何 佳 良

(上?？睖y設計研究院有限公司, 上海 200120)

0 引 言

隨著城市化建設和社會經濟的快速發(fā)展,暴雨內澇、徑流污染等問題日趨嚴重。在城市排水系統(tǒng)末端設置雨水調蓄池,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)將是保障雨水調蓄工程發(fā)揮重要作用的關鍵因素。

1 設計依據與內容

1.1 依據的主要規(guī)范

雨水調蓄工程的自控及儀表設計除了要遵循現行國家相關儀表自動化設計標準外,還要執(zhí)行GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》[1]、CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調蓄池技術規(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 設計分界及內容

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

雨水調蓄工程的自控及儀表設計主要包括根據工藝流程要求配置必要的液位、流量、雨量、水質分析、氣體監(jiān)測等檢測儀表;所有檢測儀表信號的傳送和顯示;根據工藝流程對設備運行的要求,設置自動控制裝置;根據安防要求,設置視頻監(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)結構

自動控制系統(tǒng)應在滿足功能性要求的前提下,選擇合理的參數和設備,節(jié)約工程投資,降低工程運行費用,并能適應水質水量變化的影響,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蓄池為例,構建由檢測執(zhí)行級、現場控制級、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,現場控制站為控制層,位于現場的在線檢測儀表和現場執(zhí)行設備組成設備層。

(1) 信息層。信息層設備設在站內值班室,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)以太網與PLC柜通信,采集雨水調蓄工程內儀表和設備的實時運行數據,作為人機交互界面在顯示器上顯示主要儀表和設備的運行狀態(tài)、雨水調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備的運行參數,實現對自動化控制程序運行條件的設定。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蓄工程的各項運行數據,根據運維人員的需求對這些數據進行查詢、統(tǒng)計分析等。另外,信息層預留開放的數據通信接口與上級調度系統(tǒng)進行數據交換。

(2) 控制層?？刂茖佑?臺PLC現場控制站組成,通過以太網與信息層連接,接受信息層指令,根據預先編制好的程序,控制雨水調蓄工程內設備自動運行、儀表和設備數據的采集處理,上傳至監(jiān)控計算機。鑒于雨水調蓄工程發(fā)生故障可能會導致城鎮(zhèn)內澇等情況,PLC現場控制站建議采用冗余結構,包括冗余電源、CPU、通信模塊、架構等。

(3) 設備層。設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) 數據采集。采集雨水調蓄工程各個生產過程的工藝參數、電氣設備運行狀態(tài)和電氣參數等信息。

(2) 生產過程監(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、電氣參數、機械設備運行狀態(tài)、事故報警顯示的各種數據圖表。

(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設備進行手動操作?？刂葡到y(tǒng)對工藝過程和控制設備按運行程序要求自動進行控制與調節(jié),各個自動運行程序的工藝參數、控制參數可以設定。

(4) 報警功能。系統(tǒng)對生產狀況實時數據進行監(jiān)控分析,對設備及工藝過程中發(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,并且可以根據要求對相應內容進行歸檔,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置用戶權限,針對不同的操作者設置相應的加密等級,記錄操作員及操作信息。

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

2.3 設備三級控制方式

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

(1) 機側控制。機側控制為在各設備機側控制箱(柜)上進行手動操作。當機側控制方式手柄處于“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根據儀表檢測數據、設備狀態(tài)等參數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蓄工程運行工況,并根據運行調度管理策略下達各類控制指令,保證各雨水泵站及調蓄池高效、穩(wěn)定運行。

雨水調蓄工程內設備的控制優(yōu)先級由高至低宜為:機側控制、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。每一級控制均應設置選擇開關,以確定是否允許較低級別的控制。

2.4 主要設備自動控制方式

(1) 水泵。在自動狀態(tài)下由PLC根據泵房集水井的水位和設定的運行參數,按照預先編制好的程序對水泵進行自動開停。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根據預先設定好的時間間隔自動開停,同時PLC根據格柵前后實際液位的差值及設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動。起動時,應按輸送機、格柵除污機的順序依次起動設備,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、機側控制或由PLC根據預先設定好的程序進行順序控制。

(5) 高低液位報警。當浮球開關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

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

特別注意的是,調蓄池內易形成和聚集有毒有害氣體的區(qū)域,應設置硫化氫、甲烷、氨氣等有毒有害氣體檢測報警設備,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,氣體測定儀現場實時聲光報警。

由于正常運行時運維人員無須進入調蓄池內部,因此,雨水調蓄工程可不在調蓄池內部設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蓄池內部,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,方可進入調蓄池內。

4 安全技術防范系統(tǒng)

根據CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調蓄池技術規(guī)程》[2]的要求,雨水調蓄工程設置一套安全技術防范系統(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,實現子系統(tǒng)聯動。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

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

(1) 前端視頻采集設備。由網絡攝像機以及相關輔助配套設備組成,主要完成圖像的采集及編碼工作。結合雨水調蓄工程的特點,根據運行管理需要在重要設備(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)設置監(jiān)控攝像機。

(2) 數據傳輸設備。采用數字式傳輸方式,各攝像機視頻圖像信號經以太網電纜接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)專用工業(yè)以太網交換機。

(3) 終端顯示管理設備。設置于值班室,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網絡數字硬盤錄像機、主控鍵盤及監(jiān)視器組成。來自前端設備的視頻信號均接入NVR網絡數字硬盤錄像機,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)

為確保雨水調蓄工程的安全,站內需配置一套電子圍欄系統(tǒng),在值班室設置一套報警控制主機,項目圍墻設置電子圍欄,大門上方設置紅外對射系統(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聯網,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,可根據運行需求在變配電間、控制室、值班室等設置門禁點,相關授權用戶方可刷卡進入。門禁系統(tǒng)主要由門禁控制器、讀卡器、電磁鎖等組成。相關人員刷卡信息保存于系統(tǒng)數據庫內,運行單位可對相關人員進出信息及權限進行有效管理。

5 防雷接地與設備選型

5.1 防過電壓及接地

工程內的自控儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及電子圍欄系統(tǒng)分別設置防雷保護。由室外引入各現場控制站的電源線路、金屬介質通信總線均在進戶處裝設過電壓保護裝置,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CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術標準》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量或采用降阻措施?，F場儀表的工作接地一般應在現場控制站控制室側實施,并單點接入接地系統(tǒng)。對于被要求或必須在現場接地的現場儀表應在現場側接地。

5.2 主要設備選型

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

6 結 語

實踐證明,雨水調蓄工程能有效提高城市排水防澇并控制面源污染。科學、合理的自控及儀表設計不僅能夠保障調蓄工程的處理效果、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。