蔣培洪，歐陽遠波，劉 武

（廣州開發(fā)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測中心，廣州 510530）

0 引言

供水系統(tǒng)[1]在各行各業(yè)的生產(chǎn)中都具有至關重要的作用，作為供水單位而言，確保區(qū)域內(nèi)的供水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定運行是尤為重要并且必須保障的，在嶺南地區(qū)，地勢多為丘陵地帶，供水壓力無法僅靠管網(wǎng)調(diào)度保證，因此區(qū)域內(nèi)各片區(qū)的供水加壓站起到了關鍵性作用，是保障各用戶用水壓力不可或缺的手段[1]。通常供水系統(tǒng)在一天內(nèi)不同時段的用水量波動較大，需要的供水壓力也不一致，如果不及時根據(jù)外圍管網(wǎng)的用水量對供水加壓站進行壓力調(diào)節(jié)，會致使整個區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)用水處于波動狀態(tài)，并且嚴重的可能導致供水管網(wǎng)爆管事故、水質(zhì)惡化[2]等問題，傳統(tǒng)的加壓站恒壓調(diào)節(jié)通過手動操作加減泵組實現(xiàn)本站服務區(qū)域內(nèi)恒壓供水的目的，使用傳統(tǒng)的電氣控制設備啟停頻繁，增加了值班人員的工作量，且容易出現(xiàn)故障，增加維修工作量等問題，并且不容易控制恒壓運行，隨著目前自動化技術的不斷提高，也逐漸引入到供水系統(tǒng)中，大大提高供水系統(tǒng)的智能化[3]程度。

某單位目前供水加壓站采用全天恒壓[4]運行模式，并且不分時間段不分季節(jié)采用同一恒壓壓力，這樣的過程導致泵站內(nèi)設備為保持恒壓狀態(tài)長時間運行，增加了設備的故障率，另一方面用戶在不同時間段所需供水量及供水壓力不一樣，采用統(tǒng)一恒壓壓力會造成很大的能源浪費；并且采用水池供水的泵站沒有將水池進水閥門與液位進行關聯(lián)，通常導致水池溢流，造成嚴重的淡水資源浪費；且目前該單位區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展參差不齊，所需用水量也不盡相同，因此管網(wǎng)調(diào)度經(jīng)常出現(xiàn)夸片區(qū)調(diào)度供水的問題，導致各片區(qū)內(nèi)供水加壓站信息無法實時分享，對供水調(diào)度造成很大影響，根據(jù)實際情況提出一種恒壓的供水加壓站中控控制系統(tǒng)設計，該方案采用浙江中控技術PLC 為控制核心，具有高程度自動化、精準控制、便于安裝測試、便于維護更換、供水運行可靠性高等特性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 子站系統(tǒng)

基于恒壓供水的加壓站中控系統(tǒng)由硬件跟軟件系統(tǒng)組成，硬件以浙江中控技術PLC G5Pro 的CPU 為控制核心，配置相應的AI∕AO∕DI∕DO 模塊，其中CPU 采用熱備冗余[5]模式確保系統(tǒng)運行的高可靠性，具備無間斷切換功能；中控系統(tǒng)及現(xiàn)場PLC 控制系統(tǒng)均采用雙回路電源供電，且切換時間小于或等于5 ms，現(xiàn)場PLC 網(wǎng)絡系統(tǒng)配置如圖1所示，該控制系統(tǒng)由現(xiàn)場工控機、泵組、變頻器、閥門、母管壓力開關∕壓力變送器、水池液位計、濁度儀、流量計等設備形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自適應恒壓供水；其工作原理如圖2所示，PLC 將現(xiàn)場出水壓力傳感器的數(shù)值采集，并與設定恒壓供水壓力進行比較，根據(jù)編輯完整的控制邏輯進行啟停泵組及閥門開關，首先通過變頻器調(diào)節(jié)，如達到50 Hz 供水壓力仍沒有達到設定壓力，則增加一臺工頻泵組運行，PLC 不斷采集實際數(shù)據(jù)進行對比分析，通過PID自動調(diào)節(jié)[6]出水壓力使得其保持在設定壓力（根據(jù)實際工況要求，啟停泵組調(diào)整壓力時允許存在一定誤差，并且該誤差可設定范圍），實現(xiàn)下位中控系統(tǒng)自動恒壓供水；水池進水閥門開度由水池液位反饋信號進行積分調(diào)節(jié)[7]，跟水池液位密切關聯(lián)，動態(tài)調(diào)整閥門開度，使得水池保證在一定范圍的液位高度；另外在泵組吸水母管上加裝濁度儀、壓力開關及壓力傳感器等，濁度儀用于保障出水質(zhì)量，壓力開關及壓力傳感器則保障出現(xiàn)負壓情況下，泵組能夠及時停機保護機封燒損，泵體氣蝕等情況發(fā)生。

圖1 現(xiàn)場PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)配置

圖2 泵房加壓工藝

1.2 中控系統(tǒng)

各站點下位機組態(tài)完成后，具備現(xiàn)場自適應運行能力[8]，為便于供水調(diào)度，將各分站集成到中控系進行統(tǒng)一調(diào)配，系統(tǒng)總構如圖3所示，將各分站運行數(shù)據(jù)及相關監(jiān)控通過光纖通訊統(tǒng)一集中VXSCADA 服務器內(nèi)，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥?，各分站設立操作員站，增設工程師操作站，便于對各子站相關運行參數(shù)的修正，從而實現(xiàn)總中控操作遠程操控各泵站的設備運行狀態(tài)，為區(qū)域的供水調(diào)度系統(tǒng)提供有力的運行調(diào)度保障。

圖3 中控系統(tǒng)布置

2 硬件選型及組態(tài)軟件設計

2.1 硬件選型

PLC 控制器在供水系統(tǒng)中應用很廣泛且對于提高供水智能化程度尤為重要，目前市場上PLC 種類繁多，各類品牌的產(chǎn)品在功能實現(xiàn)上存下一定差異，本次系統(tǒng)設計采用浙江中控技術G5ProGCU-5001S 型號的PLC 作為控制器，該模塊可周期性地采集I∕O 模塊的實時信息，將這些信息進行綜合運算處理，并將處理結果周期性輸出到I∕O 模塊，完成對現(xiàn)場控制對象的實時控制，控制器所執(zhí)行的運算處理程序使用符合IEC61133.1 標準的圖形化組態(tài)軟件進行編程，該控制器支持Modbus RTU、Modbus TCP、PROFINET 通信協(xié)議，可作Modbus 或PROFINET 從站，與異構系統(tǒng)進行通信；搭載的AI∕AO∕DI∕DO 模塊主要用于采集現(xiàn)場進出水壓力傳感器、流量計、變頻器頻率反饋、水池液位、水池進水調(diào)節(jié)法反饋及給定指令、吸水母管濁度、測震儀、泵組啟停、閥門開關等信號反饋及指令給定等；開關電源110∕220 VAC，輸出為24 VDC；部分設備相關參數(shù)介紹如：水池液位計采用超聲波液位計，輸出信號為4～20 mA，量程根據(jù)不同水池實際液位選定；進出水壓力傳感器采用橫河壓力變送器，輸出信號為4～20 mA，量程為0～1 MPa 供電電源為24 VDC；采用哈希品牌的濁度儀；采用海峽工控測震儀，量程為0～20 mm∕s，輸出信號4～20 mA；其余閥門、泵組、變頻器等設備參數(shù)結合實際使用設計。

2.2 電路設計

為充分保障系統(tǒng)運行的可靠性，子站中控系統(tǒng)以及總中控室采用雙回路供電[9]設計，將兩路低壓開關單元供給給電源柜內(nèi)，同時加裝在線式UPS 供電模式，從雙回路市電確保UPS 不斷供電，如雙回路市電因設備或誤操作等故障導致低壓開關斷電，則由UPS 電池供電，這樣的設計大大提高了因PLC 斷電導致設備停止運行或各相關運行數(shù)據(jù)丟失等問題出現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性，總的中控室采取同樣原理的設計理念，確保服務器的運行，保證跟現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊的連貫性，不間斷提供區(qū)域內(nèi)加壓供水數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)運行狀況，出現(xiàn)故障及時處理，從而也保障了供水調(diào)度安全。PLC 電源柜內(nèi)的供電原理如圖4所示。

圖4 PLC電源柜供電原理

2.3 軟件設計

子站PLC 控制過程主要包括信號采集輸入、信號掃描運算處理、信號運算結果輸出執(zhí)行3 個部分?？刂破鰿PU按照周期讀取各I∕O輸入模塊狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)部程序運算后，更新內(nèi)部鎖存電路，再通過輸出電路控制設備運行狀態(tài)調(diào)整，從而達到整個系統(tǒng)的控制運行。

本次中控系統(tǒng)設計采用模塊化編程[10]，綜合運用MBD（功能塊）+SBD（語言）+ST（數(shù)據(jù)處理）+梯形圖等相關功能，使用GCSContrix 編程軟件完成設計，根據(jù)功能控制對象不同，系統(tǒng)分為水池液位檢測模塊、壓力檢測模塊、泵組運行狀態(tài)模塊、閥門運行狀態(tài)模塊、余氯檢測模塊、濁度檢測模塊、故障識別處理模塊、啟停泵組模塊等。通過對各模塊進行工藝組態(tài)，可以將泵站運行模式分為直抽模式[11]以及抽庫模式，在直抽與抽庫模式下設定了自動運行模式、手動運行模式及分時段運行模式，模式切換須在工程師操作站實現(xiàn)，切換不同模式，PLC 程序應該自檢相關條件是否滿足該模式運行要求，如果無法滿足則自動切換到原供水模式運行，選定了供水模式后，需要充分結合外管網(wǎng)實際需求進行恒壓供水。各功能在設計前需確認其接口變量類型及數(shù)量，同時，為避免中途增加相關的設備接入系統(tǒng)，系統(tǒng)點位應充分考慮一定余量，在此基礎上根據(jù)現(xiàn)場實際控制需要進行程序的相關設計以及編譯，程序設計流程如圖5所示。

圖5 程序設計流程

3 子站PLC防護及網(wǎng)絡安全設計

自動化技術的不斷發(fā)展，相應配套的信息技術也日新月異，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)給各行各業(yè)發(fā)展帶來了便利同時也帶來了安全隱患，為確?，F(xiàn)場PLC 設備運行正常，本次設計除了采用CPU 熱備冗余外，在子站各現(xiàn)場設備信號線在進入卡件前需經(jīng)過隔離柵[12]，外部須與PLC 通訊的信號，采用光纖傳輸，防止雷雨天氣時，雷電經(jīng)過信號線進入卡件或者CPU，擊穿內(nèi)部元器件。其原理如圖6所示。同時從網(wǎng)絡安全角度考慮，本次系統(tǒng)設計的總中控系統(tǒng)與子站中控系統(tǒng)通過租用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，且總中控系統(tǒng)具備遠程操作子站中控系統(tǒng)功能，因此網(wǎng)絡安全尤為重要，為確保網(wǎng)絡安全，在子站數(shù)據(jù)上傳∕接收時須經(jīng)過工業(yè)防火墻后方可接通現(xiàn)場PLC 系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸回總中控系統(tǒng)時，須先經(jīng)過專業(yè)防火墻才能進入SCADA 服務器[13]，如相關數(shù)據(jù)需分享其他平臺使用，則增加單項隔離網(wǎng)閘[14]，阻斷外網(wǎng)絡對系統(tǒng)發(fā)送的任何信號指令，確保整個中控系統(tǒng)的運行安全，從而保障供水區(qū)域安全。網(wǎng)絡安全設計如圖3所示。

圖6 現(xiàn)場設備防護原理

4 實際應用與分析

根據(jù)加壓供水的工藝設計，完成了下位機程序組態(tài)設計，通過PID調(diào)節(jié)功能，現(xiàn)場設備運行具備恒壓自適應運行能力，能夠更精準控制出水壓力保證在誤差范圍內(nèi)；同時在設定了相關保護值后，將各關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)采集分析，如水池液位自動調(diào)節(jié)情況下，兩個液位同時低于某個液位值，母管壓力傳感器也低于某個值時，泵組將即時停泵，避免出現(xiàn)抽真空現(xiàn)象，損壞泵組；啟動泵組時，程序自動監(jiān)測泵組進水閥門狀態(tài)，進水壓力傳感器、壓力開關、濁度儀等數(shù)據(jù)是否在開到位狀態(tài)及設定范圍內(nèi)，條件滿足則啟動泵組，條件不滿足則不啟動泵組；另外在運行過程中，濁度儀如出現(xiàn)異常高于正常值，泵組也將停止加壓供水，以確保水質(zhì)安全；現(xiàn)場組態(tài)的相關運行工藝設置能夠很好地保護泵組設備運行及供水安全；本次設計采用的PLC具備也具備一定的自診斷功能，現(xiàn)場設備故障能夠及時發(fā)出報警，并提醒確定后方可消除。將現(xiàn)場中控室的相關數(shù)據(jù)通過光纖通訊傳輸回SCADA 服務器內(nèi)，將服務器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傊锌厥疫M行上位機組態(tài)，實現(xiàn)總中控室與現(xiàn)場中控室的功能，能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場設備運行的實際情況，同時總中控室具備切換現(xiàn)場控制權的功能，如將現(xiàn)場控制權切換到總中控室時，現(xiàn)場中控室將無法操作設備運行及設定相關參數(shù)，將由總中控室對現(xiàn)場設備運行及參數(shù)設定進行操作，從而達到現(xiàn)場無人值守的條件；本次設計增加一臺移動工程師站，移動工程師站將所有站點操作員站功能及工程師站功能，并且在總中控室是連接子站系統(tǒng)，可直接進入現(xiàn)場PLC 監(jiān)控，能夠遠程診斷現(xiàn)場PLC 故障等功能，本次設計在推進智能化供水的同時，也節(jié)約運營成本，向智慧水務推進；在光纖傳輸過程中，應充分考慮帶寬問題，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道擁擠，本次項目設計實際租用光纖為100 M 的裸纖，在數(shù)據(jù)傳輸及遠程操控上延時時間約為10 Ms，這樣的傳輸速度為實際運行調(diào)度提供了充分的保障。

5 結束語

本文主要針對目前單位加壓泵站中控系統(tǒng)運行可靠性差、運行模式單一、數(shù)據(jù)調(diào)度分享不及時等不足，提出的一種基于智能化恒壓供水模式中控系統(tǒng)設計，采用浙江中控技術PLC 為核心的，很大程度上克服原供水系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、可靠性差、自動化程度低、數(shù)據(jù)無法及時共享以及統(tǒng)一調(diào)度運行、本地PLC 卡件經(jīng)常被雷擊燒損等問題，充分降低了值班人員的勞動力，自動恒壓調(diào)節(jié)在節(jié)能上也起到很大作用，能夠精準控制恒壓運行，保證外管網(wǎng)供水壓力平穩(wěn)，更符合本單位加壓站實際運行需求。本次設計可為其他單位供水加壓系統(tǒng)改造提供參考思路。