給水廠無人值守電控改造設計

溫琳蘋， 孫海波， 徐 進

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

物聯網和自動化高新技術以及智能化電氣設備的日益成熟推動著“水廠無人值守管理模式”的發(fā)展［1～2］。由于眾多已建成給水廠的規(guī)模、形式、電控系統(tǒng)和設備先進程度均有不同，進行電控系統(tǒng)向無人值守模式改造的方法也不同，本文以間隔十年建設的兩期某給水廠電控系統(tǒng)整合、提升改造工程為例，介紹此類工程的無人值守電控系統(tǒng)改造設計，提出了對2 個廠區(qū)及5 座地下水深井泵房的電控設備更新換代、整合自動化系統(tǒng)、完善安防功能，從而實現水廠可靠、高效的無人值守安全運行，推動“智能水廠”建設。

1 工程概況

某給水廠一、二期工程分別于2008 年和2017 年建設，兩期供水規(guī)模約12×104m3/d，廠區(qū)分布在城市道路兩側相距1 km 左右，廠外設有5 座取水深井泵房。水廠工藝簡單，大部分電氣設備年代久遠、自動化水平落后，無任何工藝與電氣設備的運行參數上傳，儀表配置僅設基本檢測，沒有過程控制器；車間及變電站等重要場所無視頻監(jiān)控及安防措施；廠外取水深井泵房無出口壓力檢測，泵運行參數和電氣參數以及儀表數據均未實現監(jiān)測和遠傳，現場無視頻監(jiān)控和安防措施，僅可通過無線4G 實現簡單的泵的遠程啟停。

對電控系統(tǒng)進行升級改造，完成兩個廠區(qū)和深井泵房的監(jiān)控中心的整合，整合后的監(jiān)控系統(tǒng)設在水廠二期廠區(qū)中央控制室，一期廠區(qū)和深井泵房均不設置固定運維值班崗；完成相關過程檢測儀表的升級改造工作；建立可靠的安防系統(tǒng)，全面實現水廠無人值守和井群無線SCADA控制系統(tǒng)改造。

2 改造的重難點

1）無工藝運行及電氣設備運行參數的數據，無法自控操作及遠控。需建立全廠的數據通訊系統(tǒng)，實現中央控制室與各深井子站的數據通訊，實現生產過程控制自動化。建立水廠與水源井—中央控制室(可監(jiān)可控)—集團總調度(可監(jiān))三級監(jiān)控管理通訊的網絡架構［3］。需設置智能配電管理平臺，對配電系統(tǒng)的數字化管理、遠程監(jiān)控，能效管理、電能質量監(jiān)測，實現智能運維、無人值守和數字化能效管理。建立供水項目的無線三遙系統(tǒng)，實現與水源深井間的遙信、遙測、遙控。

2）現有電氣設備及儀表檢測設備無法滿足網絡通訊要求。需在盡可能利用現有設備的情況下，升級設備的通訊功能或更換為智能型產品，設置數據采集器。實現數據的全面上傳，是無人值守的先決條件。

3）缺乏電控設備安全運行的保障措施、缺乏安防監(jiān)控系統(tǒng)。需設置變電站電氣設備的智能溫度監(jiān)測、設置變電站和泵房的溫度與通風風機聯鎖，完善電氣系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)的過電壓保護。設置水廠和取水深井泵房的視頻監(jiān)控和門禁、安防、巡檢打卡系統(tǒng)。

3 改造設計方案

3.1 電氣系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

綜合考慮無人值守變電站的可靠性、投資和運營方需求及管理水平，按現場設備層—通信管理層—分控層—主控層分層設置。根據現狀變電站電氣系統(tǒng)的設置情況，于一期變電站內增設電力監(jiān)控系統(tǒng)（分控層）；在二期中控室內設置監(jiān)控主機（主控層），可以同時監(jiān)控一二期兩個廠的變電站，負責兩個站設備的運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警等。見圖1。

圖1 電氣系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)包括智能通信采集控制器、網絡交換機和操作員站；監(jiān)控主機（主控層）包括通信采集控制器、網絡交換機、服務器和操作員站。智能通信采集控制器（通訊管理層）負責采集站內（現場設備層）實時監(jiān)測數據，服務器進行處理、存儲、分析站內數據，操作員站對設備進行電力系統(tǒng)監(jiān)視、能耗監(jiān)控、控制操作和維護管理。

3.1.2 高低壓系統(tǒng)

1）現場設備層。升級一、二期廠區(qū)高壓保護測控裝置和直流屏裝置的通訊功能；保留廠內和深井泵房內的變壓器本體并更換為帶通訊功能的溫控器；高低壓柜內增設帶通訊功能的電力儀表、在線測溫裝置、智能溫濕度控制裝置和電氣火災監(jiān)控等設備；升級深井泵房內電機軟啟動器的通訊功能，改造直啟電機控制回路，設置智能馬達保護器；根據運維單位需求，升級或更換低壓斷路器，使其具有自動分合閘功能，升級低壓自動補償裝置的通訊功能［2,4］。

廠區(qū)和泵房手動閥門更換為電動閥門，閥門電裝有通訊接口，可實現遠控。泵房配電間內增設軸流風機，可與室溫信號聯動。按運維方需求增設感煙報警及遙信單元。

自動化系統(tǒng)的高效、安全運行離不開可靠、完善的電源系統(tǒng)，為此中控室、各現場子站的設備由智能在線式不間斷電源（UPS）提供。電源進線端加裝過電壓保護裝置（SPD）。泵房和監(jiān)控中心的自控和儀表系統(tǒng)設防雷保護，中央控制室內的設備，計算機、現場子站電源進/出線、儀表電源、模擬信號接口加裝防雷保護及浪涌吸收裝置。在網絡上針對不同總線配備專用的網絡避雷裝置。

2）通訊管理層。在一、二期變電站高低壓系統(tǒng)內設置智能通信采集控制器，作為現場設備層和控制層之間的橋梁，實現數據雙向透明傳輸。智能通信采集控制器可選擇不同規(guī)約采集、處理并轉發(fā)所有現場設備的電力參數、保護信號和運行狀態(tài)信號。上級控制層也可通過其進行遠程控制、配置、調試，提高了全廠運維效率，節(jié)約調試維護成本。

各系統(tǒng)的智能通信采集控制器最終通過以太網交換機鏈路聚合至分控層或主控層。

3）控制層。在一期廠內變電站控制室設置分控層的操作員站，實現對站內電力系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制、數據管理分析、電能質量監(jiān)測分析、電能計量、饋線保護監(jiān)控等功能。

二期廠區(qū)中控室設置有全廠主控層，全廠電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)視主機為主控層設備。最終完成一、二期及深井泵房全部數據的管理、分析，監(jiān)視和分合閘控制，故障診斷、定位，設備檢修維護管理，報表管理，網絡互聯信息管理以及用戶權限管理，實現遙信、遙測、遙控。

3.2 自控系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由水廠監(jiān)控管理平臺監(jiān)控系統(tǒng)、RTU 井群SACDA無線控制系統(tǒng)、各設備就地控制箱組成。采用分布式集散型計算機控制系統(tǒng)，對一、二期水廠的全部工藝過程進行分散控制、集中管理。RTU井群SACDA無線控制系統(tǒng)負責深井取水的控制，再由通訊系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)組成的中央控制系統(tǒng)——中央控制室，對全廠實行集中管理。RTU井群采用4G無線與中央控制室進行通訊。見圖2。

圖2 全廠控制系統(tǒng)

1）中央控制室。中央控制室（簡稱中控室）設置在二期控制室。按照區(qū)域劃分負責一期、二期、廠外5 座深井泵房的數據采集及監(jiān)控管理，并與總調監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，采用集散型監(jiān)控管理系統(tǒng)。監(jiān)控管理平臺包括2 套生產過程監(jiān)控管理計算機、1套工程師站，2 套實時數據服務器、通訊服務器、視頻服務器及操作終端、通訊裝置、便攜式編程站、故障報警打印機、圖形硬拷貝機、動態(tài)大屏幕投影顯示等。系統(tǒng)軟件采用WINDOWS 環(huán)境的工業(yè)控制組態(tài)軟件。

中控室內設置2 臺實時數據服務器互為熱備，負責完成各類工藝、自控儀表、電氣等數據的采集、歸類、儲存處理及分析，建立全廠的各類數據庫。設1臺通訊服務器，負責完成對深井泵房各類數據的無線采集及與總調系統(tǒng)的通訊，視頻服務器完成視頻數據的儲存和管理。設置2 臺冗余的監(jiān)控管理計算機，正常時分擔不同的功能，故障時互為備用；當其中一臺發(fā)生故障時，另一臺立即投入運行，負責全部監(jiān)控任務。設置一臺工程師站，配有多種工具軟件，能對PLC 和上位機應用軟件在線編輯、調試；同時可以在網上對PLC 進行在線診斷；要求能同時打開網絡中所有系統(tǒng)平臺服務器的數據庫和系統(tǒng)組件并對其進行編輯、組態(tài)。監(jiān)測管理計算機面向操作人員，通過PLC 采集整個水廠的工藝參數，電氣參數及主要設備運行狀態(tài)信息，據此對現場數據進行分析、處理、貯存、建立建全各類數據庫，對各工藝參數做出趨勢曲線并能在線診斷各種故障、報警、記錄；顯示器可顯示全廠的動態(tài)工藝流程圖、動態(tài)參數表、記錄趨勢曲線、自動生成各類報表并通過打印機定時打印出來，使生產管理人員清晰地了解到全廠的生產運行情況。操作人員可通過人機對話方式，隨時根據運行情況修正某些參數設定值，使系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)。

中控室內設有LCD 大型液晶屏幕，將工藝流程圖動態(tài)的投影于屏幕上。使管理人員及時了解全廠工藝流程、設備運行狀態(tài)、主要工藝參數實時值和各工段的工作情況。

中控室監(jiān)控平臺主要功能包括：監(jiān)視并顯示兩期水廠及各深井泵的設備工作運行狀態(tài)及儀表的測量參數，對設備進行遠程遙控啟停及聯鎖保護停機；報警并能根據報警信息完成故障點、原因的分析及判斷并打印成表格；動態(tài)顯示工藝流程、各種工藝參數變化以及水廠和各深井泵的運行狀態(tài)，通過投影儀動態(tài)顯示全廠工藝流程和各設備運行狀態(tài)及儀表檢測參數；觀察電氣總覽，了解各設備運行時間和用電量；生成生產過程參數的趨勢圖曲線，查閱歷史、瞬時各參數的變化數據、趨勢圖和變化狀態(tài)；打印日報表、月報表和年報表等，流程圖、趨勢圖的硬拷貝；安全登錄及密碼保護功能，計算機的自診斷功能；動態(tài)工藝流程等內容的大屏幕顯示；離線狀態(tài)下的計算機硬件設備診斷測試功能；設不間斷電源，保證在停電故障時系統(tǒng)仍能安全可靠地運行；監(jiān)控系統(tǒng)的信息安全，完成信息的通訊上傳及下達。

2）水廠子站及RTU 井群SCADA 無線控制系統(tǒng)。一、二期泵房控制室內各設1 套PLC 子站，負責各自用電設備和儀表、電氣系統(tǒng)及安防監(jiān)控系統(tǒng)的數據采集及控制并通過工業(yè)以太網上傳至中控室。見圖3。

圖3 水廠PLC子站拓撲

每個深井泵房均設置1套SCADA 無線控制系統(tǒng)，實現功能包括：深井潛水泵設備的自動控制及故障檢測；深井液位、出口壓力、出水流量儀表信號的檢測和數據傳輸；對潛水泵的電流、電壓、功率信號的檢測和數據傳輸；每眼深井泵房的視頻、安防報警信號的采集和數據傳輸。見圖4。

圖4 深井泵房拓撲

3.2.2 通訊

根據現場情況，制定通訊方式，采用4G 無線+敷設單模光纖的多種混合方式，一、二期水廠間敷設單模鎧裝光纜，信號實時傳輸到中控室的通訊機并由實時數據庫采集整理儲存；與調度中心的通訊采用ISDN 專線方式，信號傳輸同樣由通訊機完成；深井泵房采用無線4G 的通訊方式，深井設備和電氣及儀表的狀態(tài)信號及控制信號實時傳輸；視頻信號和安防門禁等其他信號用分時傳送，但報警狀態(tài)下實時傳送，以滿足有情況和報警的時候的監(jiān)控和安全防范。

3.3 現場測量儀表及安防系統(tǒng)

針對給水廠的重要供水設備水泵，增加測溫保護和采集，前后增加壓力變送器，每臺水泵增加現場IO單元，負責采集每臺水泵的現場各種參數和實現水泵的遠控。在中控室增加1 臺PLC 帶現場觸摸屏，通過通訊總線采集各臺水泵參數、各電動閥狀態(tài)、各分析儀表參數及過程儀表數據，通過以太網與設置在二期的中控室監(jiān)控管理中心平臺通訊。

針對水廠關鍵工藝環(huán)節(jié)加氯工藝，增加儲罐液位檢測，增加儲罐之間的電動球閥，實現儲罐之間的聯通及故障切斷。加氯機具有通訊接口，信號通過總線與PLC通訊并上傳中央控制室。

泵房和變電站內設置室內溫濕度檢測，水泵變頻器柜設置溫度檢測。溫度檢測與排風系統(tǒng)聯動。在各車間增加設置視頻攝像頭和門禁及巡更打卡點。在廠區(qū)圍墻設置電子圍欄裝置與攝像頭聯動。所有信號均上傳至中央控制室。每座深井泵房設置深井液位計、出口壓力變送器、出水電磁流量計和紅外微波雙鑒探測報警器、數字高清球形攝像頭（現狀具備的可利舊）、門禁巡檢打卡、溫濕度檢測等設備。

4 結語

經過改造，在線儀表連續(xù)監(jiān)測的各工藝參數，可以協(xié)調供需之間、水廠處理工藝以及各深井之間的關系，使設備得到充分利用并根據儀表監(jiān)測到的參數保證出水量、控制產水的質量，具有越限報警功能，便于及時發(fā)現事故隱患，建立生產監(jiān)控管理平臺，保證安全可靠供水，實現水廠生產和調度之間的協(xié)調統(tǒng)一；電氣系統(tǒng)數據全面上傳，電氣設備實時監(jiān)測，斷路器實現遠程分合閘；車間和變電站室溫和主要設備溫度自控調節(jié)，保證良好的運行條件；補充了完整的安防系統(tǒng)，保障了水廠的生產安全。這些共同提升了原給水廠的自動化水平，從而實現無人值守，節(jié)省人力和運行費用。本文可為規(guī)模不大且未實現自動化運行的水廠提供電控改造思路。