無人值守水廠集控系統設計與實現

陳曉華

摘? 要： 本文介紹了一種水廠集控系統設計與實現的方法，通過層級化方法在業務層面將水廠分為四個層級，分級設計逐層管理，采用扁平化網絡結構設計提高數據傳輸的速度和穩定性。通過對跨地域的水廠進行集中監控，大大減少了水廠人員的使用量，降低了運營成本，提高了管理效率和生產效率，實現了基層水廠與上級單位的實時聯系，使水廠管理向數字化、智能化方向邁進。

關鍵詞：無人值守;信息化;分層級;扁平化;區域集控中心;

中圖分類號：TH 865? ? 文獻標志碼：A

1、引言

隨著經濟的不斷發展和城市規模的不斷擴大，水處理企業的規模也不斷擴大。許多大型水處理企業的水廠分布在不同的地域，甚至全球化分布。地域分散導致的信息共享困難，對企業的統一管理十分不利。針對水廠運營管理模式粗放、運行效率低、生產管控功能差等問題，通過集控信息化、監控互聯化、管理工具精益化、形象展示具象化改造等一系列方法，使水廠達到“少人值守/無人值班”的運行模式，提高了水廠的管理智能化，降低了水廠的運營成本。

2、系統設計

無人值守水廠集控系統總體設計可分為四個部分：業務層次設計、網絡架構設計、數據架構設計、系統架構設計。下面具體介紹。

2.1 業務層次設計

無人值守水廠根據業務層次分為集團總部運管中心、地域中心、區控中心、基層水廠四個主要層級。其中，集團總部運管中心為集團最高運行管理機構，重大業務方針決策層;指導并監督下屬各級業務機構的日常運行管理工作。地域中心直接隸屬于運管中心，通常由一至多個區控中心構成，主要以地理位置為劃分依據;在生產運行管理體系中承擔主要的日常管理職責。區控中心是生產運行的核心執行機構，區控中心對下屬各水廠生產運行情況進行遠程控制，主要工作內容包括：運行情況監視、遠程設備啟停、工藝參數調整、報表生成和異常情況響應等?；鶎铀畯S是最終管理單元，也是水廠體系的真正運行單元;通過完善就地自動化控制系統及巡檢制度的高效落實，達到少人甚至無人值守的模式。

2.2 網絡架構

網絡在整個系統中有著十分重要的作用，特別是在區控中心與水廠之間的網絡更是區控模式運行的基礎，所以在網絡規劃時采用扁平化的設計方案。扁平化可以提高數據的傳輸速度，更好的滿足工業控制的需要;同時也減少了可能的故障節點數，有較好的穩定性。網絡架構如圖2所示。

整個網絡架構包含兩大類節點。其中，網絡樞紐是連接到同一網絡樞紐的區域中心或水廠之間實現遠程控制。不同網絡樞紐之間互聯互通，形成信息傳遞網絡，但是主要以集團頂層運管云的應用為主。主要包括區控中心的業務數據上報和集團運管中心的管理內容下達為主。普通節點，包括水廠、區控中心、事業部乃至集團運管中心。對于連接到同一網絡樞紐的各普通節點，他們的網絡位置相等。因此某一區控功能的實現不必完全依賴于特點的水廠，該區域內的任何一個水廠都可以隨時升級到區控中心，整個運管模式底層的可靠性有良好的保障。

2.3 數據架構

數據是企業生產，經營，戰略等幾乎所有的經營活動所依賴的，不可或缺的信息。數據就猶如企業經營者的眼睛一樣，通過數據可以反映出經營的問題，就猶如舵手依賴導航一樣?？梢姼咝Э煽康臄祿軜媽嫿ㄖ腔鬯畡沼葹橹匾?，數據架構如圖3所示：

2.4 系統架構

無人值守項目建設主要內容包括：單廠的自控系統完善，達到智能化監控要求;多廠集中監控中心建設，達到集中監控+管理模式創新（精益化管理）;設備設施執行機構的完善，達到無人值守智能化水廠的要求。

3、建設內容

以更好實現水廠無人值守智能化運行為目標，以完善集控功能、管理措施保障水廠安全運行為目標。區控系統建設主要包含網絡建設、基層水廠系統完善、區控中心系統搭建三方面工作。

3.1 網絡建設

網絡建設是區控中心的基礎條件。傳統單廠運管模式下，各廠生產控制網絡都局限于本廠內部，無法滿足區域控制需要廠外遠程監控和管理的需求，所以在區控建設過程中第一步進行相應的網絡建設。

區控相關的通訊鏈路全部采用VPN的方式進行加密。各網絡節點用于VPN組網的設備選用同一廠家的產品，以最大程度確保通訊的穩定性和兼容性。同時也便于維護過程中備品備件的保障。

3.2 區控中心/基層水廠內部網絡安全建設

在區控中心/基層水廠引入新的網絡構架之后，需要對其內部的網絡安全性進行更進一步的管理。主要管理內容包括：

1 確保區控相關線路與其余線路物理隔離;

2 輔助系統中的視頻監控系統由于較大的數據流量，需要實現設備與線路資源的獨立;

3 網絡設備選型盡量選用網管型設備，使用SYSLOG及SNMP等手段實現對網絡運行情況的監管;

4 配置工業安全網絡實現對自動化控制設備的訪問保護。

3.3 全流程智能化水廠建設

全流程智能化水廠是通過工藝設計優化、設備儀表配置優化、自控系統完善等一系列措施，實現全廠各工藝單元的自動運行，進而實現運行、巡檢、維護、維修管理模式的轉變。

3.4 數據采集與監視控制系統

數據采集與監視控制系統（SCADA）是基層水廠最核心的生產監控系統。現有運管模式下，各廠都配置了以在線儀表、PLC控制系統及上位機組態軟件為組合的SCADA控制系統。為實現無人值守水廠的信息化建設，需要對水廠進行自動化改造，使關鍵區段、關鍵設備信號由上位機監控，減輕甚至消除人員就地控制工作量;水廠各工藝單元能夠自動運行;區分控制信號層級;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[1～4]。

水廠中控的監控功能與集控中心的監控功能一致，作為集控中心對本水廠監控的后備手段。平時不需要巡檢人員操作，但控制權限高于集控中心，用于應急處置。同時具備數據存儲功能，當水廠與集控中心出現網絡中斷時能夠存儲廠內各類數據，待網路恢復后能夠將存儲數據同步至集控中心中控，數據存儲時長不小于2年。

3.4.1 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。

3.4.2 視頻監控及安防系統

區控模式下，視頻監控系統是區控中心了解基層水廠情況十分重要的手段。視頻監控的布點原則是以滿足工藝監視和安防監控兩方面需求為依據。主要參數詳見設備參數表。除了主要工藝區段之外，配電間、大門和控制室等區間也必須安裝攝像頭，并確保必要的光照效果。對于攝像頭設備選型推薦采用圖像清晰、易組網的高清網絡型攝像頭，并支持主、副雙碼流輸出。必須配置硬盤錄像機，并且支持網絡方式獲取視頻流。硬盤錄像機錄像保存時間至少達到15天。

3.4.3? 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[5～7]，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。巡檢系統是區控管理模式中重要配套管理機制——巡檢機制的信息化輔助手段。巡檢系統借助物聯網和信息網絡，實現對巡檢工作的全過程進行指導、監督和考核，并在巡檢過程中為巡檢人員與區控中心提供高效的信息傳輸手段。通過巡檢系統使巡檢工作更規范、高效的開展。

巡檢系統的構成包括信息化調度軟件與配套的各種硬件裝備和設施。信息化調度軟件功能集成在區控中心區控智能調度信息系統中。涉及到的硬件包括巡檢人員巡檢時的穿戴設備和攜帶設備，以及現場巡檢點的設施。

巡檢人員攜帶的智能移動終端可接入廠內無線網絡與集控平臺進行信息交互。

3.5 網絡及通訊系統

無人少人值守水廠的控制網絡應高度穩定可靠，應采用光纖環網或者雙星型網絡，降低鏈路故障對集控系統正常運行的影響。雙通訊線路同時工作，保證兩條線路的可用性，便于線路問題的及時發現。任何線路出現故障都會在水廠和集控中心進行報警。

水廠在線儀表盡量采用總線組網。進出水水質在線參數上傳中控室、數采儀時應確保數據的一致性，必要時要采用相同的通訊方式;流量、風量須采用總線+模擬量兩種結合的傳輸方式，以便采集累計量和瞬時量。

4? 結束語

本文對無人值守水廠集控系統在業務層次、網絡架構、數據架構、系統架構四個方面進行了設計。通過對基層水廠進行網絡建設、基層水廠系統完善、區控中心系統搭建的方式實現了無人值守水廠集控系統。

在國家大力推進兩化融合和智能化、數字化工廠建設的今天，信息化建設是水務公司向數字化、智能化工廠轉型的必經之路。本文提出的層級化集控系統設計方案已經在多個水廠部署實施，取得了較好的運行效果，具備較高推廣價值。

參考文獻：

[1] 李高波. 污水處理廠實現"無人值守"的方案研究[J]. 工業， 2016（6）：00214-00215.

[2] 劉季飛， 馬龍華. 基于PLC實現污水處理廠泵站的"無人值守"自動控制[J]. 工業控制計算機， 2004， 017（002）：47-48.

[3] 趙越. 基于PLC的污水泵站遠程監控系統研究[D]. 黑龍江八一農墾大學.

[4] 關永年. 污水處理廠無人值守運行模式探討[J]. 凈水技術， 2018， 37（12）：30-33.

[5] 楊天博， 宋曉亮， 杜潔. 集控式少人無人值守水廠建設方法[J]. 制造業自動化， 2018， 40（09）：48-50+76.

[6] 吳恩杰， 黃新華， 朱黎. 變電站巡檢系統的人機理論應用可行性分析[C]// 電力系統自動化學術交流研討大會. 2006.

[7] 劉旭. 基于掌上電腦技術的水電廠巡檢系統研究[D]. 浙江大學， 2005.