集控式少人無人值守水廠建設方法

楊天博，宋曉亮，杜 潔

（北京機械工業自動化研究所有限公司 自動控制與制造裝備技術工程研究中心，北京 100120）

0 引言

為應對企業規模擴大、水廠地理位置分散引發的信息共享、統一管理困難，解決傳統水廠運營管理模式粗放、運行低效等問題，對現有水廠進行自動化、信息化改造，使之能達到少人或無人運行的水平，并建立區域性集控中心進行集中的監視控制，充分利用管理、技術人才資源，建立一種新的管理、運營模式，達到減員增效、節能降耗的目的。可通過該類項目的實施促進水廠規劃建設、工藝設計、設備配置、自動控制水平的整體提高，并形成智慧化水廠設計、建設、運營管理標準，通過精益化運營管理工具的應用，提升水廠綜合運營能力。在本文中水廠指自來水廠、再生水廠、污水處理廠等類似工程。

1 介紹

無人少人值守水廠的建設分為全流程自動化水廠的建設、區域集控中心的建設、MIS系統和高性能數據交換網絡的建設等部分。全流程自動化水廠應配備可靠、完備的控制系統，按照嚴密的邏輯程序自動運行，并通過高性能數據交換網絡與區域集控中心互通互聯。區域集控中心作為核心節點將一定地理范圍內的自動化水廠納入到同一個監控管理系統，由集控中心的運營管理人員、技術人員統一進行監視、控制、管理。一個區域集控中心下轄若干個自動化水廠。

2 全流程自動化水廠建設

在新的運營模式中，每個水廠只有1～2個值守人員或者不設置長期值守崗位，因此納入該系統的水廠應達到很高的自動化程度，可以在沒有人為干預或極少人為干預的情況下自動、安全、可靠的運行。為實現這一目標我們應對水廠的中央監控系統、分布式控制系統、儀表系統、工業電視系統、安保系統、控制網絡等進行升級改造以達到水廠全流程自動化。

2.1 中央監控系統

圖1 少人無人值守水廠拓撲圖

全流程自動化水廠仍保留中心控制室，但其功能定義與傳統中心控制室大為不同。在新模式中由區域集控中心完成水廠的監視、控制任務，水廠中心控制室主要起補充、備份、存儲作用，不再安排專人值守。當水廠與集控中心間的網絡斷開時，由水廠中心控制室接管監控任務，并記錄數據。網絡恢復后繼續由區域集控中心對水廠進行監控，同時水廠中心控制室將網絡斷開期間記錄的數據上傳，保證集控中心數據完整。通常集控中心的管理、控制優先級高于水廠中心控制室，但出現緊急情況時，水廠中心控制室的處置權限應高于集控中心。水廠中心控制室配備1臺監控計算機和1臺服務器。服務器用于記錄數據、打印報表，運行視頻、安防、定位、MIS客戶端等軟件。

2.2 分布式控制系統

傳統“分布式控制站-中心控制室”二元式的控制系統需要在每個水廠安排值班、巡檢、維修、化驗人員。為達到少人、無人值守的目的，應對分布式控制系統進行升級改造，使各分控站可獨立自動運行。選用高可靠性的PLC產品、帶診斷功能的IO模塊，對重要的生產環節、關鍵信號的采集采用冗余設計以加強可靠性，將獨立成套運行的如加藥設備、紫外線消毒設備、污泥脫水設備納入自動控制系統[1]。同時對各分布式控制站的軟件進行升級，使之邏輯更加完備，能自動根據不同情況調整設備運行狀態，能根據報警信號的來源分辨警報的嚴重程度并分級別上報或發出報警信號，使水廠能更“智能”地運行。

2.3 在線儀表

在線儀表系統應及時、準確、可靠的將工藝參數、生產數據傳遞給自動控制系統。為滿足這一要求可在常規水廠儀表配置水平的基礎上加裝不同類型儀表作為補充。如，可在超聲波液位計旁加裝浮球開關作為冗余保護。在線儀表應選擇免維護或易維護設備，優先選用具有數字傳輸及組網功能的儀表，重要信號應采用總線+模擬量兩種采集方式相結合，以保證信號準確、可靠。

2.4 網絡及通信系統

全流程自動化水廠的控制網絡應高度穩定可靠，應選用工業型以太網交換機，通過光纖組成環形或者雙星型網絡，保證每個網絡節點都至少有兩個物理鏈接。當網絡出現故障時系統應立即發出警報。

配電室電表應選用帶總線通信接口的智能型電表，電流、電壓、功率等信號通過現場總線由PLC站采集后，再經由控制網絡傳輸至中控室能源管理服務器。

為滿足日常巡檢要求，在巡檢線路上及巡檢、維護人員可能到達的地點搭建無線局域網，供各類移動設備接入生產監控網絡。巡檢人員可通過該網絡進行數據上傳與查詢。

2.5 視頻監視及安防系統

全流程自動化水廠的最終建設目標是達到少人或無人值守，在這種情況下廠區的安全將更依賴安防設備。

可沿水廠圍墻布置電子圍欄、紅外對射等防入侵裝置或周界報警系統，當有非法入侵時向區域集控中心和中心控制室同時報警。自動化水廠將取消傳統的傳達室，改由區域集控中心通過可視對講門禁和電控門鎖遠程控制人員出入水廠。周界報警系統和門禁、電控門鎖應具備網絡接口可實現遠程報警、控制。

水廠內攝像頭應覆蓋盡可能多的區域，由水廠中心控制室的置硬盤錄像機存儲一定時間內的視頻信息。硬盤錄像機應具有網絡接口，可調看任意攝像頭的畫面和歷史畫面。區域集控中心可通過網絡調用所轄水廠的每一個攝像頭，或查看歷史畫面。由于視頻信息屬于大量寫入少量讀取類，因此只在水廠中控室存儲，區域集控中心只查看不存儲。

2.6 輔助巡檢系統

巡查養護和維修是無人值守管理模式下的主要作業項目[2]。在少人無人值守水廠中只有1～2個值守人員或不設置長期值守崗位，因此巡檢工作常需要工作人員單獨完成。而水廠的生產區域存在一定數量危險源，為保證巡檢過程的安全、減輕巡檢人員工作量應配備完備的輔助巡檢系統。

智能移動終端（智能手機、平板電腦）是一種可選擇的技術手段，其系統的開放性和越來越強的處理能力使得我們可以借助智能移動終端實現某些高級應用。

1）移動監控

基于智能移動終端開發監控軟件或利用web發布功能，對水廠的主要設備、重要數據進行實時監控，移動終端通過廠區無線局域網接入控制系統。值守/巡檢人員通過手持終端隨時隨地查看現場生產運行數據、歷史曲線、處理故障和報警信息。

2）人員定位

通過廣泛布置在生產區域的無線路由器形成覆蓋整個巡檢路線和可能到達區域的無線局域網絡，定位軟件通過巡檢人員隨身攜帶的智能移動終端在無線局域網中的接入點和接入信號的強弱計算出巡檢人員的具體位置，并在電子地圖上顯示。定位軟件還可以對巡檢人員的行進路線實時進行檢查，如果行進路線偏離、異常或者在一區域停留時間過長則發出報警信息，提示相關人員關注這一情況，以免發生意外。定位計算機記錄每一次巡檢的時間、路線、巡檢人員的個人信息等數據以備查詢。

3）主動防護及對講

在人員定位功能的基礎上，可根據巡檢人員的位置實時向智能移動終端推送主動防護信息，通過語音提示巡檢人員該區域存在的危險源和注意事項。

區域集控中心、各水廠中控室和巡檢人員之間可通過智能移動終端雙向語音呼叫，實現對講功能。當緊急情況發生時，智能移動終端可以群發呼叫、警報。

4）下達工單

區域集控中心每日下達巡檢任務至巡檢/值守人員的手持移動終端。巡檢人員根據接收到的工單按時巡檢并將現場情況通過手持移動終端反饋給系統。如水廠安排值守人員則可通過手持移動終端查看區域集控中心下達的工藝調度單和臨時下達的任務信息并執行和反饋。巡檢/值守人員通過手持移動端進行交接班登記。

5）設備管理及電子臺賬

手持移動終端可通過無線網絡接入MIS系統實現設備管理和電子臺賬查詢功能。在錄入電子臺賬時為設備生成二維碼并將二維碼固定在設備所在區域，巡檢人員只需用手持移動終端掃碼即可查詢到設備信息。也可通過手持移動終端進行故障上報，包括故障描述和現場照片等。同樣，在對設備進行維護、檢修時也可將維護、檢修相關信息通過移動終端錄入MIS系統。

6）遠程技術支持

智能移動終端普遍支持視頻通話，可通過區域集控中心和水廠之間的網絡及水廠內的無線局域網建立區域集控中心技術專家與水廠巡檢/值守人員之間的視頻通話，由技術專家直接指導現場生產，充分發揮其技術、經驗優勢。

3 區域中心多水廠集中監控系統

在新的運營管理模式中區域集控中心取代傳統水廠的中控室，起到集中監視、控制的作用。區域集控中心內配備高可靠性的冗余工作站作為SCADA監控計算機，對所轄幾個水廠進行統一的實時監視、控制。同時還配備視頻服務器、MIS系統服務器、工程師便攜電腦等設備，這樣就可以在集控中心內實現對遠方水廠的實時監視、運營管理、遠程修改程序等功能。因此這種運營管理模式只需要在區域集控中心配備一套運維班組和少量技術專家，由集控中心對人員進行統一調配，既精簡了隊伍的同時又更充分的發揮了技術專家的優勢。

區域集控中心一般設置在所轄水廠中規模較大的水廠中，或取地理位置居中的水廠布置，這樣可以減少一次投資和運營成本。

除SCADA系統、MIS系統等需要布置在區域集控中心外，布置在各水廠的視頻系統、可視門禁系統、周界報警系統等應通過網絡與集控中心相連，實現區域集控中心遠程管理。

4 MIS系統

MIS系統（管理信息系統）是以信息技術為基礎，為管理和決策提供信息支持的系統[3]，在水廠中引入該技術可以提升其安全性、可靠性，并提高生產效率和人員專業性。針對少人無人值守水廠設計的MIS系統應具備業務管理、設備管理、安全管理等功能，全面滿足水廠的安全性、可靠性和效率要求。MIS系統中的數據分析、統計及工藝調整、報表系統、優化調度、工單生成與下發、能源與產量采集、能效分析報告功能、環保基礎指標維護等功能可有效提高水廠的運營管理水平，實現精益管理、智慧運行，達到減員增效、節能降耗的目的。

針對少人無人值守水廠可將巡檢系統、視頻系統、安防系統等納入MIS管理平臺，有針對性的開發巡檢終端管理、巡檢軌跡管理及監控、設備信息管理、巡檢信息交互、語音與視頻交互、告警推送等功能模塊，使少人無人值守變為可能。

MIS系統應遵循松耦合設計原則，系統層級、業務層級、功能模塊之間完全分離，統一規劃，逐步實施，降低一次性投入風險。同時采用開放式設計，系統應支持多種技術平臺，支持ERP/CRM/SRM/第三方系統之間的數據互通，為公司、集團級別的信息化建設打好基礎。

少人無人值守水廠MIS系統的功能結構設計如圖：

5 網絡建設

租用專用線路將區域集控中心和各水廠連接起來，組成一個可靠的虛擬局域網（VPN），區域集控中心以此網絡為基礎對各水廠進行遠程監控。該網絡應有足夠的帶寬以滿足控制系統、視頻系統、安防系統、定位系統及MIS等系統的通訊要求。為保證通訊可靠性可在各水廠配備4G通訊設備，作為在專用線路斷開時的補充。

圖2 少人無人值守水廠MIS系統功能及結構

6 運營管理模式

全流程自動化水廠的建設，少人無人值守水廠運營管理模式與傳統水廠有較大不同。

1）水廠運行值班模式

將運行值班、巡檢、維護、安防（門衛）職責合并，達到日常一人值守。夜間由集控中心值班人員負責監控，各分廠安排電話值班以應對緊急情況。水廠基本實現全自動運行，值班人員以巡檢維護為主，按照工單巡檢到位，并處理現場緊急情況，發現無法處理的問題及時上報，按照區域監控中心指令進行處置。區域監控中心工藝工程師分析各廠的運行情況和處理效果，出具工藝調整單交由現場值班人員操作。

2）水質化驗模式

在理想情況下水質化驗由各水廠現場自動采樣裝置定時采樣，區域集控中心化驗室集中化驗。若各水廠距離較遠或因特殊情況需要頻繁化驗水質也可在水廠安排化驗人員。水質化驗結果與在線分析儀表相互對比驗證，以保證化驗結果的準確。若在線儀表數據準確則減少人工化驗頻次，改為直接讀取在線儀表數值，以減輕化驗人員工作量。

3）設備維護維修模式

以區域集控中心集中安排維護維修為主，維修隊伍按照監控中心指令及時到現場處理問題，并將設備的狀態和維修情況通過智能移動終端上傳至MIS系統。

7 結束語

在傳統水務公司建設、運營模式已經成熟的今天，自動化少人無人值守水廠模式是一種大膽的創新，其信息化、智能化建設的理念與國家的信息化建設、發展智能制造的大政方針相符，是水務公司進一步發展的必由之路。