溫琳蘋， 孫海波， 徐 進

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381）

物聯(lián)網(wǎng)和自動化高新技術(shù)以及智能化電氣設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計，提出了對2 個廠區(qū)及5 座地下水深井泵房的電控設(shè)備更新?lián)Q代、整合自動化系統(tǒng)、完善安防功能，從而實現(xiàn)水廠可靠、高效的無人值守安全運行，推動“智能水廠”建設(shè)。

1 工程概況

某給水廠一、二期工程分別于2008 年和2017 年建設(shè)，兩期供水規(guī)模約12×104m3/d，廠區(qū)分布在城市道路兩側(cè)相距1 km 左右，廠外設(shè)有5 座取水深井泵房。水廠工藝簡單，大部分電氣設(shè)備年代久遠、自動化水平落后，無任何工藝與電氣設(shè)備的運行參數(shù)上傳，儀表配置僅設(shè)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(shù)和電氣參數(shù)以及儀表數(shù)據(jù)均未實現(xiàn)監(jiān)測和遠傳，現(xiàn)場無視頻監(jiān)控和安防措施，僅可通過無線4G 實現(xiàn)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(shè)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(shè)置固定運維值班崗；完成相關(guān)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(xiàn)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(shè)備運行參數(shù)的數(shù)據(jù)，無法自控操作及遠控。需建立全廠的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)中央控制室與各深井子站的數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)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(diào)度(可監(jiān))三級監(jiān)控管理通訊的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［3］。需設(shè)置智能配電管理平臺，對配電系統(tǒng)的數(shù)字化管理、遠程監(jiān)控，能效管理、電能質(zhì)量監(jiān)測，實現(xiàn)智能運維、無人值守和數(shù)字化能效管理。建立供水項目的無線三遙系統(tǒng)，實現(xiàn)與水源深井間的遙信、遙測、遙控。

2）現(xiàn)有電氣設(shè)備及儀表檢測設(shè)備無法滿足網(wǎng)絡(luò)通訊要求。需在盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備的情況下，升級設(shè)備的通訊功能或更換為智能型產(chǎn)品，設(shè)置數(shù)據(jù)采集器。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面上傳，是無人值守的先決條件。

3）缺乏電控設(shè)備安全運行的保障措施、缺乏安防監(jiān)控系統(tǒng)。需設(shè)置變電站電氣設(shè)備的智能溫度監(jiān)測、設(shè)置變電站和泵房的溫度與通風(fēng)風(fēng)機聯(lián)鎖，完善電氣系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)的過電壓保護。設(shè)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(shè)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(xiàn)場設(shè)備層—通信管理層—分控層—主控層分層設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)狀變電站電氣系統(tǒng)的設(shè)置情況，于一期變電站內(nèi)增設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)（分控層）；在二期中控室內(nèi)設(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)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(nèi)（現(xiàn)場設(shè)備層）實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，服務(wù)器進行處理、存儲、分析站內(nèi)數(shù)據(jù)，操作員站對設(shè)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(xiàn)場設(shè)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(nèi)和深井泵房內(nèi)的變壓器本體并更換為帶通訊功能的溫控器；高低壓柜內(nèi)增設(shè)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(zāi)監(jiān)控等設(shè)備；升級深井泵房內(nèi)電機軟啟動器的通訊功能，改造直啟電機控制回路，設(shè)置智能馬達保護器；根據(jù)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(xiàn)遠控。泵房配電間內(nèi)增設(shè)軸流風(fēng)機，可與室溫信號聯(lián)動。按運維方需求增設(shè)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(xiàn)場子站的設(shè)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(shè)防雷保護，中央控制室內(nèi)的設(shè)備，計算機、現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)上針對不同總線配備專用的網(wǎng)絡(luò)避雷裝置。

2）通訊管理層。在一、二期變電站高低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置智能通信采集控制器，作為現(xiàn)場設(shè)備層和控制層之間的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)所有現(xiàn)場設(shè)備的電力參數(shù)、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(diào)試，提高了全廠運維效率，節(jié)約調(diào)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(wǎng)交換機鏈路聚合至分控層或主控層。

3）控制層。在一期廠內(nèi)變電站控制室設(shè)置分控層的操作員站，實現(xiàn)對站內(nèi)電力系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制、數(shù)據(jù)管理分析、電能質(zhì)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(shè)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(shè)備。最終完成一、二期及深井泵房全部數(shù)據(jù)的管理、分析，監(jiān)視和分合閘控制，故障診斷、定位，設(shè)備檢修維護管理，報表管理，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)信息管理以及用戶權(quán)限管理，實現(xiàn)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(shè)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(shè)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(shù)據(jù)采集及監(jiān)控管理，并與總調(diào)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(chǎn)過程監(jiān)控管理計算機、1套工程師站，2 套實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、通訊服務(wù)器、視頻服務(wù)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(nèi)設(shè)置2 臺實時數(shù)據(jù)服務(wù)器互為熱備，負責完成各類工藝、自控儀表、電氣等數(shù)據(jù)的采集、歸類、儲存處理及分析，建立全廠的各類數(shù)據(jù)庫。設(shè)1臺通訊服務(wù)器，負責完成對深井泵房各類數(shù)據(jù)的無線采集及與總調(diào)系統(tǒng)的通訊，視頻服務(wù)器完成視頻數(shù)據(jù)的儲存和管理。設(shè)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(wù)。設(shè)置一臺工程師站，配有多種工具軟件，能對PLC 和上位機應(yīng)用軟件在線編輯、調(diào)試；同時可以在網(wǎng)上對PLC 進行在線診斷；要求能同時打開網(wǎng)絡(luò)中所有系統(tǒng)平臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)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(shù)，電氣參數(shù)及主要設(shè)備運行狀態(tài)信息，據(jù)此對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析、處理、貯存、建立建全各類數(shù)據(jù)庫，對各工藝參數(shù)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(shù)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(chǎn)管理人員清晰地了解到全廠的生產(chǎn)運行情況。操作人員可通過人機對話方式，隨時根據(jù)運行情況修正某些參數(shù)設(shè)定值，使系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)。

中控室內(nèi)設(shè)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(shè)備運行狀態(tài)、主要工藝參數(shù)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(shè)備工作運行狀態(tài)及儀表的測量參數(shù)，對設(shè)備進行遠程遙控啟停及聯(lián)鎖保護停機；報警并能根據(jù)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(shù)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(shè)備運行狀態(tài)及儀表檢測參數(shù)；觀察電氣總覽，了解各設(shè)備運行時間和用電量；生成生產(chǎn)過程參數(shù)的趨勢圖曲線，查閱歷史、瞬時各參數(shù)的變化數(shù)據(jù)、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(nèi)容的大屏幕顯示；離線狀態(tài)下的計算機硬件設(shè)備診斷測試功能；設(shè)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(nèi)各設(shè)1 套PLC 子站，負責各自用電設(shè)備和儀表、電氣系統(tǒng)及安防監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制并通過工業(yè)以太網(wǎng)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(shè)置1套SCADA 無線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)功能包括：深井潛水泵設(shè)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(shù)據(jù)傳輸；對潛水泵的電流、電壓、功率信號的檢測和數(shù)據(jù)傳輸；每眼深井泵房的視頻、安防報警信號的采集和數(shù)據(jù)傳輸。見圖4。

圖4 深井泵房拓撲

3.2.2 通訊

根據(jù)現(xiàn)場情況，制定通訊方式，采用4G 無線+敷設(shè)單模光纖的多種混合方式，一、二期水廠間敷設(shè)單模鎧裝光纜，信號實時傳輸?shù)街锌厥业耐ㄓ崣C并由實時數(shù)據(jù)庫采集整理儲存；與調(diào)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(shè)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(xiàn)場測量儀表及安防系統(tǒng)

針對給水廠的重要供水設(shè)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(xiàn)場IO單元，負責采集每臺水泵的現(xiàn)場各種參數(shù)和實現(xiàn)水泵的遠控。在中控室增加1 臺PLC 帶現(xiàn)場觸摸屏，通過通訊總線采集各臺水泵參數(shù)、各電動閥狀態(tài)、各分析儀表參數(shù)及過程儀表數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)與設(shè)置在二期的中控室監(jiān)控管理中心平臺通訊。

針對水廠關(guān)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(xiàn)儲罐之間的聯(lián)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(nèi)設(shè)置室內(nèi)溫濕度檢測，水泵變頻器柜設(shè)置溫度檢測。溫度檢測與排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動。在各車間增加設(shè)置視頻攝像頭和門禁及巡更打卡點。在廠區(qū)圍墻設(shè)置電子圍欄裝置與攝像頭聯(lián)動。所有信號均上傳至中央控制室。每座深井泵房設(shè)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(shù)字高清球形攝像頭（現(xiàn)狀具備的可利舊）、門禁巡檢打卡、溫濕度檢測等設(shè)備。

4 結(jié)語

經(jīng)過改造，在線儀表連續(xù)監(jiān)測的各工藝參數(shù)，可以協(xié)調(diào)供需之間、水廠處理工藝以及各深井之間的關(guān)系，使設(shè)備得到充分利用并根據(jù)儀表監(jiān)測到的參數(shù)保證出水量、控制產(chǎn)水的質(zhì)量，具有越限報警功能，便于及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，建立生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺，保證安全可靠供水，實現(xiàn)水廠生產(chǎn)和調(diào)度之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面上傳，電氣設(shè)備實時監(jiān)測，斷路器實現(xiàn)遠程分合閘；車間和變電站室溫和主要設(shè)備溫度自控調(diào)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(chǎn)安全。這些共同提升了原給水廠的自動化水平，從而實現(xiàn)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(xiàn)自動化運行的水廠提供電控改造思路。