建立水務自動化控制系統標準

謝艷 張元禾 岳敏

（重慶遠通電子技術開發有限公司 重慶市 400000）

1 引言

隨著信息化、網絡化、數字化、云計算及大數據等現代化科技技術的高速發展，自動化控制技術在工業、農業、服務行業等各行各業都起著巨大作用，它也走進了千萬家庭中。自動化控制技術在水行業扮演著重要角色，它提升了給排水處理行業工作與生產效率，實現設備的精確控制與監測，保證了水行業的安全生產，提升了水行業的管理水平，減少了人員配置，實現了一定程度上的節能降耗，實現水廠自動化控制系統是建設和打造智能水廠的前提與基礎，也為水處理行業的發展貢獻部分力量。

水務自動化控制系統主要有各個PLC 控制站、儀器儀表、網絡安全系統與中央控制系統（中控室上位機監控系統）等組成，其中儀器儀表主要是實現池子的水位、泥位、水流量、風量、污泥/回流流量、加藥加氯量、自來水/污水水質、壓力、振動情況、氣體泄漏、電氣類數據等的監測，網絡安全系統主要是實現生產廠區各個PLC 站與中央控制系統的通訊、廠區與泵站的通訊、廠區與水質監測站的通訊、保證網絡與系統安全等，每個PLC 控制站主要是實現對應構筑物的各個設備的狀態與數據采集、各個設備的自動控制與監控等，中央控制系統主要是實現全廠及泵站設備的集中控制與監控、水處理全工藝環節的展示與監控、報表數據管理、設備聯動控制等。

現狀：每個自來水廠及污水處理廠的自動化控制系統無統一的建立標準。首先幾乎所有都已建立自動化控制系統，但是由不同的設計院采用各自的設計依據與原則進行設立，且大多都由不同的承包商建設；其次每個自來水廠與污水處理廠都設計有工藝成套設備，未與自動化控制系統結合進行統一考慮，會存在其設備品牌與檔次與全廠自控系統不一致，同時多個工藝成套可能是不同的通訊協議，上述情況會導致全廠的網絡架構與系統架構復雜混亂、通訊困難與工作量增大等；再者如某些污水處理廠或自來水廠存在分期建設情況，各期由不同的承包商建設，會存在多種品牌、多檔次的PLC，會導致PLC 系統架構層次不分明和增加投資成本；最后污水處理廠存在提標改造建設，大多為新增深度處理單元（多為工藝成套設備），與原有系統融合未有統一的標準、通訊協議也可能不一致，導致融合困難及其工作量大。綜上所述，為水務自動化控制系統建立標準是必要的，也是同時也是實現信息化的前提。

2 水務自動化控制系統標準

建立水務自動化控制系統標準，主要包括PLC 控制站標準、網絡及安全標準、上位機標準與下位機標準、數據標準、泵站無人值守標準等。

2.1 PLC控制站標準

（1）全廠每個PLC站的設立根據工藝段或系列組別，具體如下：

1.其中自來水處理可將其工藝段分為取水段、預處理段、砂濾池反沖段、炭濾處理段、送水段、加藥段、污泥脫水段（自來水廠）、消毒處理段，泵站段、二次供水段（廠外）；

2.其中污水處理廠可將其工藝段分為提升配水段、預處理段、生物處理段、深度處理段、加藥段、脫泥段、消毒處理段；

3.對上述每個工藝段設立1 個主PLC 站、同時為每個濾池設立1 個PLC 子站；

4.取消所有工藝成套設備控制站，將其納入全廠自動化控制系統統一考慮建設。

（2）每個PLC 站的建設原則如下：

1.每個主PLC 站配置同品牌、同系列、同檔次的模塊，每個PLC 子站配置同品牌、同系列、同檔次的模塊，每個主PLC 站或子站采用相同的觸摸屏配置，每個主PLC 站或子站采用相同的以太網通訊協議，每個主PLC 站配置Modbus 485 通訊；

2.每個主PLC 站必須配置獨立的CPU 處理器，重要工藝段的PLC 子站如濾池必須配置獨立的CPU 處理器；

3.每個PLC 主站主要的配套配置保持統一，如配置不間斷電源UPS、具有支持形成環網功能的工業以太網交換機等；

4.柜體及柜內標準：戶內戶外柜體標準、柜內布局標準、防雷措施標準、接地措施標準、電氣元器件編碼標準、接線端子編碼標準、線纜打標的標準等。

5.對需接入控制站電氣設備要求的標準：應向監控控制站提供至少如下無源觸點信號有①每臺設備的運行信號（運行、開到位、關到位），②每臺設備的故障信號，③每臺電機的手動、自動狀態信號，④現場電氣控制箱應可接受控制站提供的開命令、停命令（均為無源觸點信號），⑤所有狀態信號及控制命令均應接至端子排，就地控制箱柜內應根據功能要求留有足夠的端子；

6.對需與PLC 控制站進行通信的其他監控系統如電力監控系統等的要求如下：支持Modbus TCP/IP 通訊協議，提供所有點位表且點位表是可讀可寫的，允許多個設備通過Modbus TCP/IP 方式同時對其進行訪問。

（3）建立獨立的控制室，與配電間分離。

2.2 網絡及安全標準

網絡標準：將全廠的中央控制室、每個主PLC 控制站采用具有可支持環網功能的工業以太網交換機組成環網網絡，由于環網的網絡拓撲具有冗余性、可靠性的優點，若環網上的某一路鏈路斷開后也不會影響網絡上數據的轉發，保證了數據的傳輸；全廠采用相同的以太網通訊協議，PLC 子站與其主站的通信采用以太網通訊方式，觸摸屏與PLC 站的通信采用以太網通訊或Modbus 485 通訊方式；PLC 控制站及中央控制室監控站的網址按照水務集團IP 地址標準將其分為生產段對各個控制站進行統一分配與建立；自來水廠區及泵站與污水處理廠區及泵站的自動化控制系統與安防監控系統的光纖模數保持統一；上傳方法采用VPN 專線方式（自控、視頻各自上傳），接入采用有線為主、無線備用的原則。

安全標準：

（1）建立統一的工控系統信息等級安全防護或網絡安全防護措施；

（2）先將分為區域類、設備類、人員類三大安全領域，再就每個領域按其領域內元素的重要性、風險系數劃分為A、B、C 三個安全等級。

2.3 上位機標準與下位機標準

上位機標準建立具體如下：

（1）采用CS 架構，并具備冗余；

（2）采用3D 界面渲染、布局與色調保持風格一致（色調風格分為兩種：管理類和生產類，其中管理類采用淺色系、生產類采用深色系），3D界面主要有總圖、每個單體工藝圖，背景模板保持統一；

（3）對設備進行分類如可分為電機類、閥門類、監測儀表類，再按類別為每種設計統一的顯示與控制面板，最后按類進行創建后只需再按標簽名進行映射；其中電機類按著設備具有的信息元素可再分為大泵類、中泵類、小泵類三大類，閥門類可再分為開關型、調節型兩大類，監測儀表類可再分為水質類、流量類、安全監測類、物位類、壓力類五大類；

（4）對廠區及泵站的相關報表數據按工藝設備類別、儀表類別（如水質/流量/物位/壓力/安全監測等）、重要性、能耗類（電耗、水耗、藥耗）等進行分類，為每種類別建立一一對應的報表并其報表格式保持統一；

（5）對廠區及泵站的趨勢數據按儀表類別及其重要性、設備參數及其重要性等進行分類，按類別建立相應標準的趨勢界面（包括操作與顯示界面）；

（6）對廠區及泵站的報警信息分為管理類、安全類、生產類三種，為每種類別的報警信息建立統一的報警顯示與處理模板；

（7）規范上位機組態軟件與下位機的信息接口；

（8）融合原則：與原有風格保持一致。

下位機標準建立具體如下：

（1）對設備標簽變量按其設備類別并結合PLC 特性建立標準以便識別，實現標簽變量定義的規范性與標簽變量特征（數據類型、限值、周期、值域等）規范性；

（2）對設備標簽地址按其設備所屬類別、數據類別（如生產、安全、管理類）、數據類型（布爾型、短整型、長整型、單精度浮點數、雙精度浮點數等）、設備情況（如狀態、命令、報警、電流、溫度、振動、時間等）并結合采用的PLC 和編程軟件特性建立地址分配標準以便快速識別與增加程序的可讀性；

（3）為單個工藝段建立相應的標準程序；其次對設備進行分類，按其類別建立對應標準的程序；

（4）將程序按主程序、輔助程序、專題程序分類并打造相應的標準程序，規范每個程序的命名。

2.4 數據標準

數據標準：主要包括數據建立與編碼標準、數據采集標準、數據集成標準、數據共享與交互標準等。其中數據建立與編碼原則如下：

（1）基于集團大數據平臺；

（2）首先將數據分為給水類、排水類兩大類，在此基礎上將數據再分為生產、管理、安全三中類，再根據上述進行相應的編碼；

（3）對所有自來水廠、污水處理廠進行編碼；

（4）對工藝段流程及其系列等進行編碼；

（5）對工藝設備、儀表進行分類并進行相應的編碼；

（6）對工藝設備、儀表按狀態、控制等進行分類并編碼；

（7）對數據類型按類別進行編碼；

（8）提煉出主數據，形成統一的主數據編碼規則。

其中數據采集標準如下：首先規范上位機組態軟件與下位機PLC 控制站的信息接口，再規范上位機組態軟件與信息管理系統的接口且建立統一的識別原則與程序。其中數據共享與交互標準：主要有數據交換方式標準、數據共享目錄規范、交換共享標準規范和運行機制等；其中數據交換方式實現對信息系統內部和信息系統之間各種接口與聯系方式，以及信息系統輸入和輸出的格式制定規范和標準化，包括客戶端報送方式、數據接口對接方式與數據拷貝方式；其中共享目錄規范實現完善和提供更加便捷且可溯源的共享數據的查詢方式，它包括基礎信息目錄、部門共享目錄和專題共享目錄，基礎信息目錄重點圍繞各子公司廠、站、網基礎信息等編制；部門共享目錄重點圍繞大數據各指標及其他關鍵數據等編制；專題共享目錄重點圍繞供水、排水、項目建設信息共享和公眾服務信息共享等專題方面編制。其中數據集成標準：包括數據轉換與定義標準、基礎數據編碼規則、基礎數據約束與規則管理。

2.5 泵站無人值守標準

泵站無人值守標準：

（1）出入口管理標準：設立門禁、監控措施；

（2）周界安全管理標準，設立電子圍欄；

（3）設備監視與控制標準，采取視頻措施、儀表監測、電氣自動化控制設備等；

（4）泵房安全標準：采用泵房雨水洪水位安全監測、火災報警系統、電氣防護措施等；

（5）數據上傳標準：如自動化控制系統數據、安防監控數據采用獨立的專線上傳。

3 結語

建立水務自動化控制系統標準可實現PLC 的系統結構層次清晰，避免造成網絡架構復雜與出現多種不同協議通訊困難；建立統一的數據標準，數據更具可讀性、易識別、便于共享與傳輸，便于接入大數據中心；全廠所有PLC 控制站統一考慮，節約投資成本；也為今后智能水廠與污水廠建設打下堅實的基礎。實現標準化的自來水廠、污水處理廠、泵站自動化控制系統的打造，為達到精細化管理、供排水企業的內部生產標準化管理、智能化管理等奠定良好的基礎。