李 晶

（西安景天水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，陜西 西安 710016）

1 現(xiàn)狀及功能需求

1.1 現(xiàn)狀

自動化系統(tǒng)是合陽縣申都供水更新改造工程新建配套項目，此方案是在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站以及紅旗水庫的建筑物和硬件設(shè)施基礎(chǔ)上，針對合陽縣申都供水更新改造工程高效運行管理需求所做出的自動化系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 功能需求

按照合陽縣申都供水更新改造工程的分布及管理要求，可將本系統(tǒng)功能分為遠(yuǎn)程功能和現(xiàn)地功能，具體功能如下：

1）新城水廠管理中心上位機(jī)系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視各管理站智能儀表、機(jī)組等設(shè)備數(shù)據(jù)采集、運行工況等信息，同時還能根據(jù)實際需要通過專網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2）各管理站上位機(jī)系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視站內(nèi)智能儀表、機(jī)組等設(shè)備數(shù)據(jù)采集、運行工況等信息，具有上位機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程和LCU現(xiàn)地控制功能。

3）站內(nèi)機(jī)組設(shè)備能夠根據(jù)實際工況按照預(yù)置工藝流程自動運行。

4）各管理站可通過現(xiàn)地直接對LCU系統(tǒng)操作來完成對相應(yīng)設(shè)備的控制。

5）管理中心能夠遠(yuǎn)程監(jiān)看各管理站視頻采集信息，可根據(jù)需要調(diào)取單路或多路視頻監(jiān)視畫面，并可根據(jù)監(jiān)看需要遠(yuǎn)程對前端攝像機(jī)進(jìn)行變焦、旋轉(zhuǎn)等操作。

6）各管理站能夠監(jiān)看站內(nèi)安防測點視頻畫面，并可對站內(nèi)前端攝像機(jī)進(jìn)行控制操作。

7）管理中心能夠監(jiān)看各管理站的安防測點視頻畫面，并可通過專網(wǎng)對前端攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

為滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理需要、系統(tǒng)準(zhǔn)確性及系統(tǒng)可行性，合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統(tǒng)的主要設(shè)計思想是：為用先進(jìn)的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)來管理整個合陽縣申都的供水、安全等工作，將合陽縣申都供水更新改造工程建設(shè)成為管理體制和機(jī)制現(xiàn)代化、管理技術(shù)現(xiàn)代化、管理人才現(xiàn)代化的數(shù)字化工程，對自動化系統(tǒng)進(jìn)行子系統(tǒng)劃分，確定出結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)易于實現(xiàn)、滿足實際應(yīng)用及性能優(yōu)良的自動化管理系統(tǒng)，從而達(dá)到“少人值守”的工作方式，提高運行管理效率。

2.2 總體結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D1。

圖1 自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)拓?fù)涫疽鈭D

3 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的最底層，是合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統(tǒng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，可為各站間的圖像、數(shù)據(jù)等信息的傳輸交換提供基礎(chǔ)性服務(wù)平臺。

3.1 帶寬容量計算

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要承載視頻監(jiān)控圖像和測控數(shù)據(jù)的傳輸，視頻監(jiān)控圖像每路所需帶寬至少為2 M；由于測控數(shù)據(jù)較小，按每站共計1 M考慮。各站所需公網(wǎng)接入帶寬容量如下所示：

二級站、三級站攝像機(jī)4鏡，LCU屏1套，所需帶寬：4×2M+1M=9M；

一級站攝像機(jī)5鏡（含零級站1鏡），LCU屏1套，所需帶寬：5×2M+1M=11M；

紅旗水庫暫以10 M考慮；

新城水廠管理中心需與4個管理站聯(lián)通，所需帶寬：2×9M+11M+10M=39M。

而光纖通信非常適合于要求帶寬高、噪音低、抗電磁干擾和靜電干擾以及數(shù)據(jù)傳輸速率高的環(huán)境下使用，為保障通信鏈路可靠穩(wěn)定性，自建光纖采用環(huán)形組網(wǎng)方式。

3.2 組網(wǎng)策略

針對項目中各站場地理位置分布情況，將在新城水廠～一級加壓站、新城水廠～紅旗水庫全線敷設(shè)6芯單模光纜，并分別在新城水廠管理中心及各管理站配置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通過組建自愈型環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸交換。

3.3 輔助工程

（1）中控機(jī)房裝修

為保證計算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行、能夠充分發(fā)揮其功能和延長機(jī)器壽命、確保工作人員的身心健康，中控機(jī)房裝修必須滿足系統(tǒng)設(shè)備以及工作人員對溫度、濕度、潔凈度、風(fēng)速度、電磁場強(qiáng)度、電源質(zhì)量、噪音、照明、振動、防火、防盜、防雷、屏蔽和接地等要求。

（2）大屏顯示

在新城水廠管理中心中控室配備55寸壁掛液晶顯示器用于視頻監(jiān)控及上位監(jiān)測畫面直觀顯示。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要為各泵站提供安全運行監(jiān)視保障服務(wù)，為保障合陽縣申都供水更新改造工程關(guān)鍵設(shè)備、重點建筑物以及管理機(jī)構(gòu)的運行安全，對站內(nèi)機(jī)組運行狀態(tài)、重點建筑物安全、工作區(qū)域警衛(wèi)等實時監(jiān)視。

4.1 建設(shè)內(nèi)容

1）在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站和三級加壓泵站的重點區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)視點。

2）在一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站分別搭建現(xiàn)地管理平臺，實現(xiàn)各站本地監(jiān)控管理；零級站距離一級加壓站很近，前端攝像機(jī)由一級站現(xiàn)地管理平臺統(tǒng)一管理。

3）在新城水廠搭建監(jiān)控管理中心平臺，能夠?qū)σ患?、二級和三級加壓泵站以及新城水廠站內(nèi)的所有前端攝像機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控管理。

4.2 測點布設(shè)

擬在新城水廠、零級站、一級加壓站、二級加壓站、三級加壓泵站重點區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控點布設(shè)，測點共計17鏡，其中室內(nèi)4鏡，室外13鏡。見表1。

表1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端監(jiān)控點布設(shè)統(tǒng)計表

4.3 監(jiān)控管理級

視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為管理中心和現(xiàn)地兩個監(jiān)控管理級。

新城水廠為中心管理級，可監(jiān)看所有站點的前端攝像機(jī)監(jiān)測畫面且可對所有前端攝像機(jī)進(jìn)行操控。

一級、二級、三級加壓泵站為現(xiàn)地管理級，僅可監(jiān)看本站內(nèi)的前端攝像機(jī)監(jiān)測畫面及僅可對站內(nèi)前端攝像機(jī)進(jìn)行操控。零級站距一級站很近，前端攝像機(jī)接入一級加壓站硬盤錄像機(jī)進(jìn)行管理。

4.4 系統(tǒng)方案及結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

本方案擬采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(IPC)+嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)(NVR)的IP數(shù)字監(jiān)控架構(gòu)，數(shù)據(jù)的傳輸交換基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。各站前端IPC對重點區(qū)域圖像信息進(jìn)行采集，通過轉(zhuǎn)換、編碼后以IP包形式通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。管理站內(nèi)采用NVR系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控，NVR作為各管理站本地管理的核心，具備前端IPC的視頻管理、云臺控制、視頻存儲、錄像回放，以及與新城水廠管理中心狀態(tài)通訊數(shù)據(jù)交互、視頻上傳等功能。新城水廠管理中心能夠?qū)σ患壖訅赫?、二級加壓站、三級加壓泵站和新城水廠站內(nèi)的NVR監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，集成化的高效管理，實現(xiàn)對各站的前端IPC進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D2。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

4.5 監(jiān)控軟件功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件需具有的功能有：單路、多路圖像接收處理；多種畫面顯示類型；攝像機(jī)轉(zhuǎn)動、聚變焦控制；用戶管理；攝像機(jī)分組；圖像錄像、檢索、回放；設(shè)定預(yù)置位等。

4.6 輔助工程

（1）監(jiān)控立桿

攝像機(jī)的安裝根據(jù)實地環(huán)境可利用建筑物墻體或選用立桿安裝的方式進(jìn)行安裝，立桿外型美觀且應(yīng)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

（2）防雷接地

前端設(shè)備安裝于室外時，易遭受雷電打擊影響而產(chǎn)生高壓和浪涌電流。為了保證前端設(shè)備可靠、長久的運行，避免因雷電打擊而導(dǎo)致設(shè)備損壞，監(jiān)控立桿必須采取接地的防雷、避雷措施，每個監(jiān)控立桿均需制作一套獨立的接地系統(tǒng)，接地電阻≤10Ω。

室內(nèi)與室外安裝的前端設(shè)備均應(yīng)采用電源防雷措施，配置專業(yè)浪涌保護(hù)器，對前端設(shè)備進(jìn)行全方位的保護(hù)。

5 泵站自動化系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)采用“少人值守”的原則，采用計算機(jī)系統(tǒng)、PLC控制器、智能儀表、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)成可靠、高效、靈活的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)水資源的合理輸送和計量，提高運行質(zhì)量。

5.1 系統(tǒng)組建方案

本項目控制系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第一層為加壓站內(nèi)的控制系統(tǒng)。它主要由各個現(xiàn)場電氣設(shè)備（如軟啟動器、儀表等）與控制單元(PLC系統(tǒng))、上位機(jī)系統(tǒng)組成。第二層為各級加壓站點的上位機(jī)系統(tǒng)與管理中心（新城水廠）之間的網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)。它包含有整個光纖網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、上位機(jī)組態(tài)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫等。各站點上位機(jī)系統(tǒng)作為兩層網(wǎng)絡(luò)的鏈接節(jié)點。

加壓站安裝有獨立控制單元(PLC系統(tǒng))對站內(nèi)的現(xiàn)場采集的信號進(jìn)行處理，對各個電氣設(shè)備進(jìn)行邏輯控制。各個現(xiàn)場電器設(shè)備與控制單元(PLC系統(tǒng))、上位機(jī)系統(tǒng)之間也是采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用現(xiàn)場總線式網(wǎng)絡(luò)EtherCAT總線進(jìn)行通訊，現(xiàn)地電氣設(shè)備、控制單元均掛在EtherCAT總線上，可實現(xiàn)電氣設(shè)備安裝簡便、運行可靠、調(diào)試快捷、維護(hù)方便的特點。

零級站、一級站距離較近安裝一套上位機(jī)系統(tǒng)，其它各級站點均安裝有一套獨立的上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)單元主要由工控機(jī)、打印機(jī)以及相關(guān)的軟件系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)程操作、參數(shù)設(shè)置、工藝流程顯示、數(shù)據(jù)記錄、報警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、操作記錄等功能由其完成。

管理中心（新城水廠）的上位機(jī)單元增加通訊板卡為連接其它廠家的控制系統(tǒng)做通訊接口預(yù)留。

各級加壓站點的上位機(jī)單元與管理中心（新城水廠）的上位機(jī)之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其通訊協(xié)議采用完全開放的TCP/IP協(xié)議。

通過各站與管理中心（新城水廠）進(jìn)行通信，完成對站的遙控、遙調(diào)、遙測等所有遠(yuǎn)動功能。

5.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

合陽縣申都供水更新改造工程自動化控制系統(tǒng)擬采用開放式分層分布系統(tǒng)。由管理中心上位機(jī)系統(tǒng)（遠(yuǎn)程集中監(jiān)視）、各管理站上位機(jī)系統(tǒng)（站內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控）和各管理站現(xiàn)地級LCU系統(tǒng)（現(xiàn)地控制）三層結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D3。

圖3 自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)涫疽鈭D

5.3 系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：數(shù)據(jù)采集與邏輯處理；運行監(jiān)視和事故報警；控制與調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)通訊等。

1)數(shù)據(jù)采集與邏輯處理

將現(xiàn)場設(shè)備的各種運行參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)通過I/O通道或EtherCAT現(xiàn)場總線采集到PLC，經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理后形成各類實時數(shù)據(jù)。這里主要強(qiáng)調(diào)的數(shù)據(jù)采集與處理主要包括如下類型：現(xiàn)場數(shù)字量（模擬量）的采集與量化處理；現(xiàn)場開關(guān)量的采集與處理；現(xiàn)場脈沖量的累計與量化處理；設(shè)定工藝參數(shù)的更改與存儲；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀取和效驗。

PLC控制單元將根據(jù)采集的數(shù)據(jù)、設(shè)定工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運算，用于控制現(xiàn)場設(shè)備自動運行。

2)運行監(jiān)視和事故報警

在上位機(jī)系統(tǒng)上，根據(jù)各級泵站做出相應(yīng)的工藝界面，用于操作人員實時監(jiān)視各個設(shè)備的運行狀態(tài)，各智能儀表的采集數(shù)據(jù)；各種故障報警的提示和記錄，發(fā)生故障時，系統(tǒng)發(fā)出語音報警，并能準(zhǔn)確、清晰的向操作人員提供故障點、故障原因和解決方案；操作事件和故障報警的順序記錄；系統(tǒng)針對歷史故障狀態(tài)的查詢、顯示；系統(tǒng)針對操作事件的查詢、顯示；打印輸出各種報警故障、操作記錄。

3)控制與調(diào)節(jié)

控制對象：泵機(jī)組、閥門、軟啟動器、低壓電氣設(shè)備等。

①泵機(jī)組順序控制：

當(dāng)泵組開、停機(jī)指令確認(rèn)并下發(fā)后，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能自動推出相應(yīng)機(jī)組的開、停機(jī)操作過程監(jiān)視畫面。畫面上反映操作全過程中所有重要步驟的實時狀態(tài)、執(zhí)行時間及執(zhí)行情況，當(dāng)操作受阻時及時提示受阻部位及受阻原因。機(jī)組的開停機(jī)操作允許開環(huán)單步運行和閉環(huán)自動運行。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能自動識別在不同方式下的開停機(jī)操作要求并作出響應(yīng)。

泵機(jī)組設(shè)備在本地具有手動控制及啟、停和開、閉遠(yuǎn)程操作的功能。

②閥門順序控制

當(dāng)閥門啟、閉指令確認(rèn)并下發(fā)后，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能自動推出相應(yīng)閥門啟、閉操作過程監(jiān)視畫面。畫面上反映操作全過程中所有重要步驟的實時狀態(tài)、執(zhí)行時間及執(zhí)行情況，當(dāng)操作受阻時及時提示受阻部位及受阻原因。閥門啟、閉操作按給定流量自動完成開閘、關(guān)閘操作；按給定開度自動完成開閘、關(guān)閘操作；閥門運行過程中遇到意外情況時在監(jiān)控主機(jī)以及現(xiàn)地進(jìn)行急停操作；系統(tǒng)允許開環(huán)運行和閉環(huán)自動運行。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能自動識別在不同方式下的啟、閉操作要求并作出不同的響應(yīng)。

閥門設(shè)備在本地具有手動控制及啟、停和開、閉遠(yuǎn)程操作的功能。

③其它設(shè)備

根據(jù)實際工藝進(jìn)行相應(yīng)邏輯控制。

4)數(shù)據(jù)存儲與報表

系統(tǒng)可對所采集數(shù)據(jù)做長久存儲，存儲數(shù)據(jù)在5年以上。

對采集的數(shù)據(jù)在線顯示實時，并根據(jù)工藝需要作出相應(yīng)的曲線顯示、棒圖顯示、表格顯示等。對所顯示的曲線、表格等可進(jìn)行打印輸出。

系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定時間或其他輸出調(diào)節(jié)自動打印輸出各種運行日志和報表。

5)網(wǎng)絡(luò)通訊

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定完成上位機(jī)與PLC控制單元的通訊和數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)與上位機(jī)之間的通訊和數(shù)據(jù)交換。

5.4 站內(nèi)通訊

采用EtherCAT總線和物理接入（4 mA～20 mA、1 V～5 V等）結(jié)合的方式。

采用EtherCAT總線可以連接各種現(xiàn)場總線的設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)的兼容性。EtherCAT總線通訊速度最大為100 M,完全滿足各類設(shè)備操作的實時性。

6 結(jié)論

合陽縣申都供水更新改造工程自動化系統(tǒng)按照“少人值守”的方式設(shè)計，通過集成通信、監(jiān)控、視頻、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和軟件開發(fā)等技術(shù)，建立一個以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、以高速安全可靠的通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為手段的自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)信息采集存儲自動化、數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、決策支持?jǐn)?shù)字化、調(diào)度指揮現(xiàn)代化。系統(tǒng)建成后將提高供配水運行管理效率，為安全和高效的運行提供保障。