某農(nóng)村供水保障工程自動化改造設計

李 發(fā) 啟

(南京市市政設計研究院有限責任公司, 江蘇 南京 210008)

0 引 言

淮安市某農(nóng)村供水保障工程的給水廠、給水管網(wǎng)自動化系統(tǒng)、供水工程信息化平臺已建設完成,但由于建設資金、施工質(zhì)量等原因,前期建設的給水廠、給水管網(wǎng)自動化系統(tǒng)、信息化平臺等均不完善,導致給水廠自動化程度較低,給水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測不完善,信息安全不能滿足國家相關(guān)要求。

1 工程概況

本工程地點位于江蘇省淮安市,主要建設內(nèi)容包括:建設備用混水管線、升級改造給水廠自動化及儀表、完善給水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測功能。備用混水管線建設完成后,可有效解決本工程給水廠水源單一等供水安全隱患;給水廠自動化及儀表升級改造完成后可提高給水廠的自動化程度,減少運營人員的工作量,同時通過增加信息安全系統(tǒng),提高給水廠信息安全等級;給水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測功能完善后,可實現(xiàn)供水信息平臺對整個供水系統(tǒng)全流程監(jiān)測,保障供水安全。

2 備用混水管線自動化設計

本工程備用水源采用與淮安城南水廠共用方式,在現(xiàn)有淮安水廠備用水源管線上新增混水管線、調(diào)流調(diào)壓閥等。在新增備用混水管線上增加1臺電磁流量計,1臺電動閥,1臺調(diào)流調(diào)壓閥,其中調(diào)流調(diào)壓閥由設備廠家配套1臺PLC柜,負責調(diào)流調(diào)壓閥相關(guān)的設備監(jiān)控及工藝參數(shù)采集,并通過4G/5G無線網(wǎng)絡將信號上傳至供水信息化平臺。除此之外,本工程設置1臺遠程RTU控制箱,用于新增電磁流量計信號采集及電動閥門遠程控制,RTU控制箱通過4G/5G無線網(wǎng)絡將信號上傳至供水信息化平臺。

3 水廠自動化及儀表改造

3.1 自控系統(tǒng)現(xiàn)狀

本工程給水廠總規(guī)模為每天13萬t,分2期建設,其中一期每天5萬t,二期每天8萬t。廠區(qū)現(xiàn)狀一期、二期均已建設完成,但廠區(qū)自控系統(tǒng)均存在一定問題。一期工程由于建設年代已久,部分設備老化,部分設備損壞,大部分自控設備均已不能正常使用;二期工程自控自動化設備均較新,但儀表設備質(zhì)量較差,對工藝參數(shù)采集有較大影響,同時二期工程與一期工程未整合,一期、二期系統(tǒng)獨立運行,嚴重影響了水廠運營生產(chǎn)。

3.2 自控系統(tǒng)設計

本次改造工程自控系統(tǒng)采用了與廠區(qū)原有控制系統(tǒng)一致的自動化控制系統(tǒng)。本工程統(tǒng)一考慮水廠一期、二期自控系統(tǒng),更換一期系統(tǒng)部分PLC柜、上位系統(tǒng),整合一期、二期自控系統(tǒng)。改造后,中控室可以監(jiān)控整個水廠的運行狀況。一期、二期工程共設現(xiàn)場PLC控制主站6套、控制子站18套?？刂浦髡痉謩e位于一期沉淀池(PLC1)、反沖洗泵房(PLC3)、提升泵房(PLC6)、脫水機房(PLC7)、送水泵房(PLC8)、二期沉淀池(PLC9);控制子站分別位于一期沉淀池吸泥機(PLC1.1～PLC1.2)、一期V型濾池(PLC4)、一期活性炭濾池(PLC5)、二期沉淀池(PLC9.1～PLC9.2)、二期V型濾池(PLC10.1～PLC10.6)、二期活性炭濾池(PLC11.1～PLC11.6);加藥間設有各加藥系統(tǒng)(加礬系統(tǒng)PLC2.1、高錳酸鉀系統(tǒng)PLC2.2～PLC2.3、粉末活性炭系統(tǒng)PLC2.4、次氯酸鈉投加系統(tǒng)PLC2.5)、臭氧系統(tǒng)(PLC12.1、PLC12.2～PLC12.3)、二期新增脫水機(PLC7.1)。改造后的自控系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 改造后的自控系統(tǒng)拓撲圖

3.3 自控系統(tǒng)功能描述

3.3.1 中心控制室

設備配置及軟件結(jié)構(gòu)如下:

(1) 中控室設備配置。本次升級改造工程對中控室上位監(jiān)控系統(tǒng)硬件進行全面升級及改造,更換監(jiān)控系統(tǒng)計算機、數(shù)據(jù)服務器、顯示大屏、UPS、組態(tài)軟件等軟、硬件設備,整合一、二期監(jiān)控畫面,改造后的上位監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對整個廠區(qū)的生產(chǎn)及運行進行管理。

(2) 軟件結(jié)構(gòu)。水廠的自動控制系統(tǒng)采用以計算機為核心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。水廠中控室監(jiān)控軟件采用C/S架構(gòu)?？稍诳刂剖覍崿F(xiàn)對全廠進行監(jiān)控、管理。

軟件功能如下:

(1) 管理功能。根據(jù)現(xiàn)場儀表傳感器采集的數(shù)據(jù),生產(chǎn)運行中的設備狀態(tài)信號及其他有關(guān)信息數(shù)據(jù)等,管理生產(chǎn)及調(diào)度,生成動態(tài)工藝運行流程圖、配電系統(tǒng)圖、打印設備生產(chǎn)化驗報表、繪制設備趨勢曲線圖、報警信號及事件記錄。

(2) 控制功能。在中控室的控制模式下,生產(chǎn)與運營維護人員可以通過上位系統(tǒng)監(jiān)控計算機的鍵盤或鼠標操作設備的啟動/停止、設定參數(shù)及調(diào)整控制設備參數(shù)。

(3) 通信功能?？刂剖疑衔幌到y(tǒng)可實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信,如與現(xiàn)場PLC站通信等[1]。

(4) 工藝控制顯示功能。中控室上位計算機可實現(xiàn)對整個水廠生產(chǎn)過程的動態(tài)顯示,可實時顯示各工藝段工藝參數(shù),使各級生產(chǎn)運行管理人員可實時地掌握全廠運行情況。

(5) 事件驅(qū)動和報警功能。計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測故障,顯示故障原因的詳細資料及排除故障的方法。系統(tǒng)同時具有自動報警及報警復位兩個功能,對于系統(tǒng)未被處理完的故障報警還可定時連續(xù)地發(fā)出聲光提示報警,同時可智能改變報警級別。在實時顯示工藝圖時,可保證完整顯示出設備故障紀錄,使現(xiàn)場值班維修人員隨時能夠迅速、準確地了解該設備實際的系統(tǒng)運行工藝狀況。

(6) 操作窗口功能。中控室上位系統(tǒng)可實現(xiàn)對設備的遠程控制功能。生產(chǎn)與運營維護人員直接通過鼠標或鍵盤遠程對設備狀態(tài)進行控制。

(7) 工藝參數(shù)設定功能。工藝參數(shù)設定有生產(chǎn)工藝控制點設定及報警限值設定兩大類。中控室上位系統(tǒng)監(jiān)控計算機可設定工藝控制、報警閾值參數(shù),經(jīng)確認,對于錯誤的設定和超范圍的設定計算機會進行屏蔽并送出“錯誤”信息,提示操作人員予以改正。

(8) 報表輸出功能。系統(tǒng)接收各現(xiàn)場PLC站提供的帶時標的數(shù)據(jù),并儲存于服務器硬盤中,制作出日、月、季、年報表。各種報表可按照標準格式或用戶需要的格式打印。

(9) 系統(tǒng)安全管理功能。安全等級劃分:把操作級別分為廠長級、工程師級和操作員級,對各個級別的操作都設置密碼,并能記錄操作人員工號、操作內(nèi)容、時間等,防止非法操作,確保水廠設備安全有序運行。

(10) 控制安全。對系統(tǒng)內(nèi)每一級控制和操作均提供自動校對程序;當操作判斷有誤時均能選擇自動或手動地判定被人為禁止使用,并觸發(fā)報警。自動操作或半手動操作時可設置作存貯記錄或設置作提示操作指導?？梢愿鶕?jù)工作需要在軟件中預設操作員控制權(quán)口令。

3.3.2 現(xiàn)場PLC控制站

根據(jù)工藝流程分區(qū)域分系統(tǒng)設置PLC控制站。各PLC站完成負責區(qū)域內(nèi)的設備監(jiān)控及工藝參數(shù)采集,通過通信網(wǎng)絡將采集的設備狀態(tài)及工藝參數(shù)上傳至中控室上位監(jiān)控平臺,同時通過預設定的程序,完成各自負責區(qū)域設備自動運行控制。

3.4 儀表檢測系統(tǒng)

為配合計算機控制系統(tǒng),便于操作管理人員實時了解工藝流程中的工藝參數(shù),本工程更換、新增工藝段設置過程檢測儀表、在線水質(zhì)檢測儀表,具體如下[2]。

(1) 取水泵房:吸水井液位計2套、水泵出口壓力變送器4套、出水總管壓力變送器2套、出水總管流量計2套、源水水質(zhì)儀表1套(CODMn、氨氮、pH/T、濁度、DO)、新增水泵溫度巡檢儀4臺。

(2) 一期沉淀池:電磁流量計1套、出水濁度儀2套。

(3) 二期沉淀池:電磁流量計1套、出水濁度儀2套。

(4) 一期V型濾池:液位計4套、濁度儀4套、差壓變送器4套。

(5) 二期V型濾池:液位計6套、濁度儀6套、差壓變送器6套。

(6) 提升泵房:液位計1套。

(7) 一期活性炭濾池:液位計4套、濁度儀4套、差壓變送器4套、電磁流量計1套、氣體流量計1套。

(8) 二期活性炭濾池:液位計6套、濁度儀6套、差壓變送器6套。

(9) 一期清水池:液位計1套、余氯分析儀1套。

(10) 二期清水池:液位計1套、余氯分析儀1套。

(11) 送水泵房:吸水井液位計2套、水泵出口壓力變送器5套、出水總管壓力變送器2套、出水總管流量計2套、水質(zhì)儀表1套(CODMn、氨氮、濁度、余氯等)、新增水泵溫度巡檢儀5套。

(12) 廢水池:液位計2套。

(13) 脫水機房:一期脫水機進泥流量計2套、加藥流量計2套。

(14) 儲泥池:液位計1套。

(15) 應急加藥系統(tǒng):工藝設備廠家配套投加流量計等相關(guān)儀表。

以上工藝參數(shù)均為連續(xù)在線監(jiān)測,儀表檢測值除供現(xiàn)場顯示外,所有信息經(jīng)PLC同時送入中心控制室計算機。

3.5 自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡信息安全

3.5.1 信息安全防護架構(gòu)

根據(jù)《信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)等級保護安全建設技術(shù)方案設計規(guī)范》要求,對水廠工業(yè)自動控制裝置網(wǎng)絡系統(tǒng)進行安全及防護功能的設計規(guī)劃,構(gòu)建“三重防御體系”,從而實現(xiàn)水廠信息安全防護。

3.5.2 生產(chǎn)網(wǎng)絡工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)設計

水廠生產(chǎn)網(wǎng)絡包括現(xiàn)場控制網(wǎng)絡、現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡。現(xiàn)場控制網(wǎng)絡采用光纖環(huán)網(wǎng)設備,包括上位機和控制器;現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡由SCADA系統(tǒng)及相關(guān)服務器組成;管理網(wǎng)絡由服務器和主機構(gòu)成。按照網(wǎng)絡安全等有關(guān)國家技術(shù)保護與政策法規(guī)要求,構(gòu)建基于計算網(wǎng)絡環(huán)境、邊界區(qū)域、通信傳輸節(jié)點網(wǎng)絡環(huán)境的安全網(wǎng)絡防御與安全保障體系,采用了分層、分區(qū)安全保護的安全系統(tǒng)架構(gòu),結(jié)合了現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)總線協(xié)議提供的功能復雜且多樣、實時性要求能力比較很強等特點進行網(wǎng)絡頂層分析設計。

網(wǎng)絡的信息安全環(huán)境設計技術(shù)主要應用領域包括:安全網(wǎng)絡計算環(huán)境安全設計技術(shù)(身份鑒別、監(jiān)測審計、數(shù)據(jù)安全性保護、主機防護、惡意代碼防護)、安全網(wǎng)絡區(qū)域邊界安全性設計方法(區(qū)域邊界訪問控制、區(qū)域邊界惡意代碼攻擊防護、區(qū)域邊界完整性保護、入侵行為檢測)、通信網(wǎng)絡安全建設(網(wǎng)絡安全審計、網(wǎng)絡設備防護、網(wǎng)絡安全接入、網(wǎng)絡攻擊的防護)、工控安全管理平臺[3]。

3.5.3 設備配置

設備配置如表1所示。

表1 設備配置

4 供水信息化系統(tǒng)完善

4.1 現(xiàn)有信息平臺完善

水廠建有供水信息化監(jiān)控平臺,但現(xiàn)有信息化平臺監(jiān)控內(nèi)容不完善,本次工程在現(xiàn)有平臺上進行擴展,增加供水水質(zhì)(管網(wǎng))監(jiān)測畫面、水廠運行畫面、水廠視頻畫面等,同時對新增數(shù)據(jù)進行存儲。供水信息平臺信號采集拓撲圖如圖2所示。

圖2 供水信息平臺信號采集拓撲圖

4.2 供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測

原有供水管網(wǎng)缺少水質(zhì)監(jiān)測設備,本工程增設供水管網(wǎng)水質(zhì)檢測儀表,儀表擬設置在各增壓站,同時增加數(shù)據(jù)采集RTU,將數(shù)據(jù)通過RTU上傳至供水系統(tǒng)監(jiān)控平臺。

供水水質(zhì)檢測類型:濁度、pH/T、余氯。供水管網(wǎng)信號上傳示意圖如圖3所示。

圖3 供水管網(wǎng)信號上傳示意圖

5 結(jié) 語

備用水源混水管線自控系統(tǒng)可以使供水平臺實時監(jiān)控備用水源狀態(tài),一旦現(xiàn)有水源出現(xiàn)問題,可以立即遠程起動備用水源,保障供水安全可靠。供水信息化系統(tǒng)完善后,供水系統(tǒng)監(jiān)控平臺可實現(xiàn)對整個淮安區(qū)供水系統(tǒng)全過程監(jiān)控、生產(chǎn)管理及調(diào)度。給水廠自動化改建后,可實現(xiàn)現(xiàn)場無人值班(少人值守)運行,可以有效降低經(jīng)營成本,提升自控能力,提高管理水平和調(diào)度決策能力。