泵站的流量、功率等信息進(jìn)行統(tǒng)計，綜合分析泵站的運行效率。通過泵站效率在線評估，使水泵運行在最佳效率區(qū)間，節(jié)約運行費用。

(4)采集、分析并診斷泵站主設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供可靠的技術(shù)保障，提升泵站設(shè)備安全管理水平。包括設(shè)備對象建模、設(shè)備監(jiān)測分析、設(shè)備狀態(tài)評價、設(shè)備風(fēng)險評估、故障識別與診斷等。

(5)泵站的經(jīng)濟運行對于節(jié)約能源、降低運行成本、提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。主要通過結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)對泵組運行特性曲線的校正；結(jié)合污水處理廠排放預(yù)報、峰谷電價對年抽水方案、日抽水方案進(jìn)行優(yōu)化；結(jié)合泵組效率，對泵站串并聯(lián)運行方案進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)泵組在線監(jiān)測及故障診斷評估結(jié)果實現(xiàn)預(yù)見性檢修。

(6)兩票管理模塊能夠根據(jù)接收到的工程運行調(diào)度指令，按照相關(guān)規(guī)定自動提供可供選擇的兩票方案，并能夠記錄、跟蹤調(diào)度指令的流轉(zhuǎn)和執(zhí)行過程，是在泵站運行管理中進(jìn)行電氣操作的書面依據(jù)。

(7)泵站移動巡檢，包括制定巡檢計劃、室外北斗(或GPS)定位、人員考勤、室內(nèi)NFC/二維碼打卡、巡檢事件上報、故障處理指導(dǎo)、關(guān)聯(lián)設(shè)備檔案等。

4 結(jié) 語

本文針對尾水導(dǎo)流工程設(shè)計了自動化和智慧化的系統(tǒng)架構(gòu)及實施方案。尾水導(dǎo)流工程信息化監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)，能提升尾水導(dǎo)流項目運行維護(hù)能力[4]，極大減輕工程建成后管理人員的勞動強度。一體化管控平臺為“無人值守、定期巡檢”泵站的正常運行提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為工程量身定制的光纖傳輸方案將為系統(tǒng)建成后控制系統(tǒng)穩(wěn)定的信號傳輸和實時響應(yīng)控制夯實基礎(chǔ)。同時項目的實施對于水利設(shè)施高效利用和管理的現(xiàn)代化水平將產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用，通過項目的實施和運行管理將會培養(yǎng)一批水利系統(tǒng)信息化管理人才和技術(shù)人才。工程建成后將為南水北調(diào)東線輸水水質(zhì)提供重要保障，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。