尾水導流工程信息化設計與實施方案

章熙柏

(南京市市政設計研究院有限責任公司， 江蘇 南京 210008)

根據江蘇省南水北調尾水導流工程建設及運行管理的調研結果，該工程存在水質不能持續穩定達標、工程存在環境風險等問題[1]。為保障南水北調東線工程輸水水質安全，江蘇省宿遷市實施了南水北調宿遷市尾水導流工程。通過本工程建設，市域內城鎮污水處理廠未被利用的尾水不再直接排放至南水北調輸水河道，而是通過管道方式輸送至新沂河北偏泓，最終匯入大海。根據前期研究，尾水導流總規模為28.6萬m3/d。

目前該市已建成的污水處理廠分布在市域范圍且相對分散，現狀尾水排放通道為市域內各主要河道，大部分河道與南水北調東線輸水河道相連通，直接或間接影響南水北調東線輸水水質安全，實施尾水導流工程有其必然性和緊迫性。同時本工程具有戰線長、工期長、投資大、建設管理體制復雜、管理環節多、參建單位多等特點[2]，這也給本工程的實施帶來了很大的困難。

為提高項目運行管理的信息化水平，工程中設計了儀表和自控系統，并在自動化基礎上實施了智慧化管控平臺。平臺可基于地理信息系統，集數據采集與傳輸、實時監測、歷史數據分析、視頻監控、預警預報于一體，對工程現場的各種類型的監測數據和工況信息進行采集、分析和展示應用[3]。

1 自控系統

自控系統是項目信息化的基礎。尾水導流工程在每座泵站和壓力釋放井均設置1套PLC控制系統。整個自控系統采用集中管理、分散控制的模式。中控室設在其中1座泵站(1號尾水調度泵站)，在中控室內設置3臺服務器、2臺監控計算機和1臺工程師站，配液晶顯示器和2臺打印機。

數據庫服務器用于存儲數據庫，為應用系統提供數據支撐；應用服務器用于布置應用支撐服務、版本控制與升級服務，客戶端通過應用支撐服務獲取所需功能，定制管理信息軟件，系統軟件可提供數據錄入、處理、分析、輔助決策等服務功能；接收控制服務器用于接收監測站發送的實時監測信息，并按照數據標準和要求上報實時監測信息；兩臺監控計算機都安裝有監控軟件，同時工作，互為備用；工程師站計算機用以編程和維護PLC控制系統；中控室計算機上安裝有監控軟件，可監控各泵站運行的全過程，并可計算、統計、貯存各泵站的運行數據信息，繪制各種圖幅曲線、打印報表、事故報警等。

中控室計算機之間采用以太網進行通訊，各泵站的PLC站與中控室之間均通過單模光纖進行通訊。

1.1 信號傳輸方案比選

工程設計過程中對于采用什么樣的信號傳輸方案是這個工程信息化的重點和難點。由于各個泵站的位置在市域范圍內分布較為分散，串接起各個泵站的尾水管道上也設置了較多的壓力變送器，無線傳輸方案似乎較為合適。但各泵站尾水是通過管道連接與混合，若在管道敷設時同步進行光纖的敷設，可大大降低有線傳輸方案的成本。因此本工程對有線和無線傳輸方案進行了比選。

(1)主要工作原理：光纖有線傳輸方案采用單模光纖傳輸信號，信號衰減低，色散低，適合遠距離傳輸。無線傳輸一般采用4G或5G等移動網絡傳輸信號，數據實時，較穩定，便于后期智慧管網系統擴展。

(2)測控系統供電：光纖有線傳輸和無線傳輸都可采用微功耗電源管理模式，使用鋰電池供電，太陽能電板不間斷充電。

(3)系統安裝施工：采用光纖有線傳輸需單模光纖長度約67 km ，光纖套管采用PE管DN60，其中溝埋61 km、牽引管6 km，需手孔井約560座，太陽能電板35個。采用無線傳輸需傳輸設備35套，太陽能電板35個。

(4)運行費用：光纖有線傳輸無信號傳輸費用。無線傳輸方案中若每個泵站按每分鐘上傳1張視頻圖片計，采用10M帶寬，600元/月，0.72萬元/年，則10座泵站總計流量費 7.2萬元/年(暫估價)；若壓力變送器按每個點500M/月，30元/月，360元/年，則35個點總計流量費1.26萬元/年(暫估價)。

(5)可靠性：光纖有線傳輸方式信號傳輸穩定，是傳統的傳輸方式。無線傳輸方式信號傳輸較穩定，是智慧管網低成本建設主要采用的信號傳輸方式。

(6)系統后期維護運行：光纖有線傳輸信號線路較繁雜，維護難度較大，但運行更穩定。無線傳輸移動通訊網絡較穩定，系統有斷點保護，后期維護較方便，運行也較穩定。

經過比選，并結合本工程實際情況，最終確定在有尾水管道敷設的各泵站之間采用有線傳輸方式。

1.2 系統拓撲結構

結合各泵站及壓力監測點平面位置，以1號尾水調度泵站為中心，通過“樹形-總線型”拓撲結構串接起各泵站及沿線管道壓力監測點，拓撲結構圖詳見圖1。

圖1 計算機監控系統拓撲圖

1.3 自控系統主要設備材料

根據工程自控系統的設計，配置主要設備包括但不限于表1所列設備。

表1 自控系統主要設備材料

2 儀表系統

尾水導流工程將污水處理廠的出水通過尾水提升泵站引至排放口，為確保污水處理廠尾水達標排放，在污水處理廠尾水提升泵站及調度泵站設置水質監測儀表。根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)規定及污染物排放總量控制要求，結合本工程環境影響報告書及江蘇省環保廳對環境影響報告書的批復要求，本工程尾水排放執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準。

儀表是控制系統的眼睛和神經系統。為配合計算機控制系統，各儀表采用4～20 mA的標準信號或通訊接口送至各現場PLC，再轉送至監控中心上位計算機。

根據工藝要求，本工程設置的儀表包括：

(2)管線：每隔3 km或壓力匯入點前后設置壓力變送器，由一體化太陽能電源供電，信號通過光纖傳輸至1號尾水調度泵站中控室，統一管理。

表2 主要儀表清單

3 智慧應用

智慧化管控平臺是工程的大腦。本項目通過在智慧化管控平臺基礎上開發部署各類業務應用滿足在調度中心即可實現全工程的統一調度控制和運維管理。

智慧應用涵蓋了系統的全景監控、調度決策、工程管理、信息服務等各個方面。

(1)根據泵站主機組的工況、開機需求等，智能分析開機模式及開機步驟，實現主設備的一鍵啟停。可集中遠控變配電設備、水泵機組、閘門等關鍵設備，監視工藝流程。使用常用控制策略，包括PID控制、模糊控制、模型預測控制等，實現系統的自動閉環調節。

(2)對生產數據進行充分挖掘，利用數據建模，使用成熟完善的數據統計模型，對實時生產數據進行統計、報警和存儲，解放現場運行值班工作。

利用大數據分析軟件和策略，對歷史數據進行分析和處理，實現運行維護工作所需生產報表自動生成，設備運行趨勢自動分析，設備運行智能預警和預判，并采用電話、短信方式通知運行維護人員。

(3)對泵站的流量、功率等信息進行統計，綜合分析泵站的運行效率。通過泵站效率在線評估，使水泵運行在最佳效率區間，節約運行費用。

(4)采集、分析并診斷泵站主設備狀態數據，為設備狀態檢修提供可靠的技術保障，提升泵站設備安全管理水平。包括設備對象建模、設備監測分析、設備狀態評價、設備風險評估、故障識別與診斷等。

(5)泵站的經濟運行對于節約能源、降低運行成本、提高經濟效益具有十分重要的意義。主要通過結合監測數據，利用人工智能技術實現對泵組運行特性曲線的校正；結合污水處理廠排放預報、峰谷電價對年抽水方案、日抽水方案進行優化；結合泵組效率，對泵站串并聯運行方案進行優化；根據泵組在線監測及故障診斷評估結果實現預見性檢修。

(6)兩票管理模塊能夠根據接收到的工程運行調度指令，按照相關規定自動提供可供選擇的兩票方案，并能夠記錄、跟蹤調度指令的流轉和執行過程，是在泵站運行管理中進行電氣操作的書面依據。

(7)泵站移動巡檢，包括制定巡檢計劃、室外北斗(或GPS)定位、人員考勤、室內NFC/二維碼打卡、巡檢事件上報、故障處理指導、關聯設備檔案等。

4 結 語

本文針對尾水導流工程設計了自動化和智慧化的系統架構及實施方案。尾水導流工程信息化監管系統的建設，能提升尾水導流項目運行維護能力[4]，極大減輕工程建成后管理人員的勞動強度。一體化管控平臺為“無人值守、定期巡檢”泵站的正常運行提供了技術基礎，為工程量身定制的光纖傳輸方案將為系統建成后控制系統穩定的信號傳輸和實時響應控制夯實基礎。同時項目的實施對于水利設施高效利用和管理的現代化水平將產生積極的促進作用，通過項目的實施和運行管理將會培養一批水利系統信息化管理人才和技術人才。工程建成后將為南水北調東線輸水水質提供重要保障，具有較好的經濟效益和社會效益。