水源井群自動化控制系統的設計

(沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司，沈陽110023)

0 引 言

為了建立水源井群與水廠控制室之間的無線遙控、遙測系統，實現水廠控制室對水源井群水泵機組遠程自動控制與運行參數自動采集、傳輸、處理、存儲和顯示等功能，同時將數據信息接入供水公司調度室的數據監測系統，實現供水公司調度室對水源井群運行參數的自動監測，達到供水公司對水源井群管理的優化運行，提高水源井群的運行效率，提高供水系統的經濟效益。根據水源井群分布的地域特點與無線通訊技術發展的水平，水源井群遠程監控系統采用以上位計算機作為控制監測主機、無線數傳設備GPRS通訊單元作為數據交換通道、遠程測控終端RTU作為現場控制、數據采集設備的遙控、遙測系統，實現水廠控制室對水源井群的控制與監測[1-2]。隨著城市建設的迅速發展，對供水質量的要求也不斷的提高。水源井群供水系統實現運行、控制和管理的綜合自動化已經勢在必行[3]。

1 控制系統功能

1.1 具有故障診斷與報警處理功能

水源井群自動化控制系統中的設備故障檢測和處理是任何控制系統都會面臨的問題，這個問題如果不解決勢必會導致生產過程不能正常進行，或更為嚴重的導致事故和不必要的各種損失。本系統的故障診斷與報警處理通過在上位計算機上用WINCC 6.0開發的應用程序實現，集成在上位機監控系統中。在運行中給操作人員提示，指導用戶進行操作，了解設備狀態，判斷故障發生原因，并可給出相應的維修建議。用戶也可以對故障診斷進行指導和修正。

1.2 顯示界面功能

顯示界面按功能分為主控平臺，水源井群檢測，報警查詢，報表瀏覽，系統維護。系統運行時，首先進入主控平臺界面，該界面可以顯示整個水源井群所有設備的信息，點擊每個設備可以查看設備的詳細信息，水源井群檢測界面可以顯示系統連接網絡圖，報警查詢和報表瀏覽界面可以查看報警情況和歷史數據實時數據的瀏覽曲線圖。

1.3 開放性

水源井群自動化系統發展到今天，已從單機自動化向系統自動化、集團自動化的方向轉變，業界廣泛倡導的是標準化、開放式結構，在上位機監控系統將引入工業以太網技術，在產品上集成工業以太網接口，從而實現上位機監控系統具有開放性。工業以太網是業界廣泛接受的通訊標準。

1.4 查詢、報表功能

查詢、報表系統要具有日報、月報、季報、年報和按時間間隔查詢的自由報表功能。在上位計算機上用WINCC 6.0本身自帶的歷史數據查詢控件，通過編程實現查詢、報表功能。

1.5 安全性與可靠性

水源井群自動化系統中的硬件電子設備全部采用大規模集成電路以及其他高質量元件，因而為提高硬件部分的平均故障間隔時間提供了良好的可靠性。對于關鍵的部分，往往采用冗余化后備，大大提高了系統的安全性。

1.6 可擴展性

水源井群自動化系統采用具有統一標準通訊協議廣泛的硬件設備，考慮到控制系統的擴展，為以后控制系統的擴展預留空間。

1.7 遠程監控功能

通過無線GPRS和工業以太網技術，水廠操作人員可以在水廠控制室遠程監測所轄水源井群的工作情況，可以遠程控制水源井群水泵的起停、監測水源井群設備的運行數據及工作參數。供水公司調度室工作人員及公司主管領導可以遠程監測水源井群的工作情況及水廠操作人員的操作情況。

1.8 易維護性

采用標準的通訊協議，可以進行系統或模塊的維護，便于系統長期的升級和維護，延長系統的壽命，通過更新部件，能讓系統一直升級和維護下去。

2 控制系統的構成

根據水源井工藝及平面分布圖，本次設計選用基于RTU遠程測控終端供水調度控制系統，包括中央監控系統、水源井現場控制站和通訊網絡。中央監控系統與現場控制站采用GPRS網絡進行通訊。

2.1 中央監控系統

由2臺分別用于生產管理與監控的SIMATIC工作站、2臺Epson彩色打印機、1臺CTRLINK 100 M交換機以及UPS電源和閉路監視系統組成。計算機采用Windows操作系統，均配備有遵循TCP/IP協議的SIMATIC CP1612通訊網卡，實時采集生產數據，形成Ethernet 工控網。其中監控工作站采用德國SIEMENS公司的WINCC6.0可視化監控軟件，可顯示動態模擬畫面，可對系統的所有設備進行遠程操作和控制，并具備顯示工藝布置圖、實時動態參數、設備的工作狀態及實時/歷史報警信號、在線儀表的實時/歷史趨勢曲線、設備運行時間等功能，同時可進行離線/在線編程及設定參數的修改，編制和打印生產與管理報表。在水廠廠長辦公室設有一臺DELL商用機，和中控室聯網可實時監測水源井群運行情況，記錄歷史數據為水廠廠長制定生產計劃提供決策分析。所用監控軟件為WINCC 6.0，該軟件人機界面好，功能強大，能根據需要進行動畫鏈接，比較直觀。

2.2 通訊網絡

GPRS是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務。GPRS 是一種分組交換系統，因此，GPRS特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS的優勢在于：

(1)永久在線：只要激活GPRS應用后，將永遠保持在線，不存在掉線問題；類似于一種無線專線網絡。

(2)按量計費：雖然可以保持永遠在線，但不必擔心費用問題；因為只有產生通信流量時才計費。

(3)快速登錄：全新的分組服務，無需以往長時間的撥號建立連接過程。

(4)高速傳輸：GPRS最高理論傳輸速度為171.2 kbps，使用GPRS可以支持40 Kbps左右的傳輸速率。

2.3 水源井現場控制站

水源井現場控制站分別設在各個水源井就地控制柜內，由一套RTU遠程測控終端控制器為主控制器。用于檢測潛水泵的工況、水井液位、出口流量及壓力等參數，并將檢測數據通過GPRS網絡上傳至中央監控系統，同時接收中央監控系統的控制指令，實現對水源井的遙控及遙測。

水源井現場控制站主要功能:

(1)監測參數：水井液位、出口流量及壓力、電氣設備運行參數等。

(2)設備控制：主要控制潛水泵機組的起動、停止過程。監測和控制其設備的手自動狀態、設備運行狀態及故障狀態。

(3)過程控制方式：水源井的工作方式分為就地控制和遠程控制，方式轉換由設置在就地控制柜上的手動、自動轉換開關完成。當處于就地控制方式時，現場控制站僅監視設備的運行工況。當處于遠程控制方式時，現場控制站可根據程序進行自動控制；同時也可通過工作站計算機人為鼠標點動控制單臺設備。

(4)安全保護：對預設的極限值及運行狀況進行預處理和報警處理(機組電流過大、電壓過高、機組缺相等)使水源井運行穩定可靠安全。

3 控制系統設備的維護和安裝

RTU遠程測控終端控制器在系統運行中是非常可靠的，據有關資料統計，在RTU遠程測控終端控制器的控制系統中，系統故障的97%發生在RTU遠程測控終端控制器外部，3%發生在RTU遠程測控終端控制器內部。而在RTU遠程測控終端控制器內部故障中，有96%發生在I/O模板中。因此在維護和安裝中，應重點注意外圍電路。包括電源、繼電器、一次儀表、以及信號連接設備。

3.1 避雷保護措施

所有電子設備供電電源和出入戶信號線應裝設電浪涌保護裝置。

3.2 控制系統接地的要求

儀表及自控系統接地應與電氣設備接地組成聯合接地系統，接地電阻應小于1歐姆，所有電子設備供電電源和出入戶信號線應裝設電涌保護裝置。

3.3 現場控制設備機柜

由于RTU遠程測控終端控制器工作的環境惡劣，要求柜體密封，做好防雨水措施，柜體防護等級IP54。所有進出線均為下出線口，焊螺紋絲口連接。柜體冬季具有保溫、夏季具有散熱功能。柜內所有設備均應有安全接地保護。

3.4 抗干擾措施

在自控系統施工過程中，選材、隔離、屏蔽、接地等措施在抑制干擾中起到了至關重要的作用，是抗干擾措施的關鍵。

3.5 電 源

供電系統中存在的干擾諧波，將對控制系統各種高精設備的正常運行構成重大威脅。所以穩定的電源是整個系統可靠運行的基礎，因此RTU遠程測控終端控制器系統電源應采用UPS電源與隔離變壓器等。

4 結束語

系統投入運行已近2 a，整個自控系統運行良好，實現水源井群工藝自動化，水源井群現場管理無人值守，保證了優質、低耗、安全供水。此外由于自控系統的安裝調試是在自動化公司工程師指導下，由水廠的工程技術人員自行完成，通過該工程建設，為水廠培養與鍛煉了一大批技術與管理人員，為水廠投產后的運行、維護與管理積累了經驗，對水廠的安全運行，提高供水質量，節能降耗，優化管理等方面起到了至關重要的作用。

[1] 袁秀英.組態控制技術[M].北京：電子工業出版社，2003：210.

[2] 吳洪濤.溫室環境調控自動化系統設計[J].森林工程，2006，22(2)：19-22.

[3] 張傳祥.電氣自動控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003：131.