建立水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

謝艷 張?jiān)?岳敏

（重慶遠(yuǎn)通電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 重慶市 400000）

1 引言

隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化科技技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)行業(yè)等各行各業(yè)都起著巨大作用，它也走進(jìn)了千萬(wàn)家庭中。自動(dòng)化控制技術(shù)在水行業(yè)扮演著重要角色，它提升了給排水處理行業(yè)工作與生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確控制與監(jiān)測(cè)，保證了水行業(yè)的安全生產(chǎn)，提升了水行業(yè)的管理水平，減少了人員配置，實(shí)現(xiàn)了一定程度上的節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)是建設(shè)和打造智能水廠的前提與基礎(chǔ)，也為水處理行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)部分力量。

水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要有各個(gè)PLC 控制站、儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)（中控室上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）等組成，其中儀器儀表主要是實(shí)現(xiàn)池子的水位、泥位、水流量、風(fēng)量、污泥/回流流量、加藥加氯量、自來(lái)水/污水水質(zhì)、壓力、振動(dòng)情況、氣體泄漏、電氣類數(shù)據(jù)等的監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廠區(qū)各個(gè)PLC 站與中央控制系統(tǒng)的通訊、廠區(qū)與泵站的通訊、廠區(qū)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的通訊、保證網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全等，每個(gè)PLC 控制站主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)構(gòu)筑物的各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)與數(shù)據(jù)采集、各個(gè)設(shè)備的自動(dòng)控制與監(jiān)控等，中央控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)全廠及泵站設(shè)備的集中控制與監(jiān)控、水處理全工藝環(huán)節(jié)的展示與監(jiān)控、報(bào)表數(shù)據(jù)管理、設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制等。

現(xiàn)狀：每個(gè)自來(lái)水廠及污水處理廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)無(wú)統(tǒng)一的建立標(biāo)準(zhǔn)。首先幾乎所有都已建立自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但是由不同的設(shè)計(jì)院采用各自的設(shè)計(jì)依據(jù)與原則進(jìn)行設(shè)立，且大多都由不同的承包商建設(shè)；其次每個(gè)自來(lái)水廠與污水處理廠都設(shè)計(jì)有工藝成套設(shè)備，未與自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行統(tǒng)一考慮，會(huì)存在其設(shè)備品牌與檔次與全廠自控系統(tǒng)不一致，同時(shí)多個(gè)工藝成套可能是不同的通訊協(xié)議，上述情況會(huì)導(dǎo)致全廠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜混亂、通訊困難與工作量增大等；再者如某些污水處理廠或自來(lái)水廠存在分期建設(shè)情況，各期由不同的承包商建設(shè)，會(huì)存在多種品牌、多檔次的PLC，會(huì)導(dǎo)致PLC 系統(tǒng)架構(gòu)層次不分明和增加投資成本；最后污水處理廠存在提標(biāo)改造建設(shè)，大多為新增深度處理單元（多為工藝成套設(shè)備），與原有系統(tǒng)融合未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、通訊協(xié)議也可能不一致，導(dǎo)致融合困難及其工作量大。綜上所述，為水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)建立標(biāo)準(zhǔn)是必要的，也是同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)信息化的前提。

2 水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

建立水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括PLC 控制站標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)及安全標(biāo)準(zhǔn)、上位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)與下位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、泵站無(wú)人值守標(biāo)準(zhǔn)等。

2.1 PLC控制站標(biāo)準(zhǔn)

（1）全廠每個(gè)PLC站的設(shè)立根據(jù)工藝段或系列組別，具體如下：

1.其中自來(lái)水處理可將其工藝段分為取水段、預(yù)處理段、砂濾池反沖段、炭濾處理段、送水段、加藥段、污泥脫水段（自來(lái)水廠）、消毒處理段，泵站段、二次供水段（廠外）；

2.其中污水處理廠可將其工藝段分為提升配水段、預(yù)處理段、生物處理段、深度處理段、加藥段、脫泥段、消毒處理段；

3.對(duì)上述每個(gè)工藝段設(shè)立1 個(gè)主PLC 站、同時(shí)為每個(gè)濾池設(shè)立1 個(gè)PLC 子站；

4.取消所有工藝成套設(shè)備控制站，將其納入全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)統(tǒng)一考慮建設(shè)。

（2）每個(gè)PLC 站的建設(shè)原則如下：

1.每個(gè)主PLC 站配置同品牌、同系列、同檔次的模塊，每個(gè)PLC 子站配置同品牌、同系列、同檔次的模塊，每個(gè)主PLC 站或子站采用相同的觸摸屏配置，每個(gè)主PLC 站或子站采用相同的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，每個(gè)主PLC 站配置Modbus 485 通訊；

2.每個(gè)主PLC 站必須配置獨(dú)立的CPU 處理器，重要工藝段的PLC 子站如濾池必須配置獨(dú)立的CPU 處理器；

3.每個(gè)PLC 主站主要的配套配置保持統(tǒng)一，如配置不間斷電源UPS、具有支持形成環(huán)網(wǎng)功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等；

4.柜體及柜內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：戶內(nèi)戶外柜體標(biāo)準(zhǔn)、柜內(nèi)布局標(biāo)準(zhǔn)、防雷措施標(biāo)準(zhǔn)、接地措施標(biāo)準(zhǔn)、電氣元器件編碼標(biāo)準(zhǔn)、接線端子編碼標(biāo)準(zhǔn)、線纜打標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)等。

5.對(duì)需接入控制站電氣設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)向監(jiān)控控制站提供至少如下無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)有①每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)（運(yùn)行、開(kāi)到位、關(guān)到位），②每臺(tái)設(shè)備的故障信號(hào)，③每臺(tái)電機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，④現(xiàn)場(chǎng)電氣控制箱應(yīng)可接受控制站提供的開(kāi)命令、停命令（均為無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)），⑤所有狀態(tài)信號(hào)及控制命令均應(yīng)接至端子排，就地控制箱柜內(nèi)應(yīng)根據(jù)功能要求留有足夠的端子；

6.對(duì)需與PLC 控制站進(jìn)行通信的其他監(jiān)控系統(tǒng)如電力監(jiān)控系統(tǒng)等的要求如下：支持Modbus TCP/IP 通訊協(xié)議，提供所有點(diǎn)位表且點(diǎn)位表是可讀可寫(xiě)的，允許多個(gè)設(shè)備通過(guò)Modbus TCP/IP 方式同時(shí)對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。

（3）建立獨(dú)立的控制室，與配電間分離。

2.2 網(wǎng)絡(luò)及安全標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：將全廠的中央控制室、每個(gè)主PLC 控制站采用具有可支持環(huán)網(wǎng)功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，由于環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂腥哂嘈浴⒖煽啃缘膬?yōu)點(diǎn)，若環(huán)網(wǎng)上的某一路鏈路斷開(kāi)后也不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，保證了數(shù)據(jù)的傳輸；全廠采用相同的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，PLC 子站與其主站的通信采用以太網(wǎng)通訊方式，觸摸屏與PLC 站的通信采用以太網(wǎng)通訊或Modbus 485 通訊方式；PLC 控制站及中央控制室監(jiān)控站的網(wǎng)址按照水務(wù)集團(tuán)IP 地址標(biāo)準(zhǔn)將其分為生產(chǎn)段對(duì)各個(gè)控制站進(jìn)行統(tǒng)一分配與建立；自來(lái)水廠區(qū)及泵站與污水處理廠區(qū)及泵站的自動(dòng)化控制系統(tǒng)與安防監(jiān)控系統(tǒng)的光纖模數(shù)保持統(tǒng)一；上傳方法采用VPN 專線方式（自控、視頻各自上傳），接入采用有線為主、無(wú)線備用的原則。

安全標(biāo)準(zhǔn)：

（1）建立統(tǒng)一的工控系統(tǒng)信息等級(jí)安全防護(hù)或網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施；

（2）先將分為區(qū)域類、設(shè)備類、人員類三大安全領(lǐng)域，再就每個(gè)領(lǐng)域按其領(lǐng)域內(nèi)元素的重要性、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)劃分為A、B、C 三個(gè)安全等級(jí)。

2.3 上位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)與下位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

上位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)建立具體如下：

（1）采用CS 架構(gòu)，并具備冗余；

（2）采用3D 界面渲染、布局與色調(diào)保持風(fēng)格一致（色調(diào)風(fēng)格分為兩種：管理類和生產(chǎn)類，其中管理類采用淺色系、生產(chǎn)類采用深色系），3D界面主要有總圖、每個(gè)單體工藝圖，背景模板保持統(tǒng)一；

（3）對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類如可分為電機(jī)類、閥門(mén)類、監(jiān)測(cè)儀表類，再按類別為每種設(shè)計(jì)統(tǒng)一的顯示與控制面板，最后按類進(jìn)行創(chuàng)建后只需再按標(biāo)簽名進(jìn)行映射；其中電機(jī)類按著設(shè)備具有的信息元素可再分為大泵類、中泵類、小泵類三大類，閥門(mén)類可再分為開(kāi)關(guān)型、調(diào)節(jié)型兩大類，監(jiān)測(cè)儀表類可再分為水質(zhì)類、流量類、安全監(jiān)測(cè)類、物位類、壓力類五大類；

（4）對(duì)廠區(qū)及泵站的相關(guān)報(bào)表數(shù)據(jù)按工藝設(shè)備類別、儀表類別（如水質(zhì)/流量/物位/壓力/安全監(jiān)測(cè)等）、重要性、能耗類（電耗、水耗、藥耗）等進(jìn)行分類，為每種類別建立一一對(duì)應(yīng)的報(bào)表并其報(bào)表格式保持統(tǒng)一；

（5）對(duì)廠區(qū)及泵站的趨勢(shì)數(shù)據(jù)按儀表類別及其重要性、設(shè)備參數(shù)及其重要性等進(jìn)行分類，按類別建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)界面（包括操作與顯示界面）；

（6）對(duì)廠區(qū)及泵站的報(bào)警信息分為管理類、安全類、生產(chǎn)類三種，為每種類別的報(bào)警信息建立統(tǒng)一的報(bào)警顯示與處理模板；

（7）規(guī)范上位機(jī)組態(tài)軟件與下位機(jī)的信息接口；

（8）融合原則：與原有風(fēng)格保持一致。

下位機(jī)標(biāo)準(zhǔn)建立具體如下：

（1）對(duì)設(shè)備標(biāo)簽變量按其設(shè)備類別并結(jié)合PLC 特性建立標(biāo)準(zhǔn)以便識(shí)別，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽變量定義的規(guī)范性與標(biāo)簽變量特征（數(shù)據(jù)類型、限值、周期、值域等）規(guī)范性；

（2）對(duì)設(shè)備標(biāo)簽地址按其設(shè)備所屬類別、數(shù)據(jù)類別（如生產(chǎn)、安全、管理類）、數(shù)據(jù)類型（布爾型、短整型、長(zhǎng)整型、單精度浮點(diǎn)數(shù)、雙精度浮點(diǎn)數(shù)等）、設(shè)備情況（如狀態(tài)、命令、報(bào)警、電流、溫度、振動(dòng)、時(shí)間等）并結(jié)合采用的PLC 和編程軟件特性建立地址分配標(biāo)準(zhǔn)以便快速識(shí)別與增加程序的可讀性；

（3）為單個(gè)工藝段建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)程序；其次對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類，按其類別建立對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的程序；

（4）將程序按主程序、輔助程序、專題程序分類并打造相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)程序，規(guī)范每個(gè)程序的命名。

2.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：主要包括數(shù)據(jù)建立與編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享與交互標(biāo)準(zhǔn)等。其中數(shù)據(jù)建立與編碼原則如下：

（1）基于集團(tuán)大數(shù)據(jù)平臺(tái)；

（2）首先將數(shù)據(jù)分為給水類、排水類兩大類，在此基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)再分為生產(chǎn)、管理、安全三中類，再根據(jù)上述進(jìn)行相應(yīng)的編碼；

（3）對(duì)所有自來(lái)水廠、污水處理廠進(jìn)行編碼；

（4）對(duì)工藝段流程及其系列等進(jìn)行編碼；

（5）對(duì)工藝設(shè)備、儀表進(jìn)行分類并進(jìn)行相應(yīng)的編碼；

（6）對(duì)工藝設(shè)備、儀表按狀態(tài)、控制等進(jìn)行分類并編碼；

（7）對(duì)數(shù)據(jù)類型按類別進(jìn)行編碼；

（8）提煉出主數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的主數(shù)據(jù)編碼規(guī)則。

其中數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)如下：首先規(guī)范上位機(jī)組態(tài)軟件與下位機(jī)PLC 控制站的信息接口，再規(guī)范上位機(jī)組態(tài)軟件與信息管理系統(tǒng)的接口且建立統(tǒng)一的識(shí)別原則與程序。其中數(shù)據(jù)共享與交互標(biāo)準(zhǔn)：主要有數(shù)據(jù)交換方式標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享目錄規(guī)范、交換共享標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和運(yùn)行機(jī)制等；其中數(shù)據(jù)交換方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)內(nèi)部和信息系統(tǒng)之間各種接口與聯(lián)系方式，以及信息系統(tǒng)輸入和輸出的格式制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，包括客戶端報(bào)送方式、數(shù)據(jù)接口對(duì)接方式與數(shù)據(jù)拷貝方式；其中共享目錄規(guī)范實(shí)現(xiàn)完善和提供更加便捷且可溯源的共享數(shù)據(jù)的查詢方式，它包括基礎(chǔ)信息目錄、部門(mén)共享目錄和專題共享目錄，基礎(chǔ)信息目錄重點(diǎn)圍繞各子公司廠、站、網(wǎng)基礎(chǔ)信息等編制；部門(mén)共享目錄重點(diǎn)圍繞大數(shù)據(jù)各指標(biāo)及其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)等編制；專題共享目錄重點(diǎn)圍繞供水、排水、項(xiàng)目建設(shè)信息共享和公眾服務(wù)信息共享等專題方面編制。其中數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)：包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與定義標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼規(guī)則、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)約束與規(guī)則管理。

2.5 泵站無(wú)人值守標(biāo)準(zhǔn)

泵站無(wú)人值守標(biāo)準(zhǔn)：

（1）出入口管理標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)立門(mén)禁、監(jiān)控措施；

（2）周界安全管理標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立電子圍欄；

（3）設(shè)備監(jiān)視與控制標(biāo)準(zhǔn)，采取視頻措施、儀表監(jiān)測(cè)、電氣自動(dòng)化控制設(shè)備等；

（4）泵房安全標(biāo)準(zhǔn)：采用泵房雨水洪水位安全監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電氣防護(hù)措施等；

（5）數(shù)據(jù)上傳標(biāo)準(zhǔn)：如自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采用獨(dú)立的專線上傳。

3 結(jié)語(yǔ)

建立水務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次清晰，避免造成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜與出現(xiàn)多種不同協(xié)議通訊困難；建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)更具可讀性、易識(shí)別、便于共享與傳輸，便于接入大數(shù)據(jù)中心；全廠所有PLC 控制站統(tǒng)一考慮，節(jié)約投資成本；也為今后智能水廠與污水廠建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的自來(lái)水廠、污水處理廠、泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的打造，為達(dá)到精細(xì)化管理、供排水企業(yè)的內(nèi)部生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理、智能化管理等奠定良好的基礎(chǔ)。