大亞灣石化區(qū)污水排海管線自動控制及在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王張磊

摘要：介紹了大亞灣石化區(qū)污水排海管線自動控制及在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案，從設計思路、總體架構(gòu)、分層分區(qū)等方面闡述了計算機監(jiān)控、水質(zhì)在線監(jiān)測、安防視頻等子系統(tǒng)的組成及功能。同時簡述項目的實施及系統(tǒng)的運行情況，針對該系統(tǒng)提出了一些改進意見，對水利工程管理單位信息化系統(tǒng)的建設方案設計具有一定的參考作用。

關鍵詞：計算機監(jiān)控;水質(zhì)監(jiān)測：安防視頻

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A.

文章編號：2095-6487（2019）03-0051-02

0引言

大亞灣石化區(qū)排污管道位于大亞灣東側(cè)海域，下海點位于清源污水處理廠附近，主體工程包含一條長約37.8km的海底管線和長約154m的管道終端連接擴散器、兩條陸地管線、一座排海泵站及配套設施。排海泵站設計流量為3800m*/h，裝設有4臺臥式單級雙吸中開離心泵，其中3臺為排海泵，1臺為回流泵，工程規(guī)模為中型。泵站廠區(qū)內(nèi)布置污水緩沖池、泵房、站內(nèi)進、出水管道及附屬閥件設備、運營管理中心大樓等，中控室設在運營管理中心大樓一層。

1系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)涵蓋計算機監(jiān)控、水質(zhì)在線監(jiān)測、安防視頻等多個專業(yè)。其中計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對排海泵站內(nèi)主、輔設備的運行監(jiān)控，水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對排海總管下海點水質(zhì)、石化區(qū)4個污水排放口流量、排海管出口海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)按照規(guī)定接入到惠州市環(huán)保局水質(zhì)在線信息平臺，安防視頻系統(tǒng)實現(xiàn)對重點部位的實時圖像監(jiān)視，并提供畫面存儲、歷史查詢等安全運行輔助手段，同時通過大屏對各子系統(tǒng)進行綜合展示。直流系統(tǒng)用來保障排污泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測房設備穩(wěn)定供電。

2設計思路

系統(tǒng)設計充分考慮安全性、穩(wěn)定性及可擴展性。系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)及各類現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享的同時，通過路由器、防火墻及物理隔離等設備實現(xiàn)系統(tǒng)的分層、分區(qū)，保證系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)平臺、軟硬件產(chǎn)品均選用行業(yè)內(nèi)的成熟產(chǎn)品和技術，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件資源留有適當冗余，軟件采用層次化、組件化設計，通信接口、規(guī)約符合通用規(guī)范標準，為后期系統(tǒng)擴展和集成留有擴充余量。

3總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用開放的、分層分布式體系結(jié)構(gòu)，自下而上分成現(xiàn)地級、站控級，并預留與辦公自動控制系統(tǒng)（本方案未涵蓋）通信。

現(xiàn)地級設備由布置在現(xiàn)場的現(xiàn)地控制單元（LCU）、視頻攝像機、拾音器及水質(zhì)檢測設備組成，負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集、存儲及處理。現(xiàn)地控制單元以PLC為核心，實現(xiàn)對泵站主機組、公用設備、變配電設備等被控對象進行測量和控制，分散布設在現(xiàn)地的攝像頭、拾音器實現(xiàn)對泵站、水質(zhì)站及管路等重要部位的實時視頻、音頻數(shù)據(jù)采集，各類水質(zhì)傳感器及分析儀，完成水溫、PH值、COD、氨氮等水質(zhì)參數(shù)采集、處理、存儲及發(fā)送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

站控級設備由中控室內(nèi)的多臺計算機、服務器及網(wǎng)絡設備等組成，負責整個系統(tǒng)運行監(jiān)控事務。計算機監(jiān)控系統(tǒng)工作站以各種人機界面、語音、簡報等方式實時顯示泵站設備運行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對對泵站運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、記錄，異常情況發(fā)生時發(fā)出報警，是監(jiān)控泵站運行的主要手段。視頻監(jiān)視器實時顯示各攝像頭采集的視頻圖像，硬盤錄像機負責存儲歷史圖像，供事后回放、檢索與分析歷史畫面，是對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的有效補充。

4系統(tǒng)層次

按照“縱向分層、橫向分區(qū)”的原則設計1，整個系統(tǒng)網(wǎng)絡分為“控制區(qū)”和“管理區(qū)”兩個大區(qū)，“控制區(qū)”承載泵站監(jiān)控及水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)等與生產(chǎn)密切相關、安全性要求比較高的業(yè)務，控制區(qū)又分為I區(qū)和II區(qū)，I區(qū)主要負責泵站監(jiān)控業(yè)務，II區(qū)主要負責水質(zhì)在線監(jiān)測業(yè)務。“管理區(qū)”承載一些安全性要求相對較低的業(yè)務，如安防視頻、大屏系統(tǒng)等。

為保證系統(tǒng)的安全、可靠運行，同時兼顧經(jīng)濟實用型，本系統(tǒng)采取如下網(wǎng)絡安全策略。

生產(chǎn)控制區(qū)局域網(wǎng)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)與水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)分別設置工業(yè)級交換機，并進行級聯(lián)，實現(xiàn)兩系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過帶防火墻功能的核心路由器與公網(wǎng)連接，實現(xiàn)與水質(zhì)監(jiān)測站點及惠州環(huán)保局的數(shù)據(jù)通信。

管理信息區(qū)局域網(wǎng)。安防及視頻監(jiān)視系統(tǒng)、DLP大屏顯示系統(tǒng)及辦公自動化系統(tǒng)（本方案未涵蓋）屬管理信息III區(qū)，DLP大屏、安防及視頻監(jiān)視系統(tǒng)利用管理區(qū)交換機組成管理區(qū)局域網(wǎng)。

生產(chǎn)控制區(qū)局域網(wǎng)與辦公自動控制系統(tǒng)連接時設置網(wǎng)絡安全隔離裝置，只允許計算機監(jiān)控系統(tǒng)向外傳輸數(shù)據(jù)，確保計算機監(jiān)控系統(tǒng)等主要業(yè)務系統(tǒng)的網(wǎng)絡不受外來侵襲。

5網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以自建為主、部分租用的方式建設以光纜為傳輸介質(zhì)的星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。星型拓撲網(wǎng)絡以核心交換機作為網(wǎng)絡的中央節(jié)點，所有節(jié)點設備都連接到中央節(jié)點并通過中央節(jié)點進行信息交換，各節(jié)點呈星狀分布。網(wǎng)絡中各節(jié)點具有相對的“獨立性”，當一個節(jié)點故障時，不會影響其它節(jié)點的連接及整個網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化，便于系統(tǒng)擴充。適用于網(wǎng)絡節(jié)點較多，實時性要求高，且出現(xiàn)故障可迅速排查的系統(tǒng)。

6系統(tǒng)建設

6.1計算機監(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)依照“無人值班”（少人值守）[2]的原則設計，實現(xiàn)對泵站主機組、公用設備、高低壓配電設備等設備進行運行監(jiān)視、控制、保護、以及調(diào)度運行管理等工作，具有數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)視與報警、控制與調(diào)節(jié)、系統(tǒng)自診斷與恢復、數(shù)據(jù)記錄與存儲、人機接口、時鐘同步、數(shù)據(jù)通信等功能。主要配置2臺操作員工作站、1臺應用兼數(shù)據(jù)庫服務器、1臺核心交換機、1套公用LCU控制單元、3套機組LCU控制單元、1套滲漏排水控制箱及4套管蝶閥控制箱等設備。計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

LCU控制單元核心為PLC，通過配置不同類型的模件，可以硬接線或通信的方式采集控制對象及其自動化儀表的數(shù)據(jù)，實時向站控級上送過程信息，同時接受站控級發(fā)來的控制指令，并將執(zhí)行情況和結(jié)果回送到站控級。站控級計算機實現(xiàn)全站的運行監(jiān)視、事件報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和記錄等功能，各計算機與LCU控制單元采用以太網(wǎng)方式連接，當網(wǎng)絡斷開時，LCU控制單元具有對泵站進行必要的監(jiān)視和控制的功能，而當網(wǎng)絡恢復后能自動地服從站控級的控制和管理。

6.2水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測指標有水溫、PH值、流量、COD、氨氮等5項，系統(tǒng)主要由取水單元、預處理單元、輔助分析單元、分析監(jiān)測單元、現(xiàn)地系統(tǒng)控制單元、通信單元、運行環(huán)境支持單元、遠程監(jiān)控中心等構(gòu)成。取水單元、預處理單元、輔助分析單元完成水質(zhì)自動監(jiān)測站的水樣采集、水樣預處理、管路清洗等采樣控制過程;分析監(jiān)測單元完成監(jiān)測站水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的分析過程;系統(tǒng)控制單元完成系統(tǒng)的監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)的采集;通信單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)及控制指令的上行及下行傳輸過程;運行環(huán)境支持單元提供整個系統(tǒng)的運行支持。站控級匯集實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可打印輸出日、周、月、季、年平均數(shù)據(jù)以及最大值、最小值等各種監(jiān)測、統(tǒng)計報告及圖表（棒狀圖、曲線圖、多軌跡圖、對比圖等）。

6.3安防視頻系統(tǒng)

安防視頻系統(tǒng)由視頻采集部分、信號傳輸部分和管理控制部分組成，用于實現(xiàn)對兩條陸地管線與4家污水廠排污支管接口位置電動蝶閥及電磁流量計、排海泵站等重點區(qū)域設備運行情況的實時監(jiān)視，為水調(diào)工作的監(jiān)督提供直觀的依據(jù)，主要包括視頻監(jiān)視、視頻控制、視頻錄像及畫面捕捉等功能。

另本系統(tǒng)在廠區(qū)周界設置紅外對射報警系統(tǒng)，此系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時聯(lián)動。控制部分分為泵站中控室及廠區(qū)入口保衛(wèi)室，以便保安人員和運行管理人員能同時監(jiān)視廠區(qū)情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

6.4直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)可提供穩(wěn)定的交直流電源，主要供電對象為計算監(jiān)控系統(tǒng)各現(xiàn)地控制單元、高壓開關柜及微機保護、水質(zhì)在線監(jiān)測設備及站控級設備。直流電源具有逆變功能，平時輸出交流220V電源供給監(jiān)控系統(tǒng)設備用;當交流電源失電時，由蓄電池逆變?yōu)榻涣?20V電源供電，以確保監(jiān)控設備電源可靠。

經(jīng)計算并考慮一定冗余，計算機監(jiān)控系統(tǒng)各現(xiàn)地控制單元功率為1000W，開關柜及保護裝置功率1400W，水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)及站控級設備功率3500W。直流系統(tǒng)選用微機型直流電源裝置，額定電壓為220V，額定容量65Ah，配置一組免維護鉛酸蓄電池組，充電模塊采用高頻開關電源組件，包括直流控制逆變屏1面、蓄電池屏1面。

7結(jié)束語

本系統(tǒng)目前已完成建設并投入運行，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，功能滿足設計要求，為大亞灣石化區(qū)污水處理運行管理單位提供了可靠地技術支撐。結(jié)合本系統(tǒng)特點，提出以下改進建議。

（1）本系統(tǒng)計算機監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測及安防視頻等子系統(tǒng)雖層次分明、分區(qū)清晰，但受系統(tǒng)構(gòu)架所限，未能實現(xiàn)不同專業(yè)系統(tǒng)的深度整合，若采用一體化管控構(gòu)架，可打破不同專業(yè)間的壁壘3]，進一步節(jié)省硬件重復建設及人力資源投入，從而提高工作效率。.

（2）伴隨近年來互聯(lián)網(wǎng)技術迅猛發(fā)展、智能手機高度普及，本系統(tǒng)可在手機APP、微信等移動終端、GIS等方面進一步進行功能擴展，增強系統(tǒng)的實用性、便捷性，從而提升管理水平。

參考文獻

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