基于加壓泵站恒壓自動供水的中控系統設計

蔣培洪，歐陽遠波，劉 武

（廣州開發區水質監測中心，廣州 510530）

0 引言

供水系統[1]在各行各業的生產中都具有至關重要的作用，作為供水單位而言，確保區域內的供水系統安全、經濟、可靠、穩定運行是尤為重要并且必須保障的，在嶺南地區，地勢多為丘陵地帶，供水壓力無法僅靠管網調度保證，因此區域內各片區的供水加壓站起到了關鍵性作用，是保障各用戶用水壓力不可或缺的手段[1]。通常供水系統在一天內不同時段的用水量波動較大，需要的供水壓力也不一致，如果不及時根據外圍管網的用水量對供水加壓站進行壓力調節，會致使整個區域內管網用水處于波動狀態，并且嚴重的可能導致供水管網爆管事故、水質惡化[2]等問題，傳統的加壓站恒壓調節通過手動操作加減泵組實現本站服務區域內恒壓供水的目的，使用傳統的電氣控制設備啟停頻繁，增加了值班人員的工作量，且容易出現故障，增加維修工作量等問題，并且不容易控制恒壓運行，隨著目前自動化技術的不斷提高，也逐漸引入到供水系統中，大大提高供水系統的智能化[3]程度。

某單位目前供水加壓站采用全天恒壓[4]運行模式，并且不分時間段不分季節采用同一恒壓壓力，這樣的過程導致泵站內設備為保持恒壓狀態長時間運行，增加了設備的故障率，另一方面用戶在不同時間段所需供水量及供水壓力不一樣，采用統一恒壓壓力會造成很大的能源浪費；并且采用水池供水的泵站沒有將水池進水閥門與液位進行關聯，通常導致水池溢流，造成嚴重的淡水資源浪費；且目前該單位區域內的經濟發展參差不齊，所需用水量也不盡相同，因此管網調度經常出現夸片區調度供水的問題，導致各片區內供水加壓站信息無法實時分享，對供水調度造成很大影響，根據實際情況提出一種恒壓的供水加壓站中控控制系統設計，該方案采用浙江中控技術PLC 為控制核心，具有高程度自動化、精準控制、便于安裝測試、便于維護更換、供水運行可靠性高等特性。

1 系統設計

1.1 子站系統

基于恒壓供水的加壓站中控系統由硬件跟軟件系統組成，硬件以浙江中控技術PLC G5Pro 的CPU 為控制核心，配置相應的AI∕AO∕DI∕DO 模塊，其中CPU 采用熱備冗余[5]模式確保系統運行的高可靠性，具備無間斷切換功能；中控系統及現場PLC 控制系統均采用雙回路電源供電，且切換時間小于或等于5 ms，現場PLC 網絡系統配置如圖1所示，該控制系統由現場工控機、泵組、變頻器、閥門、母管壓力開關∕壓力變送器、水池液位計、濁度儀、流量計等設備形成閉環控制系統，實現自適應恒壓供水；其工作原理如圖2所示，PLC 將現場出水壓力傳感器的數值采集，并與設定恒壓供水壓力進行比較，根據編輯完整的控制邏輯進行啟停泵組及閥門開關，首先通過變頻器調節，如達到50 Hz 供水壓力仍沒有達到設定壓力，則增加一臺工頻泵組運行，PLC 不斷采集實際數據進行對比分析，通過PID自動調節[6]出水壓力使得其保持在設定壓力（根據實際工況要求，啟停泵組調整壓力時允許存在一定誤差，并且該誤差可設定范圍），實現下位中控系統自動恒壓供水；水池進水閥門開度由水池液位反饋信號進行積分調節[7]，跟水池液位密切關聯，動態調整閥門開度，使得水池保證在一定范圍的液位高度；另外在泵組吸水母管上加裝濁度儀、壓力開關及壓力傳感器等，濁度儀用于保障出水質量，壓力開關及壓力傳感器則保障出現負壓情況下，泵組能夠及時停機保護機封燒損，泵體氣蝕等情況發生。

圖1 現場PLC網絡系統配置

圖2 泵房加壓工藝

1.2 中控系統

各站點下位機組態完成后，具備現場自適應運行能力[8]，為便于供水調度，將各分站集成到中控系進行統一調配，系統總構如圖3所示，將各分站運行數據及相關監控通過光纖通訊統一集中VXSCADA 服務器內，再將數據傳輸到中控室，各分站設立操作員站，增設工程師操作站，便于對各子站相關運行參數的修正，從而實現總中控操作遠程操控各泵站的設備運行狀態，為區域的供水調度系統提供有力的運行調度保障。

圖3 中控系統布置

2 硬件選型及組態軟件設計

2.1 硬件選型

PLC 控制器在供水系統中應用很廣泛且對于提高供水智能化程度尤為重要，目前市場上PLC 種類繁多，各類品牌的產品在功能實現上存下一定差異，本次系統設計采用浙江中控技術G5ProGCU-5001S 型號的PLC 作為控制器，該模塊可周期性地采集I∕O 模塊的實時信息，將這些信息進行綜合運算處理，并將處理結果周期性輸出到I∕O 模塊，完成對現場控制對象的實時控制，控制器所執行的運算處理程序使用符合IEC61133.1 標準的圖形化組態軟件進行編程，該控制器支持Modbus RTU、Modbus TCP、PROFINET 通信協議，可作Modbus 或PROFINET 從站，與異構系統進行通信；搭載的AI∕AO∕DI∕DO 模塊主要用于采集現場進出水壓力傳感器、流量計、變頻器頻率反饋、水池液位、水池進水調節法反饋及給定指令、吸水母管濁度、測震儀、泵組啟停、閥門開關等信號反饋及指令給定等；開關電源110∕220 VAC，輸出為24 VDC；部分設備相關參數介紹如：水池液位計采用超聲波液位計，輸出信號為4～20 mA，量程根據不同水池實際液位選定；進出水壓力傳感器采用橫河壓力變送器，輸出信號為4～20 mA，量程為0～1 MPa 供電電源為24 VDC；采用哈希品牌的濁度儀；采用海峽工控測震儀，量程為0～20 mm∕s，輸出信號4～20 mA；其余閥門、泵組、變頻器等設備參數結合實際使用設計。

2.2 電路設計

為充分保障系統運行的可靠性，子站中控系統以及總中控室采用雙回路供電[9]設計，將兩路低壓開關單元供給給電源柜內，同時加裝在線式UPS 供電模式，從雙回路市電確保UPS 不斷供電，如雙回路市電因設備或誤操作等故障導致低壓開關斷電，則由UPS 電池供電，這樣的設計大大提高了因PLC 斷電導致設備停止運行或各相關運行數據丟失等問題出現，從而提高了系統運行的可靠性及穩定性，總的中控室采取同樣原理的設計理念，確保服務器的運行，保證跟現場數據通訊的連貫性，不間斷提供區域內加壓供水數據，實時監測現場數據運行狀況，出現故障及時處理，從而也保障了供水調度安全。PLC 電源柜內的供電原理如圖4所示。

圖4 PLC電源柜供電原理

2.3 軟件設計

子站PLC 控制過程主要包括信號采集輸入、信號掃描運算處理、信號運算結果輸出執行3 個部分。控制器CPU按照周期讀取各I∕O輸入模塊狀態，根據內部程序運算后，更新內部鎖存電路，再通過輸出電路控制設備運行狀態調整，從而達到整個系統的控制運行。

本次中控系統設計采用模塊化編程[10]，綜合運用MBD（功能塊）+SBD（語言）+ST（數據處理）+梯形圖等相關功能，使用GCSContrix 編程軟件完成設計，根據功能控制對象不同，系統分為水池液位檢測模塊、壓力檢測模塊、泵組運行狀態模塊、閥門運行狀態模塊、余氯檢測模塊、濁度檢測模塊、故障識別處理模塊、啟停泵組模塊等。通過對各模塊進行工藝組態，可以將泵站運行模式分為直抽模式[11]以及抽庫模式，在直抽與抽庫模式下設定了自動運行模式、手動運行模式及分時段運行模式，模式切換須在工程師操作站實現，切換不同模式，PLC 程序應該自檢相關條件是否滿足該模式運行要求，如果無法滿足則自動切換到原供水模式運行，選定了供水模式后，需要充分結合外管網實際需求進行恒壓供水。各功能在設計前需確認其接口變量類型及數量，同時，為避免中途增加相關的設備接入系統，系統點位應充分考慮一定余量，在此基礎上根據現場實際控制需要進行程序的相關設計以及編譯，程序設計流程如圖5所示。

圖5 程序設計流程

3 子站PLC防護及網絡安全設計

自動化技術的不斷發展，相應配套的信息技術也日新月異，大數據系統給各行各業發展帶來了便利同時也帶來了安全隱患，為確?，F場PLC 設備運行正常，本次設計除了采用CPU 熱備冗余外，在子站各現場設備信號線在進入卡件前需經過隔離柵[12]，外部須與PLC 通訊的信號，采用光纖傳輸，防止雷雨天氣時，雷電經過信號線進入卡件或者CPU，擊穿內部元器件。其原理如圖6所示。同時從網絡安全角度考慮，本次系統設計的總中控系統與子站中控系統通過租用光纖實現數據通訊，且總中控系統具備遠程操作子站中控系統功能，因此網絡安全尤為重要，為確保網絡安全，在子站數據上傳∕接收時須經過工業防火墻后方可接通現場PLC 系統，在數據傳輸回總中控系統時，須先經過專業防火墻才能進入SCADA 服務器[13]，如相關數據需分享其他平臺使用，則增加單項隔離網閘[14]，阻斷外網絡對系統發送的任何信號指令，確保整個中控系統的運行安全，從而保障供水區域安全。網絡安全設計如圖3所示。

圖6 現場設備防護原理

4 實際應用與分析

根據加壓供水的工藝設計，完成了下位機程序組態設計，通過PID調節功能，現場設備運行具備恒壓自適應運行能力，能夠更精準控制出水壓力保證在誤差范圍內；同時在設定了相關保護值后，將各關鍵節點數據采集分析，如水池液位自動調節情況下，兩個液位同時低于某個液位值，母管壓力傳感器也低于某個值時，泵組將即時停泵，避免出現抽真空現象，損壞泵組；啟動泵組時，程序自動監測泵組進水閥門狀態，進水壓力傳感器、壓力開關、濁度儀等數據是否在開到位狀態及設定范圍內，條件滿足則啟動泵組，條件不滿足則不啟動泵組；另外在運行過程中，濁度儀如出現異常高于正常值，泵組也將停止加壓供水，以確保水質安全；現場組態的相關運行工藝設置能夠很好地保護泵組設備運行及供水安全；本次設計采用的PLC具備也具備一定的自診斷功能，現場設備故障能夠及時發出報警，并提醒確定后方可消除。將現場中控室的相關數據通過光纖通訊傳輸回SCADA 服務器內，將服務器的數據傳輸到總中控室進行上位機組態，實現總中控室與現場中控室的功能，能夠實時監控現場設備運行的實際情況，同時總中控室具備切換現場控制權的功能，如將現場控制權切換到總中控室時，現場中控室將無法操作設備運行及設定相關參數，將由總中控室對現場設備運行及參數設定進行操作，從而達到現場無人值守的條件；本次設計增加一臺移動工程師站，移動工程師站將所有站點操作員站功能及工程師站功能，并且在總中控室是連接子站系統，可直接進入現場PLC 監控，能夠遠程診斷現場PLC 故障等功能，本次設計在推進智能化供水的同時，也節約運營成本，向智慧水務推進；在光纖傳輸過程中，應充分考慮帶寬問題，避免出現數據傳輸通道擁擠，本次項目設計實際租用光纖為100 M 的裸纖，在數據傳輸及遠程操控上延時時間約為10 Ms，這樣的傳輸速度為實際運行調度提供了充分的保障。

5 結束語

本文主要針對目前單位加壓泵站中控系統運行可靠性差、運行模式單一、數據調度分享不及時等不足，提出的一種基于智能化恒壓供水模式中控系統設計，采用浙江中控技術PLC 為核心的，很大程度上克服原供水系統運行不穩定、可靠性差、自動化程度低、數據無法及時共享以及統一調度運行、本地PLC 卡件經常被雷擊燒損等問題，充分降低了值班人員的勞動力，自動恒壓調節在節能上也起到很大作用，能夠精準控制恒壓運行，保證外管網供水壓力平穩，更符合本單位加壓站實際運行需求。本次設計可為其他單位供水加壓系統改造提供參考思路。