合阳县申都供水更新改造工程自动化系统设计

李 晶

（西安景天水利水电勘测设计咨询有限公司，陕西 西安 710016）

1 现状及功能需求

1.1 现状

自动化系统是合阳县申都供水更新改造工程新建配套项目，此方案是在新城水厂、零级站、一级加压站、二级加压站、三级加压泵站以及红旗水库的建筑物和硬件设施基础上，针对合阳县申都供水更新改造工程高效运行管理需求所做出的自动化系统设计。

1.2 功能需求

按照合阳县申都供水更新改造工程的分布及管理要求，可将本系统功能分为远程功能和现地功能，具体功能如下：

1）新城水厂管理中心上位机系统能够远程监视各管理站智能仪表、机组等设备数据采集、运行工况等信息，同时还能根据实际需要通过专网进行远程控制。

2）各管理站上位机系统能够远程监视站内智能仪表、机组等设备数据采集、运行工况等信息，具有上位机系统远程和LCU现地控制功能。

3）站内机组设备能够根据实际工况按照预置工艺流程自动运行。

4）各管理站可通过现地直接对LCU系统操作来完成对相应设备的控制。

5）管理中心能够远程监看各管理站视频采集信息，可根据需要调取单路或多路视频监视画面，并可根据监看需要远程对前端摄像机进行变焦、旋转等操作。

6）各管理站能够监看站内安防测点视频画面，并可对站内前端摄像机进行控制操作。

7）管理中心能够监看各管理站的安防测点视频画面，并可通过专网对前端摄像机进行远程控制操作。

2 系统总体设计

2.1 设计思路

为满足业务应用、管理需要、系统准确性及系统可行性，合阳县申都供水更新改造工程自动化系统的主要设计思想是：为用先进的现代化科学技术来管理整个合阳县申都的供水、安全等工作，将合阳县申都供水更新改造工程建设成为管理体制和机制现代化、管理技术现代化、管理人才现代化的数字化工程，对自动化系统进行子系统划分，确定出结构合理，技术易于实现、满足实际应用及性能优良的自动化管理系统，从而达到“少人值守”的工作方式，提高运行管理效率。

2.2 总体结构拓扑

合阳县申都供水更新改造工程自动化系统总体结构拓扑见图1。

图1 自动化系统总体结构拓扑示意图

3 通信网络系统

通信网络系统处于合阳县申都供水更新改造工程自动化系统总体结构的最底层，是合阳县申都供水更新改造工程自动化系统建设的重要基础设施，可为各站间的图像、数据等信息的传输交换提供基础性服务平台。

3.1 带宽容量计算

通信网络系统主要承载视频监控图像和测控数据的传输，视频监控图像每路所需带宽至少为2 M；由于测控数据较小，按每站共计1 M考虑。各站所需公网接入带宽容量如下所示：

二级站、三级站摄像机4镜，LCU屏1套，所需带宽：4×2M+1M=9M；

一级站摄像机5镜（含零级站1镜），LCU屏1套，所需带宽：5×2M+1M=11M；

红旗水库暂以10 M考虑；

新城水厂管理中心需与4个管理站联通，所需带宽：2×9M+11M+10M=39M。

而光纤通信非常适合于要求带宽高、噪音低、抗电磁干扰和静电干扰以及数据传输速率高的环境下使用，为保障通信链路可靠稳定性，自建光纤采用环形组网方式。

3.2 组网策略

针对项目中各站场地理位置分布情况，将在新城水厂～一级加压站、新城水厂～红旗水库全线敷设6芯单模光缆，并分别在新城水厂管理中心及各管理站配置工业以太网交换机，通过组建自愈型环网，实现数据可靠、稳定的传输交换。

3.3 辅助工程

（1）中控机房装修

为保证计算机系统稳定可靠运行、能够充分发挥其功能和延长机器寿命、确保工作人员的身心健康，中控机房装修必须满足系统设备以及工作人员对温度、湿度、洁净度、风速度、电磁场强度、电源质量、噪音、照明、振动、防火、防盗、防雷、屏蔽和接地等要求。

（2）大屏显示

在新城水厂管理中心中控室配备55寸壁挂液晶显示器用于视频监控及上位监测画面直观显示。

4 视频监控系统

视频监控系统主要为各泵站提供安全运行监视保障服务，为保障合阳县申都供水更新改造工程关键设备、重点建筑物以及管理机构的运行安全，对站内机组运行状态、重点建筑物安全、工作区域警卫等实时监视。

4.1 建设内容

1）在新城水厂、零级站、一级加压站、二级加压站和三级加压泵站的重点区域布设视频监视点。

2）在一级加压站、二级加压站、三级加压泵站分别搭建现地管理平台，实现各站本地监控管理；零级站距离一级加压站很近，前端摄像机由一级站现地管理平台统一管理。

3）在新城水厂搭建监控管理中心平台，能够对一级、二级和三级加压泵站以及新城水厂站内的所有前端摄像机进行集中监控管理。

4.2 测点布设

拟在新城水厂、零级站、一级加压站、二级加压站、三级加压泵站重点区域进行监控点布设，测点共计17镜，其中室内4镜，室外13镜。见表1。

表1 视频监控系统前端监控点布设统计表

4.3 监控管理级

视频监控系统分为管理中心和现地两个监控管理级。

新城水厂为中心管理级，可监看所有站点的前端摄像机监测画面且可对所有前端摄像机进行操控。

一级、二级、三级加压泵站为现地管理级，仅可监看本站内的前端摄像机监测画面及仅可对站内前端摄像机进行操控。零级站距一级站很近，前端摄像机接入一级加压站硬盘录像机进行管理。

4.4 系统方案及结构拓扑

本方案拟采用网络摄像机(IPC)+嵌入式网络硬盘录像机(NVR)的IP数字监控架构，数据的传输交换基于TCP/IP网络协议。各站前端IPC对重点区域图像信息进行采集，通过转换、编码后以IP包形式通过网络传输。管理站内采用NVR系统实现现地监控，NVR作为各管理站本地管理的核心，具备前端IPC的视频管理、云台控制、视频存储、录像回放，以及与新城水厂管理中心状态通讯数据交互、视频上传等功能。新城水厂管理中心能够对一级加压站、二级加压站、三级加压泵站和新城水厂站内的NVR监控设备进行网络化，集成化的高效管理，实现对各站的前端IPC进行集中监控、统一管理。

视频监控系统结构拓扑见图2。

图2 视频监控系统结构拓扑图

4.5 监控软件功能

视频监控系统管理软件需具有的功能有：单路、多路图像接收处理；多种画面显示类型；摄像机转动、聚变焦控制；用户管理；摄像机分组；图像录像、检索、回放；设定预置位等。

4.6 辅助工程

（1）监控立杆

摄像机的安装根据实地环境可利用建筑物墙体或选用立杆安装的方式进行安装，立杆外型美观且应与周围环境相协调。

（2）防雷接地

前端设备安装于室外时，易遭受雷电打击影响而产生高压和浪涌电流。为了保证前端设备可靠、长久的运行，避免因雷电打击而导致设备损坏，监控立杆必须采取接地的防雷、避雷措施，每个监控立杆均需制作一套独立的接地系统，接地电阻≤10Ω。

室内与室外安装的前端设备均应采用电源防雷措施，配置专业浪涌保护器，对前端设备进行全方位的保护。

5 泵站自动化系统

自动化控制系统采用“少人值守”的原则，采用计算机系统、PLC控制器、智能仪表、数据通信等技术，构成可靠、高效、灵活的控制系统。实现水资源的合理输送和计量，提高运行质量。

5.1 系统组建方案

本项目控制系统采用两层网络的控制系统结构。第一层为加压站内的控制系统。它主要由各个现场电气设备（如软启动器、仪表等）与控制单元(PLC系统)、上位机系统组成。第二层为各级加压站点的上位机系统与管理中心（新城水厂）之间的网络互连系统。它包含有整个光纤网络、操作系统、上位机组态应用软件、数据库等。各站点上位机系统作为两层网络的链接节点。

加压站安装有独立控制单元(PLC系统)对站内的现场采集的信号进行处理，对各个电气设备进行逻辑控制。各个现场电器设备与控制单元(PLC系统)、上位机系统之间也是采用现场总线网络进行数据交换。采用现场总线式网络EtherCAT总线进行通讯，现地电气设备、控制单元均挂在EtherCAT总线上，可实现电气设备安装简便、运行可靠、调试快捷、维护方便的特点。

零级站、一级站距离较近安装一套上位机系统，其它各级站点均安装有一套独立的上位机系统。上位机单元主要由工控机、打印机以及相关的软件系统组成，远程操作、参数设置、工艺流程显示、数据记录、报警记录、历史数据查询、操作记录等功能由其完成。

管理中心（新城水厂）的上位机单元增加通讯板卡为连接其它厂家的控制系统做通讯接口预留。

各级加压站点的上位机单元与管理中心（新城水厂）的上位机之间通过标准工业以太网进行数据交换。其通讯协议采用完全开放的TCP/IP协议。

通过各站与管理中心（新城水厂）进行通信，完成对站的遥控、遥调、遥测等所有远动功能。

5.2 系统结构拓扑

合阳县申都供水更新改造工程自动化控制系统拟采用开放式分层分布系统。由管理中心上位机系统（远程集中监视）、各管理站上位机系统（站内远程监控）和各管理站现地级LCU系统（现地控制）三层结构组成。系统结构拓扑见图3。

图3 自动化控制系统结构拓扑示意图

5.3 系统功能

控制系统应具备如下功能：数据采集与逻辑处理；运行监视和事故报警；控制与调节；数据通讯等。

1)数据采集与逻辑处理

将现场设备的各种运行参数和设备运行状态通过I/O通道或EtherCAT现场总线采集到PLC，经过必要的数据处理后形成各类实时数据。这里主要强调的数据采集与处理主要包括如下类型：现场数字量（模拟量）的采集与量化处理；现场开关量的采集与处理；现场脉冲量的累计与量化处理；设定工艺参数的更改与存储；网络数据的读取和效验。

PLC控制单元将根据采集的数据、设定工艺参数进行相应的逻辑运算，用于控制现场设备自动运行。

2)运行监视和事故报警

在上位机系统上，根据各级泵站做出相应的工艺界面，用于操作人员实时监视各个设备的运行状态，各智能仪表的采集数据；各种故障报警的提示和记录，发生故障时，系统发出语音报警，并能准确、清晰的向操作人员提供故障点、故障原因和解决方案；操作事件和故障报警的顺序记录；系统针对历史故障状态的查询、显示；系统针对操作事件的查询、显示；打印输出各种报警故障、操作记录。

3)控制与调节

控制对象：泵机组、阀门、软启动器、低压电气设备等。

①泵机组顺序控制：

当泵组开、停机指令确认并下发后，计算机监控系统能自动推出相应机组的开、停机操作过程监视画面。画面上反映操作全过程中所有重要步骤的实时状态、执行时间及执行情况，当操作受阻时及时提示受阻部位及受阻原因。机组的开停机操作允许开环单步运行和闭环自动运行。计算机监控系统能自动识别在不同方式下的开停机操作要求并作出响应。

泵机组设备在本地具有手动控制及启、停和开、闭远程操作的功能。

②阀门顺序控制

当阀门启、闭指令确认并下发后，计算机监控系统能自动推出相应阀门启、闭操作过程监视画面。画面上反映操作全过程中所有重要步骤的实时状态、执行时间及执行情况，当操作受阻时及时提示受阻部位及受阻原因。阀门启、闭操作按给定流量自动完成开闸、关闸操作；按给定开度自动完成开闸、关闸操作；阀门运行过程中遇到意外情况时在监控主机以及现地进行急停操作；系统允许开环运行和闭环自动运行。计算机监控系统能自动识别在不同方式下的启、闭操作要求并作出不同的响应。

阀门设备在本地具有手动控制及启、停和开、闭远程操作的功能。

③其它设备

根据实际工艺进行相应逻辑控制。

4)数据存储与报表

系统可对所采集数据做长久存储，存储数据在5年以上。

对采集的数据在线显示实时，并根据工艺需要作出相应的曲线显示、棒图显示、表格显示等。对所显示的曲线、表格等可进行打印输出。

系统可根据设定时间或其他输出调节自动打印输出各种运行日志和报表。

5)网络通讯

系统根据设定完成上位机与PLC控制单元的通讯和数据交换，上位机与上位机之间的通讯和数据交换。

5.4 站内通讯

采用EtherCAT总线和物理接入（4 mA～20 mA、1 V～5 V等）结合的方式。

采用EtherCAT总线可以连接各种现场总线的设备，实现系统的兼容性。EtherCAT总线通讯速度最大为100 M,完全满足各类设备操作的实时性。

6 结论

合阳县申都供水更新改造工程自动化系统按照“少人值守”的方式设计，通过集成通信、监控、视频、计算机网络和软件开发等技术，建立一个以信息采集系统为基础、以高速安全可靠的通信和计算机网络为手段的自动化系统，实现信息采集存储自动化、数据传输处理网络化、决策支持数字化、调度指挥现代化。系统建成后将提高供配水运行管理效率，为安全和高效的运行提供保障。