周 元 李求飛 李明明

（中電環(huán)保股份有限公司）

通常，變電站遠離城郊建設，雨季來臨時若變電站長期有大量雨水積聚，則容易引起變電站設備故障， 需要工作人員經(jīng)常到現(xiàn)場巡檢和清理。 若變電站設備發(fā)生故障，不能及時處理，會導致含油雨水外排至附近農(nóng)田或河道中，對農(nóng)作物或河道產(chǎn)生污染，破壞生態(tài)平衡。 為解決上述問題， 筆者設計了一款500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置，以實現(xiàn)遠離城郊變電站就地無人值守、遠程集中監(jiān)控、故障預見性分析、遠程集中智慧水務管理，達到節(jié)省人力物力的目的。

1 裝置構(gòu)成及工作流程

變電站外排雨水一體化裝置一般置于地下3.5 m 或更深處。 裝置內(nèi)部由固液分離池、油水分離池、隔油池、電動閘門、油泵、抓斗及過水通道等組成，池體間由隔離板劃分，過水通道進水端與固液分離池連通， 出水端與裝置出口連通，固液分離池底部連通進水管， 格柵管與進水管連接，固液分離池和油水分離池底部設置傾斜角度為30°的污泥斗， 防止固體顆粒溢流進入斜板池造成阻塞。

變電站外排雨水一體化裝置的工作流程如圖1 所示。 變電站外排雨水一體化裝置進水母管和處理后排水母管各設置一臺在線油檢測儀，固液分離池、油水分離池、隔油池分別設置在線液位計，控制器通過檢測來水中油含量值來判斷是否需要進行油水隔油處理，通過檢測出水總管油含量值來判斷是否可以達標排放，通過檢測油水分離池和隔油池的液位來控制泵的啟?；蜃ザ返纳档取?/p>

圖1 變電站外排雨水一體化裝置工作流程

2 主體設計

變電站外排雨水智慧控制裝置設置了一臺控制柜， 控制柜內(nèi)配置PLC 控制設備、 觸摸屏（HMI） 監(jiān)控設備、 監(jiān)控安防設備、 智能網(wǎng)關(guān)（FBOX）和若干電氣元器件。 通過控制柜內(nèi)搭建的電氣一、二次控制回路，組態(tài)PLC 控制器邏輯控制程序和觸摸屏HMI 操作畫面，實現(xiàn)對外排雨水一體化裝置內(nèi)所有被控對象的軟手操、自動程序聯(lián)鎖控制及監(jiān)控，具體包括水泵、抓斗的啟停控制，閥門的開關(guān)操作，液位、油分析儀等工藝參數(shù)的監(jiān)視等。 當油含量超過設定值，裝置自動聯(lián)鎖關(guān)進口閘板閥；固液分離池、油水分離池、隔油池任一池體液位高， 則自動聯(lián)鎖關(guān)進口閘板閥；通過檢測油水分離器、隔油池的液位控制油泵的高開低停。安裝在現(xiàn)場的攝像頭24 h 連續(xù)監(jiān)測控制柜區(qū)域、變電站外排雨水一體化裝置周圍環(huán)境和設備的運行狀況， 并上傳給硬盤錄像機（NVR）， 實現(xiàn)視頻的錄像、 存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。 同時，PLC、HMI、NVR 通過網(wǎng)線連接到交換機， 交換機通過網(wǎng)線與FBOX 組網(wǎng)并進行相關(guān)程序設置，完成PLC、HMI 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)云服務器中。 中央控制中心或其他地點的計算機或手機終端只需安裝相應的軟件及智能終端APP，便可隨時上網(wǎng)查看分布在各現(xiàn)場的變電站外排雨水一體化裝置的儀表實時運行數(shù)據(jù)，泵、自動閥等設備的運行狀態(tài)和報警信息，并可以遠程聯(lián)網(wǎng)進行上下位機程序的組態(tài)和調(diào)試，實現(xiàn)智慧水務管理功能。

2.1 工程硬件

工程硬件配置如圖2 所示。 控制裝置主要由一臺10 英寸觸摸屏、 一套S7-1200 系列PLC、一臺下行4 電口交換機、一臺上行8 電口2 光口帶VPN 功能的交換機、若干攝像頭、一臺NVR、一套FBOX、一套電氣設備及電纜等輔助材料組成。

圖2 主要硬件配置

攝像頭安裝于外排雨水一體化裝置附近，攝像頭通過6 類雙絞線連接到下行交換機1， 下行交換機1 上行口通過6 類雙絞線連接到NVR，NVR 對采集的視頻信號進行管理、 存儲。 NVR、PLC、HMI 通過6 類雙絞線與交換機2 連接，現(xiàn)場儀表、自動閥、接觸器及熱繼電器等通過硬接線連接到控制柜接線端子，S7-1200 控制系統(tǒng)模擬量輸入卡件（AI）、數(shù)字量輸入卡件（DI）采集現(xiàn)場設備信號并處理，經(jīng)過CPU 運算、邏輯程序處理后，通過模擬量輸出卡件（AO）、數(shù)字量輸出卡件（DO）輸出，執(zhí)行電機、抓斗的啟停以及自動閥的開關(guān)和調(diào)節(jié)。 在HMI 中組態(tài)工藝流程圖畫面，定義PLC 數(shù)據(jù)變量，設置報警、報表數(shù)據(jù)等，下載到PLC 和HMI，通過網(wǎng)絡組態(tài)并設置，實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的采集、處理、監(jiān)測、控制、追蹤及查詢等，同時PLC、HMI 中的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)或交換機2 連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享和管理。

2.2 工程軟件

為滿足變電站外排雨水一體化裝置分散布置、無人值守的自動運營需求，軟件設計綜合考慮了操作簡易性、自動化程度、通信開放性、適應性、擴展能力及經(jīng)濟運行等方面。 PLC 采用最新博圖軟件， 觸摸屏采用EasyBuilder Pro 圖控軟件， 第三方設備智能網(wǎng)關(guān)采用FSTOOLS 軟件，PLC 通過集成的PROFINET 物理接口與觸摸屏連接，通信協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。 PLC 控制器帶集成的輸入、輸出模塊，具有輸入濾波器、過程報警及脈沖捕獲等功能，同時控制器集成高速計數(shù)器（HSC）和脈沖發(fā)生器（PTO/PWM），具有時間同步功能。

工程軟件設計上采用軟件濾波、 軟件容錯、脈沖捕獲和過程報警技術(shù)，一般故障信號提示并通過程序自動處理（如電動門、泵、抓斗故障過載等）；重要故障報警提醒并聯(lián)鎖保護（如水池液位與出口泵的高開、低停，低液位報警，進水、出水油含量超標開泵關(guān)閥控制，各池體液位高低開關(guān)泵、閥控制等）。 上位機監(jiān)控程序設計時，對一些重要參數(shù)、重要操作進行操作跟蹤、歷史趨勢和報警記錄，實現(xiàn)故障的追溯和分析，查明故障原因，方便用戶分析并總結(jié)經(jīng)驗，避免故障重復出現(xiàn)，同時對重要操作設置相應的權(quán)限保護，避免非正常用戶操作。

控制裝置支持遠程程序下載和監(jiān)控，遠程控制開停機，支持VPN 一鍵連接，支持電腦客戶端、手機APP 和網(wǎng)頁遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測，并可推送報警信息至移動APP，也可配置手機短信推送和微信推送，支持監(jiān)控點的歷史數(shù)據(jù)采集、記錄，支持列表曲線數(shù)據(jù)的展示和常用統(tǒng)計分析。

2.2.1 PLC 控制邏輯結(jié)構(gòu)

變電站外排雨水智慧控制裝置的控制程序可分為進水區(qū)油含量超標聯(lián)鎖控制、出水區(qū)油含量超標報警并聯(lián)鎖控制，各池體液位高、低報警并聯(lián)鎖控制、 隔油填料污染報警并聯(lián)鎖控制等，各控制邏輯既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)變電站外排雨水一體化裝置自動無人值守控制。 主要控制邏輯如圖3 所示。

圖3 PLC 主要控制邏輯

2.2.2 下位機程序軟件

下位機編程軟件采用TIA Portal V17， 利用簡單易懂的梯形圖語言LAD 編寫控制邏輯程序，并根據(jù)實際控制需要，對程序段、變量標簽進行詳細、科學的規(guī)劃，規(guī)范變量標簽名，對實現(xiàn)同一功能的不同設備的程序組態(tài)為功能塊（如電動機控制、電動門控制等），通過主程序調(diào)用功能塊和子程序?qū)崿F(xiàn)不同設備的控制功能。

2.2.3 上位機監(jiān)控軟件

上位機控制軟件采用EasyBuilder Pro 圖控軟件，該軟件是一個友好、開放且可擴展的HMI，擁有豐富的向量圖庫、圖形庫、聲音庫和地址標簽庫，具有強大的宏指令編輯功能，可以快速設計出豐富的工程內(nèi)容、設置不同的操作或報警狀態(tài)、設置多層安全性控制。 該人機界面可實現(xiàn)的功能如下：

a. 數(shù)據(jù)處理。 通過高性能高速I/O 驅(qū)動程序完成與PLC 的硬件通信、錯誤幀檢測、信號調(diào)節(jié)；通過以太網(wǎng)口HMI 通信，動態(tài)存取網(wǎng)絡鏈路上對方的資料；通過以太網(wǎng)口HMI 口可操作連接其他HMI 上的裝置， 可對HMI 與連接在HMI 上的裝置進行遠程監(jiān)控與故障排除。

b. 顯示。 通過EasyBuilder Pro 圖控軟件可以繪制GIF 系統(tǒng)流程圖畫面，顯示主要設備的運行狀態(tài)、主要測量參數(shù)的實時數(shù)值和報警數(shù)值以及主要參數(shù)的動態(tài)圖、歷史趨勢圖等。

c. 監(jiān)控。 根據(jù)工藝設備運行需要，操作人員可以在就地控制箱觸摸屏上修改控制值、調(diào)整工藝控制參數(shù)，并可通過編寫腳本禁止一些非法操作，從而保護現(xiàn)場設備。

d. 報警。 可以提供工藝設備運行中出現(xiàn)的運行狀態(tài)、故障等，并根據(jù)需要對一些重要參數(shù)進行趨勢顯示和聲光報警， 以引起操作人員注意。

e. 報表。 通過歷史資料，根據(jù)實際需要建立重要參數(shù)的EXCEL 電子表格， 可以觸發(fā)實現(xiàn)報表功能，并根據(jù)需要定期打印數(shù)據(jù)報表，也可保存歷史數(shù)據(jù)以便優(yōu)化系統(tǒng)控制、跟蹤事故發(fā)生原因以便處理故障。

f. 安全管理。 用戶可根據(jù)自己的需求設置多級密碼（最多可以設置7 級），防止非法操作。

g. 網(wǎng)絡連接開放。 可以通過可選的OPC 協(xié)議實現(xiàn)與上級的數(shù)據(jù)上傳，為生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，供高層管理。

2.3 網(wǎng)絡通信

控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件EasyBuilder Pro 和S7-1200 系列PLC 的TIA Portal V17 軟件之間采用標準TCP/IP 協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM 來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡尋址［1］，實現(xiàn)上下位機間的數(shù)據(jù)交換，具體數(shù)據(jù)交換鏈路如圖4 所示。

圖4 PLC 和觸摸屏數(shù)據(jù)交換鏈路

控制系統(tǒng)基于4G/5G 網(wǎng)， 通過帶VPN 功能的交換機或智能網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡云平臺，與上級遠程智慧水務管理系統(tǒng)連網(wǎng)，建立一套基于公共互聯(lián)網(wǎng)絡的上級智能監(jiān)控、管理平臺，實現(xiàn)多套油水分離一體化裝置的設備入網(wǎng)通信、 數(shù)據(jù)傳輸、云計算及遠程運維等功能。 該系統(tǒng)可以遠程監(jiān)控各變電站外排雨水一體化裝置的實時運行狀態(tài)，監(jiān)測液位、油分析儀等儀表的實時數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視設備周圍環(huán)境狀況；可以遠程下載程序并監(jiān)控設備；可以遠程開、停設備，減少運維人員的投入，實現(xiàn)實時、高效、安全規(guī)范的集中管理。 遠程智慧水務管理網(wǎng)絡如圖5 所示。

圖5 遠程智慧水務管理網(wǎng)絡

3 應用效果

筆者設計開發(fā)的變電站外排雨水智慧控制裝置， 在多套500 kV 及以上變電站外排雨水一體化裝置上配套使用，從運行效果來看：

a. 節(jié)省施工費用。變電站外排雨水智慧控制裝置可以提前批量生產(chǎn)，控制程序固化并撬裝到現(xiàn)場， 現(xiàn)場只需接一根供電電纜即可投入使用，不需要專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場安裝指導，普通維護人員經(jīng)過半天培訓就可以進行正常的操作和維護。

b. 無人值守。變電站外排雨水一體化裝置正常投運后，現(xiàn)場不需要配置操作人員，維保人員在上級控制中心或手機APP 即可實時監(jiān)測多個現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)和周圍環(huán)境狀況，根據(jù)實時讀取的數(shù)據(jù)、設備運行曲線及歷史報表等進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，做出預見性維護，從而減少人力的投入。

c. 減少環(huán)境污染。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)引入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)實時采集，可以實時監(jiān)測并自動控制含油雨水達標排放，減少了因含油雨水無法及時排放而對周圍水體、土壤環(huán)境造成污染進而造成動植物減產(chǎn)的損失。

4 結(jié)束語

筆者設計開發(fā)的500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置具有較強的模擬量、數(shù)字量處理能力和邏輯運算能力，網(wǎng)絡架構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)通信可靠，操作簡單、界面友好，接口標配，即插即用，安全可靠，日常運行維護量少。 該控制裝置能夠很好地滿足小型一體設備控制需要，值得在油水分離裝置、 類似的變電站外排雨水一體化裝置、一體化污水處理裝置中應用和推廣。