雨水調(diào)蓄工程自控及儀表設(shè)計要點概述

何 佳 良

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司, 上海 200120)

0 引 言

隨著城市化建設(shè)和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,暴雨內(nèi)澇、徑流污染等問題日趨嚴重。在城市排水系統(tǒng)末端設(shè)置雨水調(diào)蓄池,不僅可以削減向下游排放的雨水峰值流量,提高城市排水防澇能力,還可以控制面源污染,控制初期雨水和合流污水對河道的污染。因此,安全、穩(wěn)定、準確的自動化控制及儀表系統(tǒng)將是保障雨水調(diào)蓄工程發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵因素。

1 設(shè)計依據(jù)與內(nèi)容

1.1 依據(jù)的主要規(guī)范

雨水調(diào)蓄工程的自控及儀表設(shè)計除了要遵循現(xiàn)行國家相關(guān)儀表自動化設(shè)計標準外,還要執(zhí)行GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]、CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]、CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標準》[3]及GB 55027—2022《城鄉(xiāng)排水工程項目規(guī)范》[4]等行業(yè)規(guī)范。

1.2 設(shè)計分界及內(nèi)容

通常,雨水調(diào)蓄是城市排水系統(tǒng)的一部分,運行管理部門一般考慮將調(diào)蓄池納入相應的排水調(diào)度系統(tǒng),對調(diào)蓄池進行統(tǒng)一管理調(diào)度。工程以與上級調(diào)度系統(tǒng)的通信接口為分界,分界面以下屬于項目設(shè)計范圍,界面以上屬于城市排水調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)范圍。

雨水調(diào)蓄工程的自控及儀表設(shè)計主要包括根據(jù)工藝流程要求配置必要的液位、流量、雨量、水質(zhì)分析、氣體監(jiān)測等檢測儀表;所有檢測儀表信號的傳送和顯示;根據(jù)工藝流程對設(shè)備運行的要求,設(shè)置自動控制裝置;根據(jù)安防要求,設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄系統(tǒng)及門禁系統(tǒng)等。

2 自控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動控制系統(tǒng)應在滿足功能性要求的前提下,選擇合理的參數(shù)和設(shè)備,節(jié)約工程投資,降低工程運行費用,并能適應水質(zhì)水量變化的影響,為潛在的突發(fā)性事件適當留有余地和工程應對措施。

本文以城市排水系統(tǒng)末端與雨水泵站合建的大型調(diào)蓄池為例,構(gòu)建由檢測執(zhí)行級、現(xiàn)場控制級、中央監(jiān)控級組成的集中管理、分散控制的集散型控制系統(tǒng)。其中,值班室為信息層,現(xiàn)場控制站為控制層,位于現(xiàn)場的在線檢測儀表和現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備組成設(shè)備層。

(1) 信息層。信息層設(shè)備設(shè)在站內(nèi)值班室,主要由1臺監(jiān)控計算機(工控機)及1臺打印機組成。工控機通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC柜通信,采集雨水調(diào)蓄工程內(nèi)儀表和設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù),作為人機交互界面在顯示器上顯示主要儀表和設(shè)備的運行狀態(tài)、雨水調(diào)蓄流程圖以及各種測量值、報警信息及趨勢圖等。操作人員可以通過鍵盤鼠標在線修改主要設(shè)備的運行參數(shù),實現(xiàn)對自動化控制程序運行條件的設(shè)定。除上述人機交互功能外,工業(yè)級監(jiān)控計算機還負責記錄存儲雨水調(diào)蓄工程的各項運行數(shù)據(jù),根據(jù)運維人員的需求對這些數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計分析等。另外,信息層預留開放的數(shù)據(jù)通信接口與上級調(diào)度系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

(2) 控制層?？刂茖佑?臺PLC現(xiàn)場控制站組成,通過以太網(wǎng)與信息層連接,接受信息層指令,根據(jù)預先編制好的程序,控制雨水調(diào)蓄工程內(nèi)設(shè)備自動運行、儀表和設(shè)備數(shù)據(jù)的采集處理,上傳至監(jiān)控計算機。鑒于雨水調(diào)蓄工程發(fā)生故障可能會導致城鎮(zhèn)內(nèi)澇等情況,PLC現(xiàn)場控制站建議采用冗余結(jié)構(gòu),包括冗余電源、CPU、通信模塊、架構(gòu)等。

(3) 設(shè)備層。設(shè)備層包括在線檢測儀表、潛水軸流泵、閘門、排砂泵、排空泵、螺旋輸送機、砂水分離器、機械格柵、旱季截流泵、水力沖洗系統(tǒng)、除臭設(shè)備等。

2.2 自動控制系統(tǒng)主要功能

自動控制系統(tǒng)應具有以下主要功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集。采集雨水調(diào)蓄工程各個生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、電氣設(shè)備運行狀態(tài)和電氣參數(shù)等信息。

(2) 生產(chǎn)過程監(jiān)視功能。通過監(jiān)控計算機動態(tài)顯示工程平面圖、總工藝流程圖、局部工藝流程圖、供電系統(tǒng)圖,以及工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、機械設(shè)備運行狀態(tài)、事故報警顯示的各種數(shù)據(jù)圖表。

(3) 控制功能。運維人員通過監(jiān)控計算機可用鍵盤或鼠標對有關(guān)設(shè)備進行手動操作?？刂葡到y(tǒng)對工藝過程和控制設(shè)備按運行程序要求自動進行控制與調(diào)節(jié),各個自動運行程序的工藝參數(shù)、控制參數(shù)可以設(shè)定。

(4) 報警功能。系統(tǒng)對生產(chǎn)狀況實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控分析,對設(shè)備及工藝過程中發(fā)生故障時發(fā)出警報,顯示故障點和故障狀態(tài),按照報警等級做出相應反應,記錄故障信息。提供的報警日志可以記錄事件、信息和報警,并且可以根據(jù)要求對相應內(nèi)容進行歸檔,觸發(fā)相應動作等。

(5) 安全操作功能。提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶權(quán)限,針對不同的操作者設(shè)置相應的加密等級,記錄操作員及操作信息。

(6) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理功能。根據(jù)采集到的信息,建立各種信息數(shù)據(jù)庫,保存工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)。自動生成歷史數(shù)據(jù)庫,并對各類工藝參數(shù)做出趨勢曲線,完成數(shù)據(jù)傳送和報表打印。

2.3 設(shè)備三級控制方式

依據(jù)GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]的規(guī)定,雨水調(diào)蓄工程中主要設(shè)備的控制分為3個層級。

(1) 機側(cè)控制。機側(cè)控制為在各設(shè)備機側(cè)控制箱(柜)上進行手動操作。當機側(cè)控制方式手柄處于“手動操作”時,PLC的控制和上級監(jiān)控中心的遠程控制命令均被拒絕。

(2) 就地控制。就地控制是通過自控系統(tǒng)PLC實施設(shè)備控制,該控制方式下可通過人機界面選擇就地程序軟手動控制和就地程序自動控制兩種方式。其中就地程序軟手動控制通過工控機操作界面實施手動控制;就地程序自動控制由自控系統(tǒng)PLC根據(jù)儀表檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)按照預先編制好的程序,自動起、停,無須人工干預。

(3) 遠程控制(預留)。上級監(jiān)控中心遠程控制為由上級排水調(diào)度中心運行管理人員通過中央SCADA綜合監(jiān)控信息平臺用戶端獲取下屬各雨水調(diào)蓄工程運行工況,并根據(jù)運行調(diào)度管理策略下達各類控制指令,保證各雨水泵站及調(diào)蓄池高效、穩(wěn)定運行。

雨水調(diào)蓄工程內(nèi)設(shè)備的控制優(yōu)先級由高至低宜為:機側(cè)控制、就地控制、遠程控制,較高優(yōu)先級的控制可屏蔽較低優(yōu)先級的控制。每一級控制均應設(shè)置選擇開關(guān),以確定是否允許較低級別的控制。

2.4 主要設(shè)備自動控制方式

(1) 水泵。在自動狀態(tài)下由PLC根據(jù)泵房集水井的水位和設(shè)定的運行參數(shù),按照預先編制好的程序?qū)λ眠M行自動開停。水泵組的使用應遵循等利用率原則,即累計運行時間最長的水泵優(yōu)先考慮停止,累計運行時間最短的水泵優(yōu)先考慮開泵。當某臺水泵故障時自動切換其他正常水泵投入運行。

(2) 格柵除污機。格柵除污機自動狀態(tài)下由PLC根據(jù)預先設(shè)定好的時間間隔自動開停,同時PLC根據(jù)格柵前后實際液位的差值及設(shè)定好的液位的差值自動開停格柵除污機。

(3) 螺旋輸送機。螺旋輸送機的運行控制應與格柵除污機聯(lián)動。起動時,應按輸送機、格柵除污機的順序依次起動設(shè)備,停止時,應按相反的順序操作。

(4) 電動閘門。電動閘門由人工就地程序軟手動控制、機側(cè)控制或由PLC根據(jù)預先設(shè)定好的程序進行順序控制。

(5) 高低液位報警。當浮球開關(guān)檢測到高低液位報警時,自動控制系統(tǒng)發(fā)出報警。

3 在線檢測儀表

雨水調(diào)蓄工程的檢測儀表應以適用性、可靠性、先進性為原則設(shè)計,充分考慮處理規(guī)模、工藝特點及控制要求等綜合因素,對運行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)等進行實時監(jiān)測。通常出水總管宜設(shè)置流量計量設(shè)施、集水池宜設(shè)置液位計、用于控制徑流污染的調(diào)蓄池可設(shè)置自動采樣器、雨水綜合利用系統(tǒng)的調(diào)蓄池宜設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測儀表等。

特別注意的是,調(diào)蓄池內(nèi)易形成和聚集有毒有害氣體的區(qū)域,應設(shè)置硫化氫、甲烷、氨氣等有毒有害氣體檢測報警設(shè)備,且預留有毒有害氣體監(jiān)測孔。當任何一個在線氣體測定探頭所測定的硫化氫、甲烷或氨氣濃度達到報警設(shè)定值時,自動控制系統(tǒng)發(fā)出實時聲光報警。同時,氣體測定儀現(xiàn)場實時聲光報警。

由于正常運行時運維人員無須進入調(diào)蓄池內(nèi)部,因此,雨水調(diào)蓄工程可不在調(diào)蓄池內(nèi)部設(shè)置在線式有毒氣體檢測儀表監(jiān)測有毒氣體濃度。但是,如運維人員需進入調(diào)蓄池內(nèi)部,必須事先進行有效通風并通過便攜式有毒有害氣體檢測儀表監(jiān)測池內(nèi)有毒有害氣體濃度是否安全,并在采取有效的防護措施(如佩戴防毒面具)的前提下,方可進入調(diào)蓄池內(nèi)。

4 安全技術(shù)防范系統(tǒng)

根據(jù)CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]的要求,雨水調(diào)蓄工程設(shè)置一套安全技術(shù)防范系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄系統(tǒng)及門禁系統(tǒng)組成,不同子系統(tǒng)管理軟件之間可通過通信方式,實現(xiàn)子系統(tǒng)聯(lián)動。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足雨水調(diào)蓄工程運營管理和安全防范的需要,需建立一套數(shù)字式視頻監(jiān)視系統(tǒng)。視頻監(jiān)視系統(tǒng)應以先進性、可靠性、經(jīng)濟性及可擴展性為原則設(shè)計,對泵站及調(diào)蓄池進行宏觀動態(tài)監(jiān)視。系統(tǒng)主要由前端視頻采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、監(jiān)控中心終端顯示管理設(shè)備組成。

(1) 前端視頻采集設(shè)備。由網(wǎng)絡攝像機以及相關(guān)輔助配套設(shè)備組成,主要完成圖像的采集及編碼工作。結(jié)合雨水調(diào)蓄工程的特點,根據(jù)運行管理需要在重要設(shè)備(軸流泵、進出水閘門等)、重要房間(變配電間、控制室等)、重要通道(進場道路、大門等)設(shè)置監(jiān)控攝像機。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。采用數(shù)字式傳輸方式,各攝像機視頻圖像信號經(jīng)以太網(wǎng)電纜接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)專用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

(3) 終端顯示管理設(shè)備。設(shè)置于值班室,主要完成對視頻圖像的接收、顯示、切換、存儲、檢索、回放以及對監(jiān)控攝像機的控制等功能,由NVR網(wǎng)絡數(shù)字硬盤錄像機、主控鍵盤及監(jiān)視器組成。來自前端設(shè)備的視頻信號均接入NVR網(wǎng)絡數(shù)字硬盤錄像機,由NVR負責視頻信號的監(jiān)視、存儲、檢索、回放等,需配置可至少保存一個月錄像信息的硬盤空間。操作人員可以通過主控鍵盤控制前端攝像機動作,控制NVR顯示、錄像以及回放等。

4.2 電子圍欄系統(tǒng)

為確保雨水調(diào)蓄工程的安全,站內(nèi)需配置一套電子圍欄系統(tǒng),在值班室設(shè)置一套報警控制主機,項目圍墻設(shè)置電子圍欄,大門上方設(shè)置紅外對射系統(tǒng)。對安裝在圍墻上的電子圍欄及紅外對射探測器24 h監(jiān)控,對非正常進入人員立即給予報警。同時,安防系統(tǒng)還可按需與地方110聯(lián)網(wǎng),保證廠區(qū)安全。

4.3 門禁系統(tǒng)

為有效保障重點房間區(qū)域的安全性,可根據(jù)運行需求在變配電間、控制室、值班室等設(shè)置門禁點,相關(guān)授權(quán)用戶方可刷卡進入。門禁系統(tǒng)主要由門禁控制器、讀卡器、電磁鎖等組成。相關(guān)人員刷卡信息保存于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi),運行單位可對相關(guān)人員進出信息及權(quán)限進行有效管理。

5 防雷接地與設(shè)備選型

5.1 防過電壓及接地

工程內(nèi)的自控儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及電子圍欄系統(tǒng)分別設(shè)置防雷保護。由室外引入各現(xiàn)場控制站的電源線路、金屬介質(zhì)通信總線均在進戶處裝設(shè)過電壓保護裝置,抑制暫態(tài)浪涌電壓,泄放暫態(tài)浪涌電壓能量,保障設(shè)備免受過電壓的干擾和侵害。

除特殊注明或有特殊接地要求的儀表外,根據(jù)CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標準》的要求,儀表及控制系統(tǒng)宜與低壓供電系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式,接地電阻不大于1 Ω,達不到要求時應增加接地極數(shù)量或采用降阻措施?，F(xiàn)場儀表的工作接地一般應在現(xiàn)場控制站控制室側(cè)實施,并單點接入接地系統(tǒng)。對于被要求或必須在現(xiàn)場接地的現(xiàn)場儀表應在現(xiàn)場側(cè)接地。

5.2 主要設(shè)備選型

考慮到雨水調(diào)蓄工程潮濕、腐蝕、爆炸等特殊環(huán)境,PLC建議采用模塊化結(jié)構(gòu)的具有防腐蝕性涂層的PLC系統(tǒng)。檢測儀表選用帶現(xiàn)場顯示變送器的智能化儀表。爆炸危險環(huán)境中的設(shè)備選用須滿足不同防爆分區(qū)的防護級別要求[5]。

6 結(jié) 語

實踐證明,雨水調(diào)蓄工程能有效提高城市排水防澇并控制面源污染?？茖W、合理的自控及儀表設(shè)計不僅能夠保障調(diào)蓄工程的處理效果、減輕勞動強度、改善操作環(huán)境、降低運維成本,還能為生產(chǎn)管理、事故分析、工藝控制尋優(yōu)、改進管理方法等提供可靠的依據(jù)。